实验21用迈克尔逊干涉仪测光波波长和波长差

第一篇：实验21用迈克尔逊干涉仪测光波波长和波长差

用迈克尔逊干涉仪测光波波长和波差

【实验设计思路】 通过用迈克尔逊干涉仪测定光波的所要测定的数据，然后通过

2d 和用逐差法求得光的波长和波长差。2dN2【实验目的】

1.了解迈克尔逊干涉仪的干涉原理和迈克尔逊干涉仪的结构，学习其调节方法。

2．测量钠光的波长和钠双线的波长差。

3．练习用逐差法处理实钠光D双线的波长差验数据。

【实验仪器】

迈克尔逊干涉仪，钠灯，毛玻璃屏。

【实验原理】

1．迈克尔逊干涉仪

图1是迈克尔逊干涉仪实物

图。图2是迈克尔逊干涉仪的光路

示意图，图中M１和M２是在相互

垂直的两臂上放置的两个平面反

射镜，其中M１是固定的；M２由精

密丝杆控制，可沿臂轴前、后移动，移动的距离由刻度转盘(由粗读和

细读2组刻度盘组合而成)读出。

在两臂轴线相交处，有一与两轴成45°角的平行平面玻璃板G１，它的第二个平面上镀有半透（半反

射）的银膜，以便将入射光分成振

幅接近相等的反射光⑴和透射光

⑵，故G１又称为分光板。G２也是平行平面玻璃板，与G１平行放置，厚度和折射率均与G１相同。由于它补偿了光线⑴和⑵因穿越

G１次数不同而产生的光程差，故称为补偿板。

从扩展光源S射来的光在G１处分成两部分，反射光⑴经G１

反射后向着M２前进，透射光⑵透过G１向着M１前进，这两束光分别在M２、M１上反射后逆着各自的入射方向返回，最后都达到E处。因为这两束光是相干光，因而在E处的观察者就能够看到干涉条纹。

由M１反射回来的光波在分光板G１的第二面上反射时，如同平面镜反射一样，使M１在M２附近形成M１的虚像M１′，因而光在迈克尔逊干涉仪中自M２和M１的反射相当于自M２和M１′的反射。由此可见，在迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉与空气薄膜所产生的干涉是等效的。

当M２和M１′平行时(此时M１和M２严格互相垂

直)，将观察到环形的等倾干涉条纹。一般情况下，M１和M２形成一空气劈尖，因此将观察到近似平行的干涉条纹(等厚干涉条纹)。

2．单色光波长的测定

用波长为λ的单色光照明时，迈克尔逊干涉仪所产生的环形等倾干涉圆条纹的位置取决于相干光束间的光程差，而由M２和M１反射的两列相干光波的光程差为

Δ＝2dcos i(1)

其中i为反射光⑴在平面镜M２上的入射角。对于第k条纹，则有

2dcos iｋ＝kλ(2)

当M２和M１′的间距d逐渐增大时，对任一级干涉条纹，例如k级，必定是以减少cosiｋ的值来满足式(2)的，故该干涉条纹间距向iｋ变大(cos iｋ值变小)的方向移动，即向外扩展。这时，观察者将看到条纹好像从中心向外“涌出”，且每当间距d增加λ/2时，就有一个条纹涌出。反之，当间距由大逐渐变小时，最靠近中心的条纹将一个一个地“陷入”中心，且每陷入一个条纹，间距的改变亦为λ/2。

因此，当M2镜移动时，若有N个条纹陷入中心，则表明M２

相对于M１移近了



dN

2(3)

反之，若有N个条纹从中心涌出来时，则表明M２相对于M１

移远了同样的距离。

如果精确地测出M２移动的距离Δd，则可由式(3)计算出入射光波的波长：



3．测量钠光的双线波长差Δλ

钠光2条强谱线的波长分别为λ１＝589.0 nm和λ２＝589.6 nm，移动M２，当光程差满足两列光波⑴和⑵的光程差恰为λ１的整数倍，而同时又为λ２的半整数倍，即

