迈克尔逊干涉试验的原理是干涉条纹是等光程差点的轨迹青岛滨海学院.doc

“利用迈克尔逊干涉仪测量空气折射率随压强的变化”研究报告 青岛滨海学院 牛琪，林郅惠，孙守福 指导老师 薛建军 王红梅 摘 要：设计性实验对激发学生的学习兴趣，培养创新思维，增强动手能力，提高解决问题能力有重要作用，而这正是我们现在大学物理实验中比较缺乏的。本实验利用迈克尔逊干涉仪来测量空气折射率随压强的变化，并且利用光电开关简化了实验装置，降低了实验难度。实验设计还考虑了实验内容的拓展空间，可以作为一个设计性和综合实验在教学中得以应用。 关键词：迈克尔逊干涉仪，折射率，压强，设计性实验 1引言 现在我国教育教学中的各种实验及设计大多缺乏创新性和综合性，不利于激发学生的创新、动手和综合运用各种知识的能力，实验的目的和操作较为单一，因此我们利用迈克尔逊干涉仪精密测量的特点，让同学们结合自己所学的大学物理知识，测量空气折射率与压强的关系，培养他们的创新、动手、多方面思考问题，从事物的各个方面思考解决实际问题的能力。实验设计还考虑到了实验内容及其难度的可深入与拓展空间，具有很强的研究型实验特点，并且可以根据适当的教学设计将此实验开设成综合性或设计性实验。 （1） 其中：为两光路的光程差 为气室中空气的长度 为条纹移动条数 为激光波长 由式（1）可得 （2） 由式（2）可知通过条纹的移动的条数就可以计算出折射的变化，从而可以得到空气折射率随压强的变化关系。 2．实验结果及分析 根据图1所示的实验装置，仔细调节仪器和光路，使在光电开关处成清晰的干涉条纹。向气室中充入空气或放气室时可看到条纹从中间冒出或陷入。由于本实验装置是用光电开关进行移动条纹的计数，它不能分辨出条纹是从中间冒出还是陷入，所以本实验装置只记录充气时的折射率变化。气室内空气压强的增量（气室内气体真实压强与大气压之间的差值）由气压计读出。 实验中光源为He-Ne激光器，光的波长为，气室的有效长度为。通过表1给出折射率的变化值与条纹移动数目压强增量之间的对应值。 通过对表1中的数据进行处理可得到空气压强与折射率之间的变化关系，如图2。 由图2可以看出在压强变化不是太大的范围内，空气折射率增量随压强增量的增加呈线性增加的关系。 3．实验误差分析 本实验中由于采用的装置精密程度等原因，可能存在以下误差： （1）由于实验所产生的条纹为离散的不连续的，而气室内的充压是连续的，因此导致实验数据存在一定的误差，不能保证结果的连续性； （2）玻璃在受外力时内部要产生应力，使得玻璃的折射率发生变化，从而使得光程发生变化； （3）实验仪器气室侧壁用钢管制成，当充压很大时气室长度会发生微小的变化； （4）实验仪器气室玻璃在受较大压强时其表面形状会发生变化，使得气室长度会发生微小的变化； （5）数码管显示位数有限，对数据精确度会产生一定的误差。 4．实验拓展 本实验中，气室中充入气体为空气，我们也可以在气室中充入氢气（H2）、氧气（O2）、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）等各种气体，对不同种类气体的折射率进行测量。也可以对气室进行改造在其中充入各种液体，用于测量不同种类液体折射率随压强的变化；还可以将气室改为两个平行的压缩装置用来测量透明固体（晶体）的折射率随着所受外力的变化；甚至可以通过测量晶体受外力作用，测量不同部位的折射率，进而测量晶体内部应力的分布也可以根据误差分析设计如何消除误差实验等等。因此本实验完全可以根据不同的教学要求和目的，改造成不同的设计性和综合性实验，使实验测量更加灵活。 3结束语 设计性实验不同于传统意义上的实验，它具有很强的灵活性，很大的空间可供学生自由想象、发挥，有利于培养学生的创新意识，通过实际实验操作可以锻炼学生的动手能力、发现问题解决问题的能力，还可以激发学生的求知欲、学习兴趣，同时还可以拓展他们的知识面，增加其多方面思考的能力。我们通过作为一个研究型实验较详细地进行了研究型实验设计和实验测试与分析，结果表明可以作为一个很好的研究型实验项目提供给学生作为实验教学用。与压强增量之间的关系 5550 11050 16550 22050 27600 33100 1.582 3.164 4.746 6.328 7.91 9.492 5 10 15 20 25 30 表1 气室压强的增量，条纹移动个数，折射率的增量 图1 实验装置及光路图 气室 光电开关 He-Ne激光器