迈克尔逊干涉仪课教案_迈克尔逊干涉仪教案

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《迈克尔逊干涉仪》教案

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？

2.迈克尔逊干涉仪中的圆状干涉条纹与牛顿环的性质是否相同？为什么？ 3.列举迈克尔逊干涉仪的其他用途。