Δk１λ１＝(k２＋)λ２

这时λ１光波生成亮环的地方，恰好是λ２光波生成暗环的地方。如果两列光波的强度相等，则在此处干涉条纹的视见度应为零(即条纹消失)。那么干涉场中相邻的2次视见度为零时，光程差的变化应为

ΔL＝kλ１＝(k＋1)λ２(k为一较大整数)

由此得

λ

于是

Δλ=λ１－λ２＝＝

式中λ为λ１、λ２的平均波长。

对于视场中心来说，设M２镜在相继2次视见度为零时移动距离为Δd，则光程差的变化ΔL应等于2Δd，所以

１

2dN

－λ

２

＝＝





2d(4)

对钠光＝589.3 nm，如果测出在相继2次视见度最小时，M２

镜移动的距离Δd ,就可以由式(4)求得钠光D双线的波长差。

【实验内容与步骤】

1．观察扩展光源的等倾干涉条纹并测波长 ①点燃钠光灯，使之与分光板G１等高并且位于沿分光板和M１

镜的中心线上，转动粗调手轮，使M１镜距分光板G１的中心与M１镜距分光板G１的中心大致相等(拖板上的标志线在主尺3.2 cm 位置)。

②在发射光源时，用眼睛透过G１直视M２镜，可看到2组十字叉丝像。细心调节M１镜后面的 3 个调节螺钉，使 2 组十字叉丝像重合，如果难以重合，可略微调节一下M２镜后的3个螺钉。当

2组十字叉丝像完全重合时，在毛玻璃上，将看到有明暗相间的干涉圆环，若干涉环模糊，可轻轻转动粗调手轮，使M２镜移动一下位置，干涉环就会出现。

③再仔细调节M１镜的2个拉簧螺丝，直到把干涉环中心调到视场中央，并且使干涉环中心随观察者的眼睛左右、上下移动而移动，但干涉环不发生“涌出”或“陷入”现象，这时观察到的干涉条纹才是严格的等倾干涉。

④测钠光D双线的平均波长。先调仪器零点，方法是：将微调手轮沿某一方向(如顺时针方向)旋至零，同时注意观察读数窗刻度轮旋转方向；保持刻度轮旋向不变，转动粗调手轮，让读数窗口基准线对准某一刻度，使读数窗中的刻度轮与微调手轮的刻度轮相互配合。

⑤始终沿原调零方向，细心转动微调手轮，观察并记录每“涌出”或“陷入”50个干涉环时，M１镜位置，实验过程中要注意防震，连续记录6次。

⑥用逐差法求出钠光D双线的平均波长，并与标准值进行比较

2．测定钠光D双线的波长差

①以钠光为光源调出等倾干涉条纹，先观察条纹随着手轮转动的变化情况，再开始实钠光D双线的波长差验。

②移动M２镜，粗动手轮和微动手轮配合转动，使视场中心的视见度最小（条纹最不清晰），记录M２镜的位置；沿原方向继续移动M２镜，粗动手轮和微动手轮配合转动，使视场中心的视见度由最小到最大直至又为最小，再记录M２镜位置，连续测出6个视见度最小时M２镜位置。

③用逐差法求Δd的平均值，计算D双线的波长差。

【数据表格】

1．观察扩展光源的等倾干涉条纹并测波长

测量次数（I）2 3

di（10-5mm）Δdi=∣di-di-1∣(10-5mm)

平均值

Δd=

2．测定钠光D双线的波长差。

测量次数 M2位置x/mm

【数据处理】

（1）用逐差法求波长差而589.3nm。



2d通过公式可以求得又因为标准差：E0100%，N

这样就可以计算出它的标准差了。

（2）用逐差法求钠光D双线的波长差

通过公式



2

2d

求得

【实验结果】

（）nm;（）nm;E0()

