北航基础物理实验研究性报告菲涅耳双棱镜干涉实验的改进.docx

基础物理实验研究性报告菲涅耳双棱镜干涉实验的改进第一作者 第二作者 所在院系 攻读专业 2014年12月18日摘 要在进行菲涅耳双棱镜干涉实验时，调节各光学仪器等高共轴是非常重要的一个步骤，等高共轴调节是否准确直接决定之后的实验能否观察有用的实验现象。对比与以激光为光源进行试验，在以钠光为光源时，等高共轴调节的准确性大大降低，这主要是因为钠光亮度较低，尤其是光线通过狭缝之后，亮度大大减弱，不利于等高共轴调节。本文将对钠光干涉实验的等高共轴调节做出改进。关键字：菲涅耳双棱镜；钠光；等高共轴；改进方法目录摘 要1目录21.前言42.实验目的43.实验原理43.1.基本原理43.2.实验方案64.实验仪器75.实验内容75.1.调节各元件等高共轴75.1.1.改进前方案75.1.2.方案改进75.2.干涉条纹的调整85.3.波长的测量95.4.数据处理96.实验数据处理96.1.原始数据表格96.2.数据处理107.误差分析118.实验反思119.总结1210.本学期实验感想12参考文献13原始数据照片14图表目录图 3.1. 14图 3.1. 25表6.1. 19表6.1. 210表6.1. 310前言双棱镜干涉实验是大多数高校开设的重要的光学实验之一，该实验在物理思想、实验方法以及测量技巧上都具有较高的教学价值，是利用简单的实验器材通过对宏观量的观测测量微观量的典型实验之一。但在实际教学中，很多学生在仪器调节时常常手忙脚乱，甚至在调节好仪器后测量时不知怎么又把干涉条纹弄没了，不得不重新调节仪器，往往导致在规定的学时内完成不了实验。这样，“仪器调节”就喧宾夺主地成了课堂的主角。这既影响了学生对该实验设计理念的掌握，又使学生的自信心受到了严重的伤害。实验目的用实验研究菲涅耳双棱镜干涉并测定单色光波长；熟练掌握进行光路等高共轴调节的方法和技术。实验原理基本原理菲涅耳双棱镜可以看做是由两块底面相接、棱角很小（约为1°）的直角棱镜合成。若置单色光源S0于双棱镜的正前方，则从S0射来的光束通过双棱镜的折射后，变为两束相重叠的光，这两束光仿佛是从光源S0的两个虚像S1和S2射出的一样（见图3.1.1）。由于S1和S2是两个相干光源，所以若在两束光相重叠的区域内放置一个屏，即可观察到明暗相间的干涉条纹。图 3.1. 1如图3.1.2所示，设虚光源S1和S2的距离是a，D是虚光源到屏的距离。令P为屏上任意一点，r1和r2分别为从S1和S2到P点的距离，则从S1和S2发出的光线到达P点得光程差是：△L= r2-r1图 3.1. 2令N1和N2分别为S1和S2在屏上的投影，O为N1N2的中点，并设OP=x，则从△S1N1P及△S2N2P得：r12=D2+(x-)2r22=D2+(x+)2两式相减，得：r22- r12=2ax另外又有r22- r12=(r2-r1)(r2+r1)=△L(r2+r1)。通常D较a大的很多，所以r2+r1近似等于2D，因此光程差为：△L=如果λ为光源发出的光波的波长，干涉极大处和干涉极小处的光程差是：△L=== kλ (k=0,±1, ±2,…) 明纹=λ (k=0,±1, ±2,…) 暗纹由上式可知，两干涉条纹之间的距离是：△x=λ所以用实验方法测得△x，D和a后，即可算出该单色光源的波长λ=△x实验方案光源的选择当双棱镜与屏的位置确定之后，干涉条纹的间距△x与光源的波长λ成正比。也就是说，当用不同波长的光入射双棱镜后，各波长产生的干涉条纹将相互错位叠加。本实验采用单色光源钠光。测量方法条纹间距△x可直接用测微目镜测出。虚光源间距a用二次成像的方法测得：当保持物、屏位置不变且间距D大于4f时，移动透镜可在其间的两个位置成清晰的实像，一个是放大像，一个是缩小像。设b为虚光源缩小像间距，b’为放大像间距，则两虚光源的实际距离为a= ，其中b和b’由测微目镜读出，同时根据两次成像的规律，若分别测出呈缩小像和放大像时的物距S、S’，则物到像屏之间的距离D=S+S’。根据波长的计算公式，得波长和各测量值之间的关系是：λ=光路组成S K B P E图 3.2. 1具体的光路如图3.2.1所示，S为半导体激光器，K为扩束镜，B为双棱镜，P为偏振片，E为测微目镜。L为测虚光源间距a所用的凸透镜，透镜位于L1位置将使虚光源S1S2在目镜处成方大像，透镜位于L2处将使虚光源在目镜出成缩小像。所有光学元件都放在光具座上，光具座上附有米尺刻度读出各元件的位置。实验仪器光具座、双棱镜、测微目镜、偏振片、白屏、可调狭缝、半导体激光器、钠光灯实验内容调节各元件等高共轴改进前方案调整狭缝与凸透镜等高共轴将狭缝紧贴钠灯放在光具座上，接着依次放上透镜（f≈20cm）和白屏，用二次成像法使狭缝与透镜等高共轴。调整测微目镜、狭缝