邁克爾遜干涉實驗研究型報告

...v.根底物理實驗研究性報告專題:邁克爾遜干預(yù)實驗學(xué)號：班級：學(xué)院:目錄摘要 3一、實驗重點 3二、實驗原理 4〔1〕邁克爾遜干預(yù)儀的光路 4〔2〕單色點光源的非定域反射條紋 5三、實驗儀器 6四、實驗步驟 6〔1〕邁克爾遜干預(yù)儀的調(diào)整 6〔2〕點光源非定域干預(yù)條紋的觀察和測量 6五、實驗數(shù)據(jù)處理 7〔1〕原始數(shù)據(jù)及其初步處理 7〔2〕不確定度計算 8〔3〕測量結(jié)果 9六、實驗誤差分析 10七、實驗總結(jié)及建議 10〔1〕實驗經(jīng)歷總結(jié) 10〔2〕實驗改良建議 11八、感想與收獲 12九、參考資料 12摘要本研究性報告對邁克爾遜干預(yù)實驗的根本原理、實驗儀器、實驗內(nèi)容等進(jìn)展了介紹，并對實驗中測得的數(shù)據(jù)進(jìn)展了科學(xué)的處理，計算了不確定度，得到實驗結(jié)果的正確表述。然后是一些自己在實驗過程中的一些經(jīng)歷總結(jié)以及對實驗儀器的一些改良型建議。最后，是我在本次研究性實驗報告中得感想與收獲。再附上在實驗前后參考的資料。關(guān)鍵詞：邁克爾遜干預(yù)儀、等傾干預(yù)、誤差分析、實驗改良實驗重點1、熟悉邁克爾遜干預(yù)儀的構(gòu)造，掌握其調(diào)整方法。2、通過實驗觀察，認(rèn)識點光源非定域干預(yù)條紋的形成與特點。3、利用干預(yù)條紋變化的特點測定光源的波長。二、實驗原理〔1〕邁克爾遜干預(yù)儀的光路邁克爾遜干預(yù)儀是用分振幅法產(chǎn)生兩束相干光，其重要特點是這兩束相干光在空間分得很開，在一束光路中安置檢測樣品時不會影響另一束光的傳播。又因為拖板的位置可調(diào)，使之有廣泛的可應(yīng)用性，常用于長度的精細(xì)測量，長度標(biāo)準(zhǔn)具的校正以及光譜線精細(xì)構(gòu)造的研究。其簡化光路如下圖。M1和M2是在相互垂直的兩臂上放置的兩個平面反射鏡，其中M1是固定的；M2由精細(xì)絲桿控制，可沿臂軸前、后移動，其背后各有3個螺釘來調(diào)節(jié)平面鏡的方位。在兩臂軸線相交處，有一與兩軸成45°角的平行平面玻璃板G1，它的第二個平面上鍍有半透〔半反射〕的銀膜，以便將入射光分成振幅接近相等的反射光和透射光，故G1又稱為分光板。G2也是平行平面玻璃板，與G1平行放置，厚度和折射率均與G1一樣。由于它補償了光線和因穿越G1次數(shù)不同而產(chǎn)生的光程差，故稱為補償板。光源發(fā)出的光一局部從G1的半反射膜處反射，射向平面鏡M1;另一局部透過G1向著M2前進(jìn)，射向平面鏡M2；兩束光分別在M1、M2上反射后逆著入射方向返回，最后都到達(dá)E處。因為這兩束光是相干光，因而在E處的觀察者就能夠看到干預(yù)條紋。由M1反射回來的光波在分光板G1的第二面上反射時，如同平面鏡反射一樣，使M1在M2附近形成M1的虛像M1′，因而光在邁克爾遜干預(yù)儀中自M2和M1的反射相當(dāng)于自M2和M1′的反射。由此可見，在邁克爾遜干預(yù)儀中所產(chǎn)生的干預(yù)與空氣薄膜所產(chǎn)生的干預(yù)是等效的。當(dāng)M2和M1′平行時(此時M1和M2嚴(yán)格互相垂直)，將觀察到環(huán)形的等傾干預(yù)條紋。假設(shè)M1和M2相交，那么可視作折射率一樣、夾角恒定的楔形薄膜?！?〕單色點光源的非定域反射條紋如圖，M2平行M1′且相距為d。如果把觀察屏放在垂直于S1’、S2’連線的位置上，那么可以看到一組同心圓，而圓心就是S1’、S2’的連線與屏的交點E。設(shè)在E處的觀察屏上，離中心E點遠(yuǎn)處有某一點P，EP的距離為R，那么兩束光的光程差為?L>>d，展開上式略去d2/L2,?式中，φ是圓形干預(yù)條紋的傾角。所以亮紋條件為2dcos?φ=kλ三、實驗儀器邁克爾遜干預(yù)儀、氦氖激光器、小孔、擴(kuò)束鏡、毛玻璃。