【思考题】

１．定域干涉与非定域干涉的区别？ ２．提出减少误差的方法。

【心得体会】

第二篇：迈克尔逊干涉仪测波长实验体会

迈克尔逊干涉仪测波长

结束了一学年的物理实验，对于物理实验我有了自己的认识，大学物理实验是我们进入大学来第一个实验类学科。它即在我们以后的专业课实验学习指导中有着重要的地位，对于以后的就业工作也有着巨大的作用。物理实验是一种锻炼我们独立处理问题和解决问题很好的方式。本学期，物理实验已告一段落。在此，就本学期对物理实验中-------“迈克尔逊干涉仪侧波长”实验中存在的感受在说说。

迈克尔逊干涉仪是近代物理学的一个重大发现,对整个物理世界具有重要的意义。

首先，实验中它是用来测量波长的。总的来说，实验中我学习到了迈克尔逊干涉仪的结构，工作原理。了解到干涉图样的形成和分类以及时间相干性等概念。学习掌握迈克尔逊干涉仪调节的方法及注意事项和迈克尔逊干涉仪侧波长。

实验中，采用分振幅法产生两束相干光，从而实现干涉。具体的采用了等倾干涉的方法。点光源发出光线，在M1，M2'平行的情况下会有公式：光程差△L=2dcosɵ（光程差△L，M1，M2'间距为d，入射光与反射光夹角的一半为ɵ）。这一公式可便于计算。为了实验更为简单易操作，实验中我们需要产生等倾干涉的条纹，而通过自然光源产生的光是从不同方向上入射到M1，M2'上的，这样就不能够形成干涉条纹，如果靠近镜面M2'处放置一点光源，则在此种情况下等倾干涉实际上就是非实域干涉中屏放到无限远。因而，等倾干涉不一定要点光源。迈克尔逊干涉仪的结构是很精密的。如两个全反镜就要一模一样；光学元件表面也要避免触碰等这也就是为什么迈克尔逊干涉仪要好生维护。

在爱因斯坦的相对论中时间是具有相对性的，迈克尔逊干涉仪还是测量时间相对性原理的经典仪器。我知道|En-E1|=h*v=h*（c/ƛ）。原子的跃迁是从高能态迁至低能态，发出的光波是具有限的波长即发出的不同波长的光线波长长度不是连续的，当波长小于光程差时就不能相遇，从而不能发生干涉现象。实验中光源发出的光是不能绝对的单色的也存在其他波长的波长，实验如果要精确一些，则要求光程差为△L =0。此时，干涉条纹的分布才与波长无关。由△L=2dcosɵ可知d发生变化时，条纹都会逐渐错开。

实验的观察对于眼睛的要求较高。连续直视对眼睛会有伤害。所以实验的观察也是对自己耐心的考验。试验中要求目不转睛的观察条纹变化，同时避免实验台有振动，因为微小的的振动会对我们数圈造成影响，而且本身迈克尔逊干涉仪就是测量精密仪器的，对于微小的干扰还是比较敏感的。我们每50次记录一次数据，虽然看似50次比较多。但实际上测得的d1，d2相差不大，若是转动次数过少则测量的结果会不准确。如是在数据处理中△d相差很大则需要重新测量。

实验过程中一定要调节好仪器，耐心，细致的观察，避免产生空程差。空程差是广泛存在于齿轮类机械类仪器中。它是由于螺纹和齿轮不能完全的咬合，当主轮反向转动时，从动轮相对主轮存在移动滞后。对与一些精密的仪器，像迈克尔逊干涉仪这种。一点点误差都是严重的。对于精密的仪器，我们需要学会保养。仪器在放置时应该放置在干燥，清洁的环境中，防止振动，仪器搬动时应该拖住底座。以防导轨变形。分束板，反射镜等光学仪器表面不要用手触碰。一般不允许擦拭，必要时可选用酒精，乙醚的混合液轻轻擦洗。使用时各个部位要用力适当，不要强扭等。经常用T5精密仪表油润滑。导轨面，丝杆应该防治生锈，划伤，锈蚀等。经过精密仪器油擦拭过的螺丝都有红漆，不要擅自转动。

