迈克尔逊实验（精选4篇）
迈克尔逊实验 篇1
1 引言
迈克尔逊干涉仪是一种利用分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器。迈克尔逊干涉仪结构简单、光路直观、精度高, 其调整和使用具有典型性[1]。大多高校开设迈克尔逊干涉仪的实验都是应用迈克尔逊干涉仪观察等厚干涉和等倾干涉或者是测定光的波长, 用其测定介质折射率[2,3,4]提出的较少, 本文提出用迈克尔逊干涉仪测定水的折射率, 为探索迈克尔逊干涉仪的实际应用领域提供了一个新的方向。
2 实验原理
迈克尔逊干涉仪光路系统如图1所示[5]M1和M2为两平面反射镜, M1可在精密导轨上前后移动, 而M2是固定的。分光板1G (一个表面镀有半透半反膜) 、G2是厚度和折射率完全相同的一对平行玻璃板, 与M1成45°角 (图1) 。
将装有待测纯净水的玻璃器皿放在迈克尔逊干涉仪的轨道上。动镜M1铅垂地放在玻璃器皿内, 微动手轮带动滑座, 使动镜M1能在玻璃器皿内前后移动改变光程差。从扩展光源射来的光束达到分光板1G后, 被分成反射光和透射光两束光。反射光经玻璃器壁、待测纯净水射向动镜M1, 透射光经补偿板G2射向固定镜M2, 它们经M1、M2反射后又经分光板G1的反射和折射在毛玻璃观察屏上会合, 形成圆形干涉条纹。
因为其光程差为
对于第K级亮条纹由入射光反射得
在同心圆的圆心处, 干涉条纹的级数最高, 有
这两束光在中心亮纹的光程差为:
3 实验数据及处理
实验数据如表1所示。
用最小二乘法[6]对上述数据求证计算, 得到
则纯净水的折射率
N的不确定度为:
n的真实值为:n (28) 1.320.01
4 结论
本文介绍了一种用迈克尔逊干涉仪测量纯净水折射率的方法。实验测量值n (28) 1.320.01与标准值n (28) 1.33 (42) 非常接近。作为一种对迈克尔逊干涉仪应用的有益拓展, 该方法实用可靠, 精确度高, 适用于科研教学与工业生产。
摘要：本文提出了一种通过测出迈克尔逊干涉仪的动镜在水中的移动量及其相应的干涉条纹变化数进而测量水折射率的方法, 拓展迈克尔逊干涉仪在教学及研究中的用途。该方法操作简单、实用、有较高的精度, 具有一定的实用价值。
关键词：迈克尔逊干涉仪,折射率,干涉条纹
参考文献
[1]甘云利.激光测量路基垂直沉降原理分析[J].知识经济.2011 (15) :78.
[2]孙宇航.用迈克尔逊干涉仪测定透明介质的折射率[J].西安邮电学院学报, 2009, 14 (01) :157-161.
[3]李季平, 吴启元, 刘小廷, 蔡云良.激光等密度等倾干涉条纹测定透明介质的厚度和折射率[J].物理实验, 2000 (03) :38.
[4]汪晓春, 杨博文, 何冬慧.一种基于迈克尔逊干涉仪测量透明液体折射率的方法[J].光学仪器, 2012, 34 (05) :1-4.
[5]任敦亮, 王丰, 丁伟红.大学物理[M].北京:机械工业出版社, 2009: (02) .
[6]何秀良.大学物理实验[M].北京:国防工业出版社.
