组装迈克尔逊干涉仪测定空气折射率.docx

1、.组装迈克尔逊干涉仪测定空气折射率迈克尔逊干涉仪中的两束相干光各有一段光路在空间是分开的，两相干光束的光程差的改变可以通过移动一个反射镜或在一光路中加入另一种介质得到，在其中一条光路中放进被研究对象不会影响另一光路，因此，常用它来测量， 如物质的折射率、厚度的变化、气压等一切可以转化为光程变化的物理量。本实验用分立光学元件在光学平台上搭建迈克尔逊干涉装置，在干涉仪的一个臂中插入小气室来测定空气的折射率。一、实验目的1. 通过自行搭建干涉装置，掌握分振幅法产生双光束以实现干涉的原理。2. 观察非定域干涉条纹。3. 掌握用干涉条纹计数法测量空气折射率的原理与方法。二、实验仪器光学平台、激光器及电源

2、、扩束器、分光镜、平面镜、气室及打气囊、 接收屏、若干光M 1M2G学支架和底座。激光器SM 2三、实验原理FG最简单形式的迈克耳干涉仪如图1 所示。图 1从点光源 S 发出的光束，被精制的厚度和折射率均匀的玻璃板（分束器）G 分成两路，射向互相垂直的两个平面镜M 1 和 M 2 。被平面镜反射后， 又回到分束器有镀膜的半反射面。在这两束光形成的干涉场产.生的是非定域干涉条纹，用毛玻璃屏FG 接收。设 M 2 是 M 2 在 G 中的虚像。可以认为，FG 接收到的干涉图样是M 1 和 M 2 之间的空气膜上下面的反射光相干产生的。如图2 所示，二束光的光程差AB+BC-AD2d cosi（ 1

3、）B不同倾角的入射光相干产生明暗相间的圆环。M1di产生明条纹的条件是ACM2i2d cosik( k0 , 1, 2 L )（2）D产生暗条纹的条件是图 22d cosi (2 k 1)(k 0 , 1, 2 L )（3）2如果在图 1 的 M 1 和 G 之间放置一个能够控制充、放气的气室，若气室空气压力改变了p ，折射率改变了n ，使光程差增大，就会引起干涉条纹 N 个环的变化。设气室空气柱长度为l，则2nl N（4）即：nN / 2l（ 5）若将气室抽成真空（室压强近似于零，折射率n1 ），再向室缓慢充气，同时计数干涉环变化数N ，由公式（ 5）可计算出不同压强下折射率的改变值n ，则

4、相应压强下空气折射率n 1 n（6）若采取打气的方法增加气室的粒子（分子和原子） 数量，根据气体折射率的改变量与单位体积粒子数改变量成正比的规律，可求出相当于标准状态下的空气.折射率 n0 。对有确定成分的干燥空气来说，单位体积的粒子数与密度成正比，于是有n1（7）n010式中0 是空气在热力学标准状态下（T0 =273K，p0 =101325 Pa）下的密度，n0 是相应状态下的折射率；n 和是相对于任意温度 T 和压强 p 下的折射率和密度。联系理想气体的状态方程，有pT0n 1（8）0 p0T n0 1若实验中 T 不变，对上式求p 的变化所引起的 n 的变化，则有n01 T0p（9）n

5、Tp00 (1)（其中是相对压力系数，等于 1/273.15 = 3.661-3-1，因 T Tt 10t 是摄氏温度，即室温） , 代入式（ 9）有n01pn(1(10)p0t )于是n0 1 p0 (1 t )n（11）p将式（ 5）代入（ 11）得n01 p0(1 t)N（12）p2l.测出若干不同的p 所对应的干涉环变化数N ， N -p 关系曲线的斜率即为N /p 。p0 和为已知，t 见温度计显示，和 l 为已知，一并代入式（12）即可求得相当于热力学标准状态下的空气折射率。根据式（ 8）求得 p0 代入式（ 9），经整理，并联系式（ 5），即可得Np（ 13）n 1p2l其中的环