迈克尔逊干涉仪运用十分广泛。它是近代物理学测量事业的重大突破，也是对物理世界的巨大贡献。迈克尔逊干涉仪主要用于微小长度的测量，是现代光学仪器组成之一，如傅里叶光谱仪等，对于学习光电信息工程专业的我有着不小的吸引力。迈克尔逊干涉仪曾今在历史上做过许多著名的实验。如著名的迈克尔逊——莫雷实验，验证了爱因斯坦相对论的真确性；钠红线的发现，真正的将长度单位标准化；干涉条纹的可见度随光程差变化的实验帮助推导出明暗条纹的分布公式等。

第三篇：迈克尔孙干涉仪测波长实验总结报告 - 大学物理实验

迈克尔孙干涉仪测波长实验总结报告

经过一学年的大学物理实验，我做过了很多实验。其中有些实验是我高中就有所了解并且一直都想做的，只是限于高中的学习条件及紧凑的学习时间，一直没有机会。当然，也有相当一部分实验是我连名字都没有听过的。所以说大学物理实验课，不仅仅是圆了我的梦想，也让我接触到很多新鲜的实验，了解到物理实验的美妙，以及物理这门学科无限的魅力。大学物理实验中收录了五花八门的实验，但是对待各种实验我都有一样端正态度。做好实验前的预习工作，实验课上认真听取老师的讲解，试验中所有试验我都亲力亲为，自己动手。所以至今几乎所有的实验我都熟记于胸。当然，所有的实验中给我映像最深的还是迈克尔孙干涉仪侧波长实验。此实验，我在高中就有所耳闻，直到前一段时间才有机会做这个实验，实验中感慨颇多。

本实验的实验目的：了解迈克尔孙干涉仪的结构、工作原理和实际应用；了解干涉图样的形成和分类以及时间相干性等概念；掌握迈克尔孙干涉仪的调节方法及注意事项；用迈克尔孙干涉仪测量半导体激光的波长。

实验原理及实验中的注意事项：迈克尔孙干涉仪是利用分割振幅法产生干涉光，实现干涉现象的一种典型的干涉仪，它是很多近代干涉仪额原型。

来自扩展光源的光线经透射镜射向G1，一部分经经G1的薄银层反射后向M2传播，后经M2反射后再穿过G1向E处传播，另一部分则透过G1和G2向M1传播，经M1反射后再穿过G2经过G1的薄银层反射后也向E处传播。

实验时，最重要的就是调节干涉条纹。为什么说它是最重要的一部呢？因为只有清晰地干涉条纹才不会影响实验过程中的读数。两束光之间的光程差要小于光源的相干长度才能干涉。而且两束光的夹角越小，干涉条纹越宽，眼镜才能分辨。另外在调节M1，M2后面的螺丝的时候必须轻缓，严禁将螺丝拧过头，否则将会破会仪器。这些种种的实验注意事项，不仅仅在实验中给我们提示。也使我意识到在以后的工作中必须时时警记各种机械的注意事项，确保人身及仪器安全。

试验过后，针对书后的课后反思我也有积极思考，并且通过查阅资料对一下几个问题做出如下回答：

①迈克尔孙干涉仪是怎样获得两束相干光的？

答：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。

②移动M1（反射镜）时，如果干涉条纹是朝中心陷进去的，两束光的光程差是增大还是减少？

答：根据等倾干涉干涉级次公式2nhcosa+λ/2=(m1+ε)可知，当入射角α最大为90度时，cosα=0干涉级次最低，cosα=0时，cosα=1，干涉级次最大，所以说中心的干涉级次最大，如果中心陷进去一个干涉级，说明陷进去后的干涉级次小了，二中心的入射角不变，所以为了使干涉级次能够减小，h必须减小，也就是光程差：2nhcosa+λ/2变小了。

综上，陷阱去的，光程差减小。

③如果用白炽灯作光源，如何调处干涉条纹？

答：将与光源对着的那个反射镜倾斜一个微小的角度，然后调节螺旋。原理就是倾斜的那个镜子的虚像和另外一个反射镜不是平行关系，而是有一定的角度，所以可以等厚干涉，从而可以看到干涉条纹。