迈克尔逊实验 篇2
教学方式：
讲述和演示（30分钟），学生实验（100-120分钟）
时间：30分钟
一、背景知识介绍：
1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为证明“以太”的存在而设计制造了世界上第一台用于精密测量的干涉仪--迈克尔逊干涉仪，它是在平板或薄膜干涉现象的基础上发展起来的。迈克尔逊干涉仪在科学发展史上起了很大的作用，著名的迈克尔逊干涉实验否定了“以太”的存在。发现了真空中的光速为恒定值，为爱因斯坦的相对论的建立奠定了基础。迈克尔逊用镉红光波长作为干涉仪光源来测量标准米尺的长度，建立了以光波长为基准的绝对长度标准。迈克尔逊还用该干涉仪测量出太阳系以外星球的大小。因创造精密的光学仪器，和用以进行光谱学和度量学的研究，并精密测出光速，迈克尔逊于1907年获得了诺贝尔物理学奖。
二、实验目的：
熟悉迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理
掌握迈克尔逊干涉仪的调节方法，观察等倾干涉条纹 测量钠黄光波长以及双谱线的波长差 了解光源的时间相干性
测量薄膜介质折射率
三、实验仪器：
迈克尔逊干涉仪、钠光灯
四、讲述及演示主要内容
1.介绍迈克尔逊干涉仪结构原理
如迈克尔逊干涉仪光路图所示，点光源S发出的光射在分光镜G1，G1右表面镀有半透半反射膜，使入射光分成强度相等的两束。反射光和透射光分别垂直入射到全反射镜M1和M2，它们经反射后再回到G1的半透半反射膜处，再分别经过透射和反射后，来到观察区域E。如到达E处的两束光满足相干条件，可发生干涉现象。
G2为补偿扳，它与G1为相同材料，有相同的厚度，且平行安装，目的是要使参加干涉的两光束经过玻璃板的次数相等，波阵面不会发生横向平移。
M1为固定全反射镜，背部有三个粗调螺丝，侧面和下面有两个微调螺丝。M2为可动全反射镜，背部有三个粗调螺丝。（迈克尔逊干涉仪光路图见实验展板）2.可动全反镜移动及读数
可动全反镜在导轨上可由粗动手轮和微动手轮的转动而前后移动。可动全反镜位置的读数为：
××.□□△△△(mm)（1）××在mm刻度尺上读出。（2）粗动手轮：每转一圈可动全反镜移动1mm，读数窗口内刻度盘转动一圈共100个小格，每小格为0.01mm，□□由读数窗口内刻度盘读出。
（3）微动手轮：每转一圈读数窗口内刻度盘转动一格，即可动全反镜移动0.01mm，微动手轮有100格，每格0.0001mm，还可估读下一位。△△△由微动手轮上刻度读出。注意螺距差的影响。3.介绍光源的时间相干性
时间相干性是光源相干程度的一种物理描述。迈克尔逊干涉仪是观察光源时间相干性的典型仪器。要得到对比度很好的干涉条纹，必须考虑光源的时间相干性。时间相干性由相干时间tm来描述，定义光源的相干时间为：
ΔLm为相干长度，上式表明，谱线宽度Δλ越窄，光源的单色性越好，其相干时间越大，即相干长度越长。半导体激光相干长度长，短则几厘米，长则数公里。钠光相干长度1~2厘米。白光相干长度更小，为微米数量级。
4.用钠光为光源，讲述及演示干涉仪调节方法，调出圆形干涉条纹。干涉条纹通过CCD在显示器上显示。5.讲述及演示钠光波长测试原理及方法。
在调出圆形干涉条纹的情况下，转动微调手轮，移动M1，可以看到条纹由中心向外涌出（或向中心涌入），在条纹开始涌出（或涌入）时，记下M1的位置d1。再继续移动M1同时开始计数，当条纹涌出（或涌入）条纹数N为50（或100）个时，记下M1的位置d2。计算出Δd=|d2-d1|，由公式
计算出钠光波长λ。测量5次取平均，并与标称值比较。
6.介绍钠黄光双谱线的波长差的测量原理和测量方法。进行演示。
由于钠黄光存在强度近似相等的双谱线，干涉条纹对比度与光程差近似成周期特性（干涉条纹清晰—模糊—清晰—模糊）。转动手轮，移动M1，使干涉条纹对比度为零（或最大），记下M1的位置d1。再继续移动M1，使干涉条纹对比度再次为零（或最大），记下M1的位置d2。计算出Δd=|d2-d1|，由公式
计算出黄光双谱线的波长差Δλ，λ取589.3nm。测量3次取平均，有效数字取三位。7.讲述及演示“等光程”状态以及白光干涉条纹的调节方法。
