迈克尔逊干涉仪测量空气折射率实验报告

南昌大学物理实验报告课程名称：普通物理实验（2）实验名称：空气折射率学院：专业班级：学生姓名：学号：实验地点：座位号：实验时间：一、实验目的：1.进一步了解光的干涉现象及其形成条件，掌握迈克耳孙干涉光路的原理和调节方法。2.利用迈克耳孙干涉光路测量常温下空气的折射率。二、实验仪器：迈克耳孙干涉仪、气室组件、激光器、光阑。三、实验原理：迈克尔逊干涉仪光路示意图如图1所示。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。2M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。由图1可知，迈克尔逊干涉仪中，当光束垂直入射至M1、M2镜时，两束光的光程差为)(22211LnLn（1）式中，1n和2n分别是路程1L、2L上介质的折射率。O图1迈克尔逊干涉仪光路示意图激光SG12设单色光在真空中的波长为，当,3,2,1,0,KK（2）时干涉相长，相应地在接收屏中心的总光强为极大。由式（1）知，两束相干光的光程差不但与几何路程有关，还与路程上介质的折射率有关。当1L支路上介质折射率改变1n时，因光程的相应改变而引起的干涉条纹的变化数为N。由（1）式和（2）式可知112LNn（3）例如：取nm0.633和mmL1001，若条纹变化10N，则可以测得0003.0n。可见，测出接收屏上某一处干涉条纹的变化数N，就能测出光路中折射率的微小变化。正常状态（PaPCt501001325.1,15）下，空气对在真空中波长为nm0.633的光的折射率00027652.1n，它与真空折射率之差为410765.2)1(n。用一般方法不易测出这个折射率差，而用干涉法能很方便地测量，且准确度高。四、实验装置：实验装置如图2所示。用He-Ne激光作光源（He-Ne激光的真空波长为nm0.633），并附加小孔光栏H及扩束镜T。扩束镜T可以使激光束扩束。小孔光栏H是为调节光束使之垂直入射在M1、M2镜上时用的。另外，为了测量空气折射率，在一支光路中加入一个玻璃气室，其长度为L。气压表用来测量气室内气压。在O处用毛玻璃作接收屏，在它上面可看到干涉条纹。O图2测量空气折射率实验装置示意图激光器G气压表HTL气室打气球调好光路后，先将气室抽成真空（气室内压强接近于零，折射率1n），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p时，折射率由1变到n。若屏上某一点（通常观察屏的中心）条纹变化数为N，则由式（3）可知LNn21（4）但实际测量时，气室内压强难以抽到真空，因此利用（4）式对数据作近似处理所得结果的误差较大。应采用下面的方法才比较合理。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n与气压的变化量p成正比：常数pnpn1所以ppnn1（5）将（3）式代入该式，可得ppLNn21（6）式（6）给出了气压为p时的空气折射率n。可见，只要测出气室内压强由1p变化到2p时的条纹变化数N，即可由式（6）计算压强为p时的空气折射率n，气室内压强不必从0开始。例如，取p=1.01325×105𝑝𝑎，改变气压p的大小，测定条纹变化数目N，用（6）式就可以求出一个大气压下的空气折射率n的值。五、实验步骤：1.转动粗动手轮，将移动镜移动到标尺100cm处；调节迈克耳孙干涉仪光路，在投影屏上观察到干涉条纹。2.将气室组件放置在导轨上（移动镜前方），调节迈克耳孙干涉仪的光路，在投影屏上观察到干涉条纹即可。注意：由于气室的通光墙玻璃可能产生多次反射光点，可用调动1M、2M镜背后的三颗滚花螺钉来判断，光点发生变化的即是。3.将气管1一端与气室组件相连，另一端与数字仪表的出气孔相连；气管2与数字仪表的进气孔相连。4.接通电源，按电源开关，电源指示灯亮，液晶屏显示“.000”。5.关闭气球上的阀门，鼓气使气压值大于0.09MPa，读出数字仪表的数值2p，打开阀门，慢慢放气，当移动60个条纹时，记下数字仪表的数值1p。6.重复前面5的步骤，一共取6组数据，求出移动60个条纹所对应的管内压强的变化值12pp的6次平均值pp，并求出其标准偏差pS。六、实验数据及数据分析处理：室温t15C0；大气压0p1.01325×105𝑝𝑎；L95mm；0.633nm;N60。实验次数123456P1/Mpa0.0940.0930.0980.0960.0940.097P2/Mpa0.0320.0310.0350.0350.0320.036ΔP/Mpa0.0620.0620.0630.0610.0620.061平均值Δ𝑃̅=0.618Mpa空气折射率n=1.032774标准差𝑆𝑃=0.01184七、注意事项1、点燃激光管需要几千伏直流高压，调节时不要碰到激光管上的电极，以免触电。强光还会灼伤眼睛，注意不要让激光直接射入眼睛。2、不要触摸光学表面。3、防止小气室及气压表摔坏。打气时不要超过气压表量程。4、实验中必须保持安静，尽量避免在实验台附近走动。