6、境气压p 从实验室的气压计读出，根据（13）式，通过实验即可测得实验环境下的空气折射率。通常，在温度处于1530围时，空气折射率可用下式计算：(n 1)t , P2.8793P10 9（ 14）10.003671t式中，温度 t 的单位是，压强p 的单位是 Pa。四、 实验容1. 观察干涉条纹（ 1）将各个光学元件夹好，靠拢，调等高。图 1.1 ： He-Ne 激光器L，2：激光器架，3：二维架，4：扩束器BE， 5：升降调节座，6：三维平移底.座， 7：分束器BS， 8：通用底座，9：白屏H，10：干版架，11 ：气室AR， 12：二维调节架，13：二维平移底座，14：二维架，15：平面镜M

7、1，16：二维平移底座，17：二维平移底座，18：平面镜M2，.（2）调激光光束平行于台面，按图1 所示，组成迈克尔逊干涉光路（暂不用扩束器）。（3）调节反射镜 M 1 和 M 2 的倾角，直到屏上两组最强的光点重合。（4）加入扩束器，经过微调，使屏上出现一系列干涉圆环，观察干涉图样的特点。（5）紧握橡胶球反复向气室充气，至气压表满量程（40kPa）为止，然后缓慢放气，观察干涉图样的变化。2. 测定空气折射率（1）紧握橡胶球反复向气室充气，至血压表满量程（40kPa）为止，记为p 。（2）缓慢松开气阀放气，同时默数干涉环变化数N ，至表针回零。多次重复测量。（ 3）从气压表上读出环境气压 p

8、，记下实验室的环境温度 t 。（ 4）测量气室长度 l 。（ 5）将激光波长 代入式（ 13）n1Np2lp中计算实验环境的空气折射率。本实验应多次测量， 干涉环变化数可估计出一位小数。五、 数据记录与处理1. 数据记录P= Pa, t= , l cm.P40kPa40kPa40kPa40kPa40kPa40kPaN2. 数据处理将上表数据及激光波长代入式（ 13）n1Np2lp及式（ 14）( n 1)t ,P12.8793P10 90.003671t中计算实验环境的空气折射率并做比较。六、注意事项1. 调整迈克尔逊干涉仪的反射镜时， 需轻柔操作，不能吧螺钉拧的过紧或过松。2. 工作时切勿振

9、动光学平台与仪器，测量中一旦发生振动，使干涉仪跳动，必须重新测量。3. 数条纹变化时，应细致耐心，切勿急躁。4. 读压强时，读里面的刻度，且要在指针不再变化的前提下读取。5. 放气速度要缓慢，不能时快时慢。七、思考题1. 怎样利用干涉条纹的“涌出”或“陷入”来测量空气的折射率？.2. 分析环境温度为空气折射率的影响。附：由洛伦兹洛仑茨公式推导测定空气折射率的公式根据洛伦兹洛仑茨公式，3n21（ 15）4N n22式中平均极化率， N 单位体积的分子数， n 折射率。而3A（ 16）4N A式中 A 克分子折射度， N A6.0210 23 mol 1 （阿伏伽德罗常量）N An21（ 17）A

10、Nn21式中N AV （克分子体积）N根据波义耳马略特定律pVR 8.31Jmol1K 1 （气体常量）（18）TVN AWRTN（19）p式中 W 分子量，密度， p 压力， T 热力学温度。因此，克分子折射度A 可以写成AW n21RTn21（20）n22pn22对气体， n 与 1 相差很小， n21； n21( n1)(n 1) 2(n 1)A2W (n1)2 RT (n1)（21）33p设标准状态下空气折射率为n0 ，密度为0 ，任意状态下空气折射率为n ，密度为，则有.n1.（空气折射率与其密度成正比）（22）0 n0 1同理，若标准状态下气压为p0 ，任意状态下气压为p ，有pT0n1（23）p0Tn01若 T 不变，对上式求p 的变化量所引起的n 的变化，则有n01 T0p（24）nTp0QT T0 (1 t ) ，其中13.66110 3 C 1 ，是相对压力系数， t 是273.15摄氏温度，即室温，nn0 1p（ 25）p01 tn01 p0 (1t ) n（2