四、實驗步驟〔1〕邁克爾遜干預(yù)儀的調(diào)整=1\*GB3①調(diào)節(jié)激光器，使激光束水平地入射到M1、M2反射鏡中部并根本垂直于儀器導(dǎo)軌。方法：首先將M1、M2反面的3個螺釘及M1的2個微調(diào)拉簧均擰成半松半緊狀態(tài)，然后上下移動、左右旋轉(zhuǎn)激光器并調(diào)節(jié)激光器激光管的俯仰，使激光束入射到M1、M2反射鏡的中心，并使M1、M2反射回來的光點回到激光器光束輸出鏡面的中點附近。=2\*GB3②調(diào)節(jié)M1、M2互相垂直。方法：在光源前放置一小孔，讓激光通過小孔入射到M1、M2上，根據(jù)反射光點得位置對激光束方位作進(jìn)一步細(xì)調(diào)。在此根底上調(diào)整M1、M2反面的3個方位螺釘，使兩鏡的反射光斑均與小孔重合，這時M1、M2根本垂直?！?〕點光源非定域干預(yù)條紋的觀察和測量=1\*GB3①將激光束用擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，以獲得點光源。這時毛玻璃觀察屏上應(yīng)出現(xiàn)條紋。=2\*GB3②調(diào)節(jié)M1鏡下方微調(diào)拉簧，是產(chǎn)生圓環(huán)非定域干預(yù)條紋。這時M1、M2的垂直程度進(jìn)一步提高。=3\*GB3③將另一塊毛玻璃放到擴(kuò)束鏡與干預(yù)儀之間，以便獲得面光源。放下毛玻璃觀察屏，用眼睛直接觀察干預(yù)環(huán)，同時仔細(xì)調(diào)節(jié)M1的兩個微調(diào)拉簧，直至眼睛上下、左右晃動時，各干預(yù)環(huán)大小不變，及干預(yù)環(huán)中心沒有吞吐，只是圓環(huán)整體隨眼睛一起平動。此時得到面光源定域等傾干預(yù)條紋，說明M1、M2嚴(yán)格垂直。=4\*GB3④移走小塊毛玻璃，將毛玻璃觀察屏放回原處，仍觀察點光源等傾干預(yù)條紋。改變d值，使條紋外擴(kuò)或內(nèi)縮，利用公式測出激光的波長。要求圓環(huán)中心沒吞〔吐〕100個條紋，即明暗交替變化100次，記下一個d，連續(xù)測10個值。五、實驗數(shù)據(jù)處理〔1〕原始數(shù)據(jù)及其初步處理d的逐差結(jié)果i12345d51.4472751.4636151.4899451.4962751.51257d51.5289051.5452251.5615851.5778051.5941850.081630.081610.081640.081530.08161〔2〕不確定度計算由上表結(jié)果可得5Δd=由此得Δd=5Δdλ=2=653nm=1\*GB3①求Δd的不確定度Δd的不確定度A類分量為：uaB類分量為ub因此，Δd的不確定度為u5Δd=ua25Δd+對N只有B類不確定度，因此，N的不確定度為：ub=3\*GB3③求λ的不確定度由λ計算公式λ=2ln等式兩邊同時求導(dǎo)：dλ將上式中得d改為u，并取方和根：u因此u〔3〕測量結(jié)果最后結(jié)果表示為：λ±u六、實驗誤差分析本實驗中容易產(chǎn)生誤差的地方主要有：1、讀數(shù)數(shù)過程中，由于長期觀察干預(yù)條紋，導(dǎo)致視覺疲勞，產(chǎn)生視覺模糊等狀況，以致數(shù)錯圈數(shù)。為減少誤差帶來的影響，可通過計算圈數(shù)N的不確定度減少由于讀數(shù)產(chǎn)生的實驗誤差。在不數(shù)錯圈數(shù)的情況下，?N=1，其不確定度為ub2、數(shù)圈數(shù)時，由于產(chǎn)生的干預(yù)條紋不夠清晰，或者當(dāng)再次轉(zhuǎn)動螺旋測微儀旋鈕時的碰撞使得干預(yù)條紋震動，會模糊一會兒，難以判斷該時刻是否應(yīng)將其算入吞吐圈數(shù)中，導(dǎo)致讀數(shù)不夠準(zhǔn)確。