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迈克耳孙干涉仪的调整和使用
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2023-12-13
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迈克耳孙干涉仪的调整和使用
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实验二十 迈克尔逊干涉仪的调整和使用
[引言]
迈克尔逊干涉仪是1881年美国物理学家迈克尔逊(1852-1931)为研究“以太”漂移而
制成的一种精密干涉仪。1887年他与美国物理学家莫雷合作对干涉仪加以改进,在对“以太
风”的观测中始终得到零结果,从而否定了“以太”的存在。这项著名实验被称为十九世纪
末经典物理学天空中的两朵“乌云”之一,为爱因斯坦狭义相对论的基本假设提供了实验依
据。此后,迈克尔逊又用它作了两个重要实验:一、首次系统地研究了光谱线的精细结构;
二、直接将光谱线的波长与标准米尺进行比较,实现了长度单位的标准化。这些实验都大大
推动了原子物理与计量科学的发展。迈克尔逊和莫雷因在这方面的杰出成就获得了1907年诺
贝尔物理学奖。迈克尔逊干涉仪原理简明,构思巧妙,堪称精密光学仪器的典范。今天,迈
克尔逊干涉仪的基本结构仍然是许多干涉仪的基础,根据其基本原理研制的各种精密仪器广
泛用于生产和科研领域。
[实验培养目标]
1. 了解迈克尔逊干涉仪的结构和干涉花样的形成原理;
2. 掌握迈克尔逊干涉仪调整和使用方法;
3. 利用等倾干涉条纹的变化,测量氦氖
)(
ee
NH �
激光器激光波长。
[预习提示]
1. 相干光必须满足的三个条件是什么?
2. 两列光产生干涉明暗条纹的条件是什么?
3. 迈克尔逊干涉仪的条纹的产生原理是什么?
4. 什么是逐差法,它的优点和适用条件是什么?
[实验原理和构思]
1、 迈克尔逊干涉仪的结构
迈克尔逊干涉仪的结构如图1所示。主要由以下七个部分组成。
(1) 底座
一个机械台面5固定在较重的铸铁底座2上,较重的底座确保证了仪器的稳定性。底座
上有三个调节螺丝钉1,用来调节台面的水平。
(2) 分光板与补偿板
分光板与补偿板是材料相同、厚薄均匀相等的平行玻璃片。
1
G
为分光板,其下表面镀
了半透半反银膜,可以将光等振幅的分为透射光与反射光。
2
G
补偿板,用于补偿分光板导
致的反射光与投射光之间的光程差。
(3) 导轨与传动系统
在台面上装有螺距为 1 毫米的精密丝杆 6,丝杆的一端与齿轮系统 12 相连接,转动手
轮 13 或微调鼓轮 15,都可使丝杆转动,从而使卡在丝杠上的平面镜
2
M
沿着导轨 7 移动。
(4) 定镜
)(
1
M
1
M
是一块很精密的平面镜,表面镀有金属膜,具有较高的反射率,固定在导轨框架右
图 1 迈克尔逊干涉仪
侧的支架上。倾角可分别用镜背后面的三颗倾角螺丝来调节。镜台支架下面还有一个水平微
调螺丝8和一个垂直微调螺丝 16,其松紧使镜台产生一极小的形变,从而可以对镜的倾斜
度作更精细的调节,通过它们可以让干涉条纹垂直或水平细微移动。
(5) 动镜
)(
2
M
动镜
)(
2
M
与定镜
)(
1
M
是相同的一块平面镜,垂直地固定在拖板上。通过调节转动手
轮可以使动镜沿导轨精密的平移。动镜的倾角可分别用镜背后面的三颗倾角螺丝来调节。
需要注意的是,动镜
)(
2
M
与定镜
)(
1
M
背后各螺丝的调节范围是有限度的,如果螺丝
向后顶得过松在移动时,可能因震动而使镜面有倾角变化,如果螺丝向前顶得太紧,会造成
镜面变形,导致条纹不规则,严重时,有可能造成螺丝丝口打滑或平面镜破损。
(6) 观察屏
一块圆形白色毛玻璃屏,由支架杆固定,用于观察干涉条纹。
(7) 读数系统
2
M
镜的位置及移动的距离可从装在台面左侧的毫米标尺、读数窗 11 及微调鼓轮 15 上
读出。手轮和微调鼓轮圆周均被分成 100 小格,微调鼓轮每转一周,手轮就转过 1 格;手轮
每转过一周(由读数窗读出),
2
M
镜就平移1毫米。由此可见,三个位置读数时,最小刻
度有如下关系:
毫米标尺(直线)∶手轮(读数窗)∶微调鼓轮(刻度圆周)=1∶10
-2
∶10
-4
根据有效数字的特点,在微调鼓轮圆周上还可估读一位,即以毫米为单位记录
2
M
镜的
位置时,应保留到
-5
10
毫米。
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