19世纪的实验对于我们今天的人来讲，依然有无限的吸引力，关键在于实验本身的经典。但是无论多么经典的实验只能代表过去物理科学的发展，以及前人智慧的强大。对于我们新一代的青少年来讲，物理科学在迅猛发展，我们应该积极投身其中，去发现以及改变我们的未知世界。物理将最原本的事物的本质通过实验反应出来，人类又试图通过实验去发现物质的本源。可以这么说，实验是物理发展的阶梯！

机械（2）班

孙庆熘

100104237

第四篇：物理实验报告《用分光计和透射光栅测光波波长》

【实验目的】

观察光栅的衍射光谱，掌握用分光计和透射光栅测光波波长的方法。

【实验仪器】

分光计，透射光栅，钠光灯，白炽灯。

【实验原理】

光栅是一种非常好的分光元件，它可以把不同波长的光分开并形成明亮细窄的谱线。

光栅分透射光栅和反射光栅两类，本实验采用透射光栅，它是在一块透明的屏板上刻上大量相互平行等宽而又等间距刻痕的元件，刻痕处不透光，未刻处透光，于是在屏板上就形成了大量等宽而又等间距的狭缝。刻痕和狭缝的宽度之和称为光栅常数，用d

表示。

由光栅衍射的理论可知，当一束平行光垂直地投射到光栅平面上时，透过每一狭缝的光都会发生单缝衍射，同时透过所有狭缝的光又会彼此产生干涉，光栅衍射光谱的强度由单缝衍射和缝间干涉两因素共同决定。用会聚透镜可将光栅的衍射光谱会聚于透镜的焦平面上。凡衍射角满足以下条件