3、測量前未進(jìn)展空程誤差的消除，直接開場計數(shù)，導(dǎo)致實際讀到的圈數(shù)偏小，測量的數(shù)據(jù)全部作廢。4、兩個平面鏡不嚴(yán)格垂直引入誤差。當(dāng)M1、M2不嚴(yán)格垂直時形成的干預(yù)條紋不是等傾干預(yù)，而是等厚干預(yù)，而且不是同心圓環(huán)，當(dāng)不是等傾干預(yù)時，運用上述公式計算就會對波長產(chǎn)生誤差。七、實驗總結(jié)及建議〔1〕實驗經(jīng)歷總結(jié)相對于分光儀的調(diào)整，邁克爾遜干預(yù)儀的調(diào)整應(yīng)該算是簡單多了，不會因為最開場目測調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡時出現(xiàn)偏差而使后續(xù)步驟無法進(jìn)展，相反，僅需要開場時粗略調(diào)節(jié)激光源使激光束通過鏡面反射后回到激光發(fā)出位置附近，然后放上小孔輕松調(diào)節(jié)反射鏡后的螺釘使得反射光會聚到一點?？偟膩碚f，測量過程不算太難，只是在目測數(shù)圈數(shù)時稍顯有些疲勞和乏味，但耐心，堅持在這時是保證實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。因此，我能堅持下來，測完十組數(shù)據(jù)并保證實驗數(shù)據(jù)的高度準(zhǔn)確性，不得不說，做實驗也是培養(yǎng)人耐心的一件事。在實驗后的數(shù)據(jù)處理中，那么讓我對數(shù)據(jù)不確定度的計算更加熟悉，也使我對科學(xué)的準(zhǔn)確性描述更添一份敬仰之情?！?〕實驗改良建議在做實驗的過程中，讓我印象最深刻的要算觀察和測量非定域干預(yù)條紋時了，每次數(shù)圈數(shù)過程中，由于手轉(zhuǎn)動的角度有限，因此，不得不中途松開手，再轉(zhuǎn)動螺旋測微儀旋鈕，但每次接觸時，總有些許碰撞，使得干預(yù)條紋模糊了一會后重新變得清晰，這就讓我為模糊那一會是否有條紋的吞吐感到疑惑。經(jīng)過觀察旁邊同學(xué)做實驗，我發(fā)現(xiàn)他們也存在著一樣的問題，或者認(rèn)為晃動導(dǎo)致了空程誤差而一次又一次的重新測量，但仍然很難防止這樣的事情發(fā)生。為此，我特意想出了一個方法來解決這個問題。聯(lián)想到金工實習(xí)時，幾乎每一臺車床上都有一個帶手柄的旋轉(zhuǎn)輪，這樣可通過手柄在手中的滑動而代替每轉(zhuǎn)一圈就松開手重新握住最上邊轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)輪，同樣，也可以在螺旋測微儀的旋鈕上固連上一個小巧的手柄，這樣在轉(zhuǎn)動時可防止手屢次松開有重新握住碰撞產(chǎn)生的誤差?？紤]到增加手柄可能導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)時容易轉(zhuǎn)過頭，所以轉(zhuǎn)動過程中還是的小心慎重一些，不過，相對于沒加手柄的，還是要容易多了。八、感想與收獲本次研究性實驗，使得我對物理實驗有了一個更深入的認(rèn)識和一個更深刻的了解。首先，我不得不佩服科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，實驗開場時，第一步就是嚴(yán)格的按照規(guī)定調(diào)整儀器，否那么即使測得數(shù)據(jù)也得不到科學(xué)的論證；實驗中，更得小心翼翼地改變實驗中的變量條件，防止不必要的誤差產(chǎn)生，比方說轉(zhuǎn)動螺旋測微儀旋鈕時，不能有回轉(zhuǎn)，否那么將產(chǎn)生回程誤差，全部數(shù)據(jù)作廢；實驗后，數(shù)據(jù)的處理也必須得有科學(xué)依據(jù)，誤差分析要考慮到各方面。其次，研究型實驗?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，也