利用光程差增大条纹冒出、光程差减小条纹陷入的特点，调节动镜，使条纹由陷入变为冒出，其临界位置即为等光程。或在视场内出现偏心条纹（条纹弯曲、圆心不在视场内），则光程差由减小到增大的过程中，干涉条纹由某一方向弯曲变成直条纹（相当于等厚干涉）再变为反向弯曲，其临界位置（直条纹）即为等光程。放入白光（不要移去钠光），慢慢调节动镜，在等光程位置，在白光灯泡的虚像上会出现彩色干涉条纹，动镜的位置对应于等光程。在某一光路中放入透明薄膜（厚度适当），重新调出白光干涉条纹，动镜位置的改变的2倍即为薄膜引入的光程差，测量薄膜的厚度，可算出薄膜介质折射率。8.强调实验注意事项
光学元件表面严禁触摸，精密仪器操作耐心细致，反射镜粗到微动螺丝不能出现拧紧拧死现象，出现不好调节情况及时报告指导教师。
五、其它主要工作：
1.讲课后立即检查光源、照明小灯是否正常，学生做实验前准备工作
2.学生开始做实验20分钟后，检查学生干涉调节情况，如遇不会调整的，边操作边指导，使其掌握。
3.要求学生60分钟左右完成钠光波长测量，计算测量结果。80分钟左右完成钠黄光双谱线的波长测量，计算测量结果。4.检查数据，签字。
六、思考题：
1.为什么向“等光程”状态调节时，圆条纹变粗变疏？
迈克尔逊实验 篇3
关键词：迈克尔逊干涉仪；透明薄片；厚度；折射率
引言
透明薄片肉眼可以看到，但其用普通的测量仪器测量准确度不会太高。迈克逊干涉仪是美国物理学家迈克尔逊上世纪提出的利用分振幅法产生的双光束实现干涉的仪器[1]，迈克尔逊干涉仪主要用于长度和折射率的测量，且其精确度较高，因此我们利用迈克尔逊干涉仪精确测量测量透明薄片的厚度或折射率，实验中常常用白光进行照射。
一、迈克尔逊干涉仪测量透明薄片原理
图1
当中央条纹出现在视野中时，在M1与G2（如图1）之间放置一厚度为H折射率为n的均匀、透明的薄片，因此此时的光程差增大了ΔL，即ΔL=2H（n-1），此时的视野范围中看不到中央条纹，将M2向前移动Δd距离，即Δd=ΔL2，会使得中央条纹重新出现在视野中，可以得到公式：
Δd=H（n-1）（1）
从（1）式中可以看出，当知道折射率n时可以求出厚度H，当知道厚度H时可以求出折射率n。
二、迈克尔逊干涉仪测量透明薄片的方法和步骤
首先是布置好光路，如图1所示，再转动手轮使得出现等厚条纹，即移动时条纹往里縮，且d不断在减小，继续转动粗调手轮且为逆时针方向，且d先减小至零后增大，则条纹形状先由弯变直再变弯，中间所出现的直条纹就是等厚条纹。
由于是利用白光干涉测量透明薄片的厚度，当干涉条纹变直时换用白炽灯照射干涉仪，此时可以发现视野中没有干涉条纹，移动M2，使得再次出现干涉条纹，调节微调螺钉，使得条纹成竖直方向并记下此时M2镜的位置d1。
在在M1与G2之间放置均匀、透明薄片，此时视野中将看不到干涉条纹，继续移动M2，直到干涉条纹又出现在视野中央，记下此时的M2镜的位置d2。从而可以计算出Δd：
Δd=d1-d2（2）
通过（2）可以求出在已知折射率时的厚度：
H=d1-d2n-1（3）
在已知厚度时的折射率为：
n=d1-d2H+1（4）
三、迈克尔逊干涉仪测量透明薄片厚度中的数据
测透明薄片的厚度（n=1.5）
次数/mm123平均值
d132.8877132.8831132.8851032.88530
d232.5606132.5225532.5334332.53886
Δdd2-d1=0.34644
因此通过公式（3）可以求出其透明薄片的厚度为：H=0.69288
四、迈克尔逊干涉仪测量过程中的注意事项
1、透明薄片比较薄，且易碎，实验过程中应该轻拿轻放。
2、实验过程应注意力集中。
3、在转动手轮时应注意速度，该快则快，该慢则慢。
4、读数据时不能读错。（作者单位：南京农业大学工学院）
参考文献：
迈克尔逊干涉仪自动计数器的设计 篇4
关键词：迈克尔逊干涉仪,计数器,干涉条纹,单片机,光敏电阻
1 概述
