设计两种光路测空气折射率.钟础宇.doc

两种光路测空气折射率2009301020015 钟础宇 09物基 摘要：该实验以迈克尔逊干涉仪和夫琅禾费干涉仪来测空气折射率，通过调节干涉仪，改变气室气压，来观察干涉条纹的改变，并用气压计测出所变的压强。空气折射率与压强有关系。关键词：空气折射率，迈克尔干涉仪，夫琅禾费干涉仪。Abstract: In this experiment, we use Michelson interferometer and Fraunhofer Interferometer to detect the air refractive index, by adjust the instruments, changing the density of the gas room, and counting the number of the moving stripes. Then use relative relations to calculate the refractive index of air under regular pressure.Key words: air refractive index, Michelson interferometer, Fraunhofer Interferometer.实验原理：(1)用迈克耳逊干涉仪、激光器、带气压表的“气室”等实验器材实验基本原理： 迈克尔逊干涉仪的原理见图1。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光SG12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 又可得上式给出了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，即可计算压强为时的空气折射率，气室内压强不必从0开始。(2) 用夫琅和费双缝干涉装置测定空气折射率激光经扩束后照亮平行光管狭缝，由平行光管出射的平行光经双缝分割成两束相干光，并分别通过两气室A、B，经成像透镜L2、L3后在屏上形成干涉条纹。当B室相对于A室气压变化P时，引起干涉条纹移动N条，则空气折射率n可由下式计算：，式中，N/P是每变化10mmHg的气压时干涉系统的移动数目。P0是标准大气压（760mmHg），T是气体温度（k），T0是标准状态温度（273k），l为气室长度，为半导体激光波长（650nm）。SL2L3气室 实验光路图实验内容与步骤：(1)用迈克耳逊干涉仪测定空气折射率调好光路后，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。只要测出气室内压强由变化到时的条纹变化数，即可由式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，用上式就可以求出一个大气压下的空气折射率的值。(2) 用夫琅和费双缝干涉装置测定空气折射率按照实验光路图构建夫琅禾费干涉装置，然后将分立元件组合，组合时应先用激光调节，是屏上光电重合，最后才加入扩束器；改变气室气压，同时记录条纹变化数，和气压的变化；作出图表，并用公式计算空气折射率；实验数据及结果表达：(1)用迈克耳逊干涉仪测定空气折射率N591419242832P(mmHg)507090110130150170p-N关系图表由数据可得，代入公式，即可算得：n=1.000278(2) 用夫琅和费双缝干涉装置测定空气折射率N56789101112131415P(mmHg)406080100120140160180200220240P-N关系图由数据可得：，代入公式，计算得：n=1.000247实验误差分析：一、整迈克尔逊干涉仪的过程中，由于视差的因素造成两个最亮的点没有完全重合，这就不可避免地给实验带来了一定的误差。当然还有仪器设备本身存在的误差，这是难免的。二、人为读数造成随机误差。三、而本实验最主要的误差是来自于在测量不同气压下，读血压计上压强的读数及数变化的等倾干涉条纹的数目。本实验中，我们是通过捏动血压计的打气皮囊来改变小气室内的压强。在刚开始加压时，由于捏动血压计皮囊比较容易，气压很容易就上升，同时等倾干涉条纹的变化也较快，因此在一定程度上就会造成数错等倾干涉条纹变化的数目（所以实验中我们也反复进行了几次这步操作，确保误差达到最小）。而当压强值增大到较大时，此时则因为捏动血压计皮囊比较困难，从而等倾干涉条纹的变化也非常慢，变化的条纹数目太小，甚至在气压值相对较大的时候，观察不到等倾干涉条纹的变化。所以，这也将给本实验带来误差。值得一提的是，在读血压计上压强的读数时，应当待小气室内的空气压强稳定不变即血压计上的读数稳定不再变化后再进行读数。否则也会给实验带来较大的误差。四、处理的过程中，由于数值的计算牵涉到小数点后67位，因此有效数位的取舍是否得当对实验的结果影响较大。没有处理好有效数位的取舍将给实验带来较大的误差。所以，在处理本实验的数据时应加倍小心，倍加耐心。也因为实验数据较小的缘故，本实验报告所做的图精确度并不是很高，不过总体而言，图中已可明显地体现出变化的趋势。总的来说，此实验的主要误差来自于人为造成的随机误差，当然系统以及外界也存在着一定的误差。比方说，我们在理论推导过程中，把小气室内的温度当作是不变的，实际上，小气室内的温度也有微小的变化。众多的因素给实验带来了误差，给所得的结果带来了误差。实验总结：通过上述的误差分析，我们可知造成本实验的误差主要是随机误差，其中人为因素及环境因素是主要方面。因此在实验过程中如何减少人为的随机误差是实验成功的关键因素！通过实验，我们得出实验过程中应注意的几点：1、在整个实验过程中，应当全神贯注，具备严谨的科学态度。2、测量开始时，我们应该先练习一下打气皮囊的手感，这样在实验的过程中就能够更好地避免打气皮囊使用不当，或用力过猛，或用力不均等。3、测量小气室内的压强值，在读血压计上压强的读数时，我们必须先等小气室内的空气压强稳定不变即血压计上的读数稳定不再变化后再进行读数。同时，通过本实验我们可以得出结论：气体的