文档介绍：基础物理实验研究性报告
光的干涉实验(分波振面法)——迈克尔逊干涉、牛顿环干涉和劈尖干涉
目录
摘要 2
一、实验原理 2
1. 迈克尔逊干涉 2
1) 迈克尔逊干涉仪的光路 2
2) 单色点光源的非定域干涉条纹 3
2. 牛顿环干涉 5
3. 劈尖干涉 6
二、实验内容 7
1. 迈克尔逊干涉 7
1) 迈克尔逊干涉仪的调整 7
2) 点光源非定域干涉条纹的观察与测量 8
3) 数据处理 8
2. 实验2 牛顿环干涉 10
1) 干涉条纹的调整 10
2) 牛顿环直径的测量 10
3) 数据处理 10
3. 实验3 劈尖干涉 11
1) 观察劈尖干涉条纹并测量条纹间距 11
2) 数据处理 11
三、误差分析及实验改进 13
1. 迈克尔逊干涉实验 13
1) 误差分析 13
2) 实验改进方案 14
2. 牛顿环干涉实验 14
3. 劈尖干涉实验 15
1) 误差分析 15
2) 改进方案 15
四、实验感想 16
五、对本学期基础物理学实验的体会和建议 16
摘要
本文以“迈克尔逊干涉、牛顿环干涉、劈尖干涉”主要内容,先后介绍了实验重点、实验原理、实验仪器、数据处理及其不确定度的计算的内容,并对实验结果做出定量分析,最后还对实验仪器做出改进措施的建议和对本实验的感想。
关键词:实验内容、定量分析、建议、感想
实验原理
迈克尔逊干涉
迈克尔逊干涉仪的光路
迈克尔逊干涉仪的光路图如图 1所示,从光源S发出的一束光射在分束板G1上,将光束分为两部分:一部分从G1的半反射膜处反射,射向平面镜M2;另一部分从G1透射,射向平面镜M1。因G1和全反射平面镜M1、M2均成45°角,所以两束光均垂直射到M1、M2上。从M2反射回来的光,透过半反射膜;从M1反射回来的光,为半反射膜反射。二者汇集成一束光,在E处即可观察到干涉条纹。光路中另一平行平板G2与G1平行,其材料及厚度与G1完全相同,以补偿两束光的光程差,称为补偿板。
反射镜M1是固定的,M2可以在精密导轨上前后移动,以改变两束光之间的光程差。M1、M2的背面各有2个螺钉用来调节平面镜的防伪。M1的下方还有2个方向相互垂直的拉簧,以便精确地调节M1。
图 1

在图 1中,M1’是M1被G1半反射膜反射所形成的的虚像。对观察者而言,两相干光束等价于从M11和M2反射而来,迈克尔逊干涉仪所产生的干涉花纹就如同M1’和M2之间的空气膜所产生的干涉花纹一样。若M1和M2平行,则可视作折射率相同、厚度相同的薄膜。
单色点光源的非定域干涉条纹
如图 2所示,M2平行M1’且相距为d,S发出的光对M2来说,如S ’发出的光,而对于E处的观察者来说,S ’如位于S2 ’一样。又由于半反射膜G的作用,M1如同处于S1 ’的位置,所以E处观察到的干涉条纹,犹如S1’、S2’发出的球面波,它们在空间处处相干,把观察屏放在E空间不同位置,都可以看到干涉花纹,因此这一干涉为非定域干涉。
图 2
如果把观察屏放在垂直于S1’、S2’的位置上,则可以看到一组同心圆,而圆心就是S1’,、S2’的连线与屏的交点E。设E处(ES2’=L)的观察屏上,离中心E点远处某一点P,EP的距离为R,则两束光的光程差为
L>>d时,展开上式并略去d²/L²,则有
式中φ是圆形干涉条纹的倾角。所以亮纹条件为
2dcosφ=kλ(k=0,1,2,…) ()
由此式可知,点光源非定域圆形干涉条纹有如下几个特点:
①当d、λ一定时,φ角相同的所有光线的光程差相同,所以干涉情况也完全相同;形成以光轴为圆心的同心圆环。
②当d、λ一定时,如φ=0,干涉圆环就在同心圆环中心处,其光程差ΔL=2d为最大值,根据明纹条件,其k也为最高级数。如φ≠0,φ越大,则cosφ越小,k值越小,即对应的干涉圆环越往外,其级次k也越低。
③当k、λ一定时,如果d逐渐减小,则cosφ将增大,即φ角逐渐减小。也就是说,同一k级条纹,当d减小时,该圆环半径减小,看到的现象是干涉圆环内缩(吞);如果d逐渐增大,同理看到的现象是干涉条纹外扩(吐)。对于中央条纹,若内缩或外扩N次,则光程差变化为2Δd=,Δd为d的变化量,所以有
λ=2Δd/N ()
④设φ=0时最该级次为k0,则
K0=2d/λ
同时在能观察到干涉条纹的视场内,最外层的干涉圆环所对应的相干光的入射角为φ’,则最低级次为k’,且
k0=2dλcosφ’
所以在视场内看到的干涉条纹总数为
Δk=k0-k'=2dλ1-cosφ’()
当d增加时,由于φ’一定,所以条纹总数增多,条纹变密。
⑤当d=0时,则Δk=0,即整个干涉场内无干涉