迈克尔逊干涉仪测量空气折射率.doc

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1、空气折射率的测量学习要点和重点:1、迈克尔逊干涉仪原理,2、利用迈克尔逊干涉原理测量气体折射率的方法。学习难点:1、光路的调整,2、干涉条纹变化数目的读取。迈克尔逊干涉仪中的两束相干光各有一段光路在空间上是分开的,在其中一支光路上放进被研究对象不会影响另一支光路。本实验利用迈克尔逊原理测量空气折射率。一、实验目的与要求1、学习一种测量气体折射率的方法;2、进一步了解光的干涉现象及其形成条件;3、学习调整光路的方法。二、实验仪器He-Ne激光器、反射镜2个、分束镜、扩束镜、气室、打气球、气压表、毛玻璃等。三、实验原理迈克

2、尔逊干涉仪光路示意图如图1所示。其中,G为平板玻璃,称为分束镜,它的一个表面镀有半反射金属膜,使光在金属膜处的反射光束与透射光束的光强基本相等。M1、M2为互相垂直的平面反射镜,M1、M2镜面与分束镜G均成450角;M1可以移动,M2固定。表示M2对G金属膜的虚像。从光源S发出的一束光,在分束镜G的半反射面上被分成反射光束1和透射光束2。光束1从G反射出后投向M1镜,反射回来再穿过G;光束2投向M2镜,经M2镜反射回来再通过G膜面上反射。于是,反射光束1与透射光束2在空间相遇,发生干涉。O图1迈克尔逊干涉仪光路示意图激

3、光SG12由图1可知,迈克尔逊干涉仪中,当光束垂直入射至M1、M2镜时,两束光的光程差为(1)式中,和分别是路程、上介质的折射率。设单色光在真空中的波长为,当(2)时干涉相长,相应地在接收屏中心的总光强为极大。由式(1)知,两束相干光的光程差不但与几何路程有关,还与路程上介质的折射率有关。当支路上介质折射率改变时,因光程的相应改变而引起的干涉条纹的变化数为。由(1)式和(2)式可知(3)例如:取和,若条纹变化,则可以测得。可见,测出接收屏上某一处干涉条纹的变化数,就能测出光路中折射率的微小变化。正常状态()下,空气对在

4、真空中波长为的光的折射率,它与真空折射率之差为。用一般方法不易测出这个折射率差,而用干涉法能很方便地测量,且准确度高。一、实验内容及步骤(一)实验装置实验装置如图2所示。用He-Ne激光作光源(He-Ne激光的真空波长为),并附加小孔光栏H及扩束镜T。扩束镜T可以使激光束扩束。小孔光栏H是为调节光束使之垂直入射在M1、M2镜上时用的。另外,为了测量空气折射率,在一支光路中加入一个玻璃气室,其长度为。气压表用来测量气室内气压。在O处用毛玻璃作接收屏,在它上面可看到干涉条纹。O图2测量空气折射率实验装置示意图激光器G气压表

5、HTL气室打气球(二)测量方法调好光路后,先将气室抽成真空(气室内压强接近于零,折射率),然后再向气室内缓慢充气,此时,在接收屏上看到条纹移动。当气室内压强由0变到大气压强时,折射率由1变到。若屏上某一点(通常观察屏的中心)条纹变化数为,则由式(3)可知(4)但实际测量时,气室内压强难以抽到真空,因此利用(4)式对数据作近似处理所得结果的误差较大。应采用下面的方法才比较合理。理论证明,在温度和湿度一定的条件下,当气压不太大时,气体折射率的变化量与气压的变化量成正比:所以(5)将(3)式代入该式,可得(6)式(6)给出了

6、气压为时的空气折射率。可见,只要测出气室内压强由变化到时的条纹变化数,即可由式(6)计算压强为时的空气折射率,气室内压强不必从0开始。例如,取=760mmHg,改变气压的大小,测定条纹变化数目,用(6)式就可以求出一个大气压下的空气折射率的值。(三)实验步骤1、按实验装置示意图把仪器放好。打开激光光源。2、调节光路光路调节的要求是:M1、M2两镜相互垂直;经过扩束和准直后的光束应垂直入射到M1、M2的中心部分。(1)粗调H、T先不放入光路,调节激光管支架,目测使光束基本水平并且入射在M1、M2反射镜中心部分。若不能同时

7、入射到M1、M2的中心,可稍微改变光束方向或光源位置。注意操作要小心,动作要轻慢,防止损坏仪器。(2)细调①放入H,使激光束正好通过小孔H。然后,在光源和干涉仪之间沿光束移动小孔H。若移动后光束不再通过小孔而位于小孔上方或下方,说明光束未达到水平入射,应该缓慢调整激光管的仰俯倾角,最后使得移动小孔时光束总是正好通过小孔为止。此时,在小孔屏上可以看到由M1、M2反射回来的两列小光斑。②用小纸片挡住M2镜,H屏上留下由M1镜反射回来的一列光斑,稍稍调节光束的方位,使该列光斑中最亮的一个正好进入小孔H(其余较暗的光斑与调节无

8、关,可不管它)。此时,光束已垂直入射到M1镜上了。调节时应注意尽量使光束垂直入射在M1镜的中心部分。③用小纸片挡住M1镜,看到由M2镜反射回来的光斑,调节M2镜后面的三个调节螺钉,使最亮的一个光斑正好进入小孔H。此时,光束已垂直入射到M2镜的中心部分了。记住此时光点在M2镜上的位置。④放入扩束镜,并调节扩束镜的方位,使经过扩束后的

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