在大学物理实验教学中,迈克尔逊干涉实验是经典光学实验之一,它能够直观地反映光波的干涉现象,同时可以计算光波波长。而在传统实验中所使用的迈克尔逊干涉仪,需要人工对快速变化的干涉条纹进行计数,学生需要目不转睛地紧盯着接受屏,记录条纹变化次数,非常容易造成眼睛疲劳,而且容易漏记或多记条纹数量而增加实验误差;同时实验中为了减少测量误差需要分多组测量条纹数数据,数目一般高达500条左右,课堂大多时间用在机械的读数上。因此,鉴于人工计数所带来的诸多问题,我们基于光敏电阻研制了一种能够自动精确检测并记录由激光产生的干涉条纹明暗变化次数的实验装置。这一装置不仅可以减少测量误差,提高实验数据的精确性,还可以提高教学效率,将教学的重点放在对干涉的认识,对迈克尔逊干涉仪原理和应用的认识,真正让学生理解光波干涉特性。
2 迈克耳逊干涉仪实验原理
迈克耳逊干涉仪的光路图如图1所示。从光源发出的光束,被分束板G1后表面镀有一层薄银膜(A)分成两束光强近似相等的反射光(1)和透射光(2)。光束(1)射到M1上被反射回来,再透过G1到达观测者E处(或接收屏);光束(2)透过G2射到M2上被反射回来,再透过G2后又经A反射而到达观测者E处(或接收屏)。这两条光线是相干光,相遇发生干涉。因此,在E处可观测到干涉条纹。干涉条纹圆心的光程差等于2d,当d逐渐增加时,干涉圆环一个个从中心向外冒出,条纹变细;当d逐渐减小时,干涉条纹逐渐减小,条纹变粗。从数量上看,如果d减小或增加半个波长时,光程差就减少或增加一个整波长λ,对应的就有一个圆环条纹在中心“消失”或在中心“冒出”,如果在实验中数出变化的条纹个数N,就可以求出光波波长:。
3 自动计数装置的设计
根据实验原理,在迈克尔逊干涉实验中,当调节迈克尔逊干涉仪上的微调旋钮时,接收屏上会有明暗相间的条纹变化,条纹圆心处光强也是明暗交替变化的,明暗变化一个周期,正好对应条纹的一次吞吐。因此可以把光敏电阻作为探测器,将圆心处的光强变化转换成脉冲信号,这样可以记录条纹数。装置工作流程如图2所示,将光敏电阻安装在接收屏的干涉条纹圆心处,用来采集光信号,即将干涉环中心的明暗变化转换成相应的电脉冲信号,将信号传入单片机,经过程序处理后得出变化的条纹数,显示到数码管上;同时利用小键盘实现数码管的开始计数和自动清零功能。
采集电路图如图3所示,在此电路中,当圆心为明纹时,光敏电阻阻值变小,比较器正端输入电位变高,大于负输入端的电位,输出高电平;反之当圆心为暗纹时,输出低电平。因此,每一次明暗变化,将转换成一个电脉冲信号,通过计数电脉冲,得到移动的干涉环数。即达到采集明暗变化(冒出或缩进环个数)的目的。R1、R2为滑动变阻器,当激光强度不同时,即在屏中心产生的暗环不够暗时,那么可以调节R1或R2使屏中心的暗纹符合条件,以达到及时准确读数的目的。也适用于周围环境中有微弱光照的情况,此时只要在滑动变阻器允许的范围内调节使其达到要求即可。
4 实验结果及讨论
迈克尔逊干涉仪测量波长时每隔100变化条纹记录一个位置数据,共记录6个数据d0、d1、d2、d3、d4、d5,然后用逐差法算出△d的平均值,可以求出波长λ=N1⋅2⋅Δd。我们分别用人工计数和计数器计数的方法测量了一系列数据,每一种随机抽取5组数据进行比较,列表如下,其中表1为人工计数的结果,表2为用计数器测量的结果,波长理论值为632.8nm。
从表中数据结果可以发现,人工测量误差在3%~5%左右,而用计数器测量误差只有0.1%~0.3%左右,可见,使用本计数器可以大大提高实验的精确度。
5 结束语
本装置利用了光敏电阻和单片机的功能,完成了信号的采集、处理和显示,不但可以精确检测并记录由激光产生的干涉条纹明暗变化次数,提高了实验精度,同时减少了眼睛观察明暗条纹的疲劳感和激光对眼睛的伤害。该实验装置在实验教学中应用效果非常好,大大提高了实验教学效率。
参考文献
[1]李三龙,葛智勇,李永涛,等.大学物理实验[M].北京:高等教育出版社,2011:140-143.
[2]高友,姜玉生.用开关型光传感器改进迈克尔逊测量激光波长实验[J].辽东学院学报,2009,16(2):118-120.
[3]李晖,徐恩生,刘庭欣.迈克耳孙干涉仪读数器的设计[J].沈阳航空工业学院学报,2004,21(2):71-72.