Question

有关迈克尔逊物理实验的一道思考题？？？

迈克尔逊干涉仪常被用来测量空气的折射率。方法是在其中一臂的光路上，插入厚度为t的透明密封气室，开始将气室缓慢充气到大气压，同时观察条纹的变化。请说明测量原理并导出计算公式。

请各位知道的大哥大姐麻烦解答一下。
不好意思，我是在问这个题怎么做，不是在问实验怎么做。

Answer 1

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

测量半导体激光的波长

测量钠黄光双谱线的波长差

了解光源的时间相干性

三、 验仪器：

迈克尔逊干涉仪、半导体激光器、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黑板）

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)

××在mm刻度尺上读出。

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。

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. 用半导体激光为光源，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. 讲述及演示半导体激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100个时，记下M1的位置d2。计算出Δd=|d2-d1|，由公式

计算出半导体激光波长λ。测量三次取平均，有效数字取三位。

6. 讲述及演示“等光程”状态的调方法。

7. 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。

干涉仪向“等光程”状态调节。调节M1的位置，半导体激光圆条纹向中心涌入，圆条纹变粗变疏，(调节过程中如发现圆心跑出，仔细调节全反镜的粗调和微调螺丝，使圆心移至视场中)。换上钠灯，移去毛玻璃屏，一般能看到直的钠光干涉条纹，可调节M1的微调螺丝，得到粗细适合观察的条纹。

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。测量三次取平均，有效数字取三位。

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。

四、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40分钟左右完成半导体激光波长测量，计算测量结果。70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。