实验中若测出第k级明纹的衍射角θ，光栅常数d已知，就可用光栅方程计算出待测光波波长λ。

【实验内容与步骤】

1．分光计的调整

分光计的调整方法见实验1。

2．用光栅衍射测光的波长

物理实验报告

·化学实验报告

·生物实验报告

·实验报告格式

·实验报告模板

图12

光栅支架的位置

图13

分划板

（3）测钠黄光的波长

①

转动望远镜，找到零级像并使之与分划板上的中心垂线重合，读出刻度盘上对径方向上的两个角度θ0和θ0/，并记入表4

中。

②

右转望远镜，找到一级像，并使之与分划板上的中心垂线重合，读出刻度盘上对径方向上的两个角度θ右和θ右/，并记入表4中。

③

左转望远镜，找到另一侧的一级像，并使之与分划板上的中心垂线重合，读出刻度盘上对径方向上的两个角度θ左和θ左/，并记入表4中。

3．观察光栅的衍射光谱。

将光源换成复合光光源（白炽灯）通过望远镜观察光栅的衍射光谱。

【注意事项】

1．分光计的调节十分费时，调节好后，实验时不要随意变动，以免重新调节而影响实验的进行。

2．实验用的光栅是由明胶制成的复制光栅，衍射光栅玻璃片上的明胶部位，不得用手触摸或纸擦，以免损坏其表面刻痕。

3．转动望远镜前，要松开固定它的螺丝；转动望远镜时，手应持着其支架转动，不能用手持着望远镜转动。

【数据记录及处理】

表4

一级谱线的衍射角

零级像位置

左传一级像

位置

偏转角

右转一级像

位置

偏转角

偏转角平均值

光栅常数

钠光的波长λ0

=

589·3

nm

根据式（10）

k=1，λ=

d

sin

1=

相对误差

【思考题】

1．什么是最小偏向角？如何找到最小偏向角？

2．分光计的主要部件有哪四个？分别起什么作用？

3．调节望远镜光轴垂直于分光计中心轴时很重要的一项工作是什么？如何才能确保在望远镜中能看到由双面反射镜反射回来的绿十字叉丝像？

4．为什么利用光栅测光波波长时要使平行光管和望远镜的光轴与光栅平面垂直？

5．用复合光源做实验时观察到了什么现象，怎样解释这个现象？

第五篇：大学物理实验迈克尔逊干涉仪的调整和使用教案

学号：姓名：班级： 迈克尔逊干涉仪教案 实验题目

迈克尔逊干涉仪理论部分

实验性质

基础物理实验

实验学时

1学时

教师

黄星

教学目的

1、了解迈克尔逊干涉仪的结构

2、掌握迈克尔逊干涉仪的实验原理（等倾干涉）

重点

1、等倾干涉的发生条件

A、平行光？不，点光源。B、薄膜上下表面平行

2、薄膜厚度的变化与条纹的关系：

难点

十字形光路与补偿镜：从薄膜干涉的理论，到迈克尔逊干涉仪的具体化过程

备注

课 堂 教 学 过 程 的 设 计

一、引言

迈克尔逊干涉仪的背景介绍(*引起好奇心，让人们觉得它有一定的用处，不是凭空冒出来的。知识构建学说：新知识必须挂靠在已有的知识结构上才牢靠（技能树/科技树）)

二、原理（*尽可能简洁，准确。没有人喜欢复杂。多问问自己，这个问题能不能简化，它引入这些复杂的东西的目的是什么？要解决什么问题？一定要这么做吗？然后你会发现，有的时候不得不这样做，这已经是最简单的理解方法了。）（1）等倾干涉

A.等倾干涉的产生条件（*前提，任何事情发生都有条件）两表面平行，垂直入射（重点），以一定角度入射（了解下即可），点光源。（*让同学们明白为什么形成同心圆：相同倾角，反射光的光程差就相同，同一角度上要么都加强，要么都减弱）

B.等倾干涉的特点

薄膜厚度改变与条纹冒出数量的正比关系(*基本原理，重点)

C.利用等倾干涉，我们能干什么？（*讲完理论，马上看看这个公式怎么用，什么含义，举几个简单的例子，帮助理解和加深印象）（2）从理论模型到实验的具体化

A.薄膜干涉条纹的观察中遇到的困难，回答同学们的疑问，为什么是十字形的光路？为什么引入45度角的半反射镜？（重点、难点）

B.为什么要在与光源平行的分光路上加一面厚玻璃？（补偿光程差）

C.动态演示

三、知识点的拓展(*拓展知识面，了解这个知识的用途，从而发散思维，为后面新知识的生长创造条件。那么对于迈克尔逊干涉仪，是在大一下学期进行的，此时可能正准备学习狭义相对论的初步，那么可以往这边拓展一下,并不需要掌握，而是预热)A.迈克尔逊干涉仪的发明与作用，牛顿力学体系（伽利略变换）的问题。（狭义相对论，光速不变性，洛伦兹变换，了解即可）

B.LIGO计划与LISA计划（*引力波，广义相对论,了解）

引言不得太长，通常情况下点到即止。3分钟左右。然后就切入重点。对于这节课所学的重点内容，最好在课堂的前半节课上完。集中力最好的时间是上课后7-15分钟

课 后 思 考 题

1．迈克尔逊干涉仪观察到的圆条纹与牛顿环产生的圆条纹有什么不同？（迈克尔逊干涉仪:等倾干涉，采用点光源，光程差由θ决定。牛顿环：等厚干涉，采用平行光，光程差由薄膜厚度决定）

参 考 文 献

1、《大学物理实验》，陈玉林 2.教育心理学 3.教育学

物理教学实践作业：

从大学物理实验内容中，任选一个感兴趣的内容，设计教案。要求内容详尽，（如剧本），插入自己的注解，不得雷同。A4纸打印，5号字，单倍行距，至少两页（原理图、公式）。交作业时间： 6月29日下午统一交给班长。

几个网站：维基百科中国知网 Web of Science 果壳网知乎科学网 专业论坛：小木虫（理工科研究生聚集地）推荐杂志：科学美国人

物理系推荐丛书：第一推动丛书