菲涅尔双棱镜干涉讲述.docx

物理实验研究性报告菲涅耳双棱镜干涉第一作者：曾繁治学号： 1451246班级： 140515第二作者：柴英凯学号：级：140516日期： 2015年11月30日摘要法国科学家菲涅耳（Augustin?J.Fresnel）在1826年进行的双棱镜实验，证明了光的干涉现象的存在，其物理思想、实验方法与测量技巧至今仍然值得我们学习。本文详细介绍了菲涅尔双棱镜干涉的原理，以及使用钠光作为相干光源的实验的方法、现象及数据分析过程。并通过对激光和钠光在相干光源的获取及等高共轴调节方法上的差异进行分析，得到采用不同光源进行实验时调节方法的归纳总结。关键词：菲涅尔双棱镜，相干光，等高共轴调节目录摘要I一．实验目的1二．实验原理1三．实验方案31.光源的选择32.测量方法43.光路组成4四．实验仪器5五．实验内容5六．数据处理71.原始数据记录72.数据处理83.计算不确定度84.实验最终结果与相对误差计算9七．激光与钠光等高共轴调节方法的对比9八．相干光源的获取方法121、相干性122、可观测性14九．等高共轴的调节方法14结论15参考文献16附：原始实验数据17实验目的熟练掌握采用不同光源进行光路等高共轴调节的方法和技术；用实验研究菲涅耳双棱镜干涉并测定单色光波长；学习用激光进行试验时的调节方法；观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件。实验原理自从1801年英国科学家托马斯·杨（T.Young）用双缝做了光的干涉实验后，光的波动说开始为许多学者接受，但仍有不少反对意见。有人认为杨氏条纹不是干涉所致，而是双缝的边缘效应，二十多年后，法国科学家菲涅耳（Augustin?J.Fresnel,1788-1827）做了几个新实验，令人信服地证明了光的干涉现象的存在，在这些新实验中就包括他在1826年进行的双棱镜实验。它巧妙地利用双棱镜形成分波面干涉，用毫米级的测量得到了纳米级的精度，其物理思想、实验方法与测量技巧至今仍然值得我们学习。图1图2图2所示即为菲涅耳双棱镜。其将一块平玻璃板的上表面加工成两楔形，两端与棱脊垂直，楔角较小（约为1°），其可以看作是有两块底面相接的直角棱镜合成。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及S2射出的一样（见图1图2）。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一屏，即可观察到明暗相间的干涉条纹。图3现在根据波动理论中的干涉条件来讨论虚光源是和所发出的光在屏上产生的干涉条纹的分布情况。如图3所示，设虚光源和的距离为a，D是虚光源到屏的距离。令P为屏上的任意一点，和分别为从和到P点的距离，则由和发出的光线到达P点的光程差是：（式1）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，则从及得，两式相减，得另外又有。通常D较a大得很多，所以近似等于2D，因此得光程差为如果λ为光源发出的光波的波长，干涉极大和干涉极小处的光程差为即明、暗条纹的位置为（式2）由上式可知，两干涉条纹（或暗纹）之间的距离为（式3）所以当用实验方法测得Δx、D和a后，即可算出该单色光源的波长（式4）实验方案光源的选择由式4可见，当光源、双棱镜及屏的位置确定以后，干涉条纹的间距Δx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。因此，为了获得清晰的干涉条纹，本实验必须使用单色光源，如激光、钠光等。测量方法条纹间距Δx可直接用测微目镜测出。虚光源间距a用二次成像法测得：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（即虚光源到测微目镜叉丝分划板之间的距离）D=S+S’。根据式4，得波长与各测量值之间的关系为（式5）光路组成图4本实验的具体光路布置如图4所示，S为钠光源，K为狭缝，B为双棱镜，P为偏振片，E为测微目镜。L是为测虚光源间距a所用的凸透镜。透镜位于L1位置将使虚光源S1、S2在目镜处成放大像，透镜位于L2位置将使虚光源在目镜处呈缩小像。所有这些光学元件都放置在光具座上，光具座上附有米尺刻度，可读出各元件的位置。实验仪器双棱镜、可调狭缝、凸透镜、观察屏、光具座、测微目镜、钠光灯、白屏实验内容1.各光学原件的共轴调节（1）调狭缝与凸透镜等高共轴将狭缝贴紧钠光灯放在光具座上，接着依次放上透镜和白屏，用二次成像法使狭缝与透镜等高共轴。（2）调整测微目镜、狭缝和透镜等高共轴用测微目镜取代白屏，并