1、1大学物理探索性实验制作人： 张 垚单位： 电信 0904学号： 0907050426指导老师：鱼老师2在学习大学物理探索性实验这门课程之前，我一直错误的以为它和大学物理实验一样，提前写满满的一张实验预习报告，实验后再写满满一张实验报告、画一些泛泛的图像。选了这门课程后，我才发现原来物理实验还可以在电脑上做，既轻松又方便。从第一次的利用单摆测重力加速度实验后我就明白“探索”的意义。尤其体现在已知误差的极限范围后再做实验，这样做实验准确率既高，又省去不必要的步骤。比如要使误差小于 1%，求出小球要摆的次数。这就需要我们去想一个法子，让已知的误差在 1%内作为已知条件求出小球摆的最少次数。这就体现
2、出了“探索”，带动我们的思维去想去做。选这门课程，真的让我受益颇多。下面就以迈克尔逊干涉仪实验为例，具体介绍一下这种方法是如何体现“探索”的。由 2h=n1 两边同时求全微分,得 2h=n+n2将n=2h/3和=2h/n4 代入上式微分方程，得/=h/h+n/n5由于误差要控制在 1%以内，即/=(0.00001/1000)/0.005=2*10(-5)6将6 和钠光波长 =633nm=6.33*10(-7)代入 h= n/2可得 n=2h/=2*2*10(-5)/ 6.33*10(-7)=63.1964(次)综上可知，如果看到条纹好像从中心一个一个地向外涌出 64 个以上，满足测得的波长误差
3、控制在 1%以内。下面，开始做迈克尔逊干涉仪实验。迈克尔逊干涉仪实验目的如下：1. 了解迈克尔干涉仪的结构，掌握调节方法；了解螺距差。2. 观察非定义域干涉条纹，了解其特点及变化规律。3. 测量氦氖激光的光波波长。4. 测量钠光的波长，波长差及相干长度。5. 增强对条纹可见度及时间相干性的认识。6. 对干涉仪的广泛用途有进一步的了解。： 实验原理如下：迈克尔逊干涉仪原理图如下所示，G1，G2 为材料、厚度相同的平行板，G1 为镀银半透半反镜，G2 为补偿板。M1，M2 是平面反射镜，M2 是固定的，M2是 M2 的虚像。M1 安装在精密导轨上，可以沿光路方向移动。S 是点光源（点光源或扩张光源
4、），SP 是观察屏及有关装置。试验中，可以看见经过 M1 镜反射的三束光光斑，记做 1、2、3，经 M2 反射的两束光光斑，记做 4、5,。调整光路时，要求 2 与 4 重合。移动 M1，改变干涉间距，可观察到干涉条纹随之改变。二平面反射镜之间的距离增大时，中心就“吐出”一个个圆环，距离减少时，中心就“吞进”一个个圆环。同时，条纹之间的间隔（既条纹的疏密）也发生改变。4实验内容具体如下： 1. 认真阅读实验原理，了解干涉仪的结构，及实验要求。2. 调整好干涉仪。为实验做好准备。1）打开 He-Ne 激光器，在光源前面放一个小孔光栏，调节 M2 上的三个螺钉，使从小孔出射的激光束，经 M1，M2
5、 反射后，在观察屏上重合。2）去掉小孔光栏，换上短焦距透镜而使光源成为发散光束，在两光程差不太大时，在毛玻璃屏上即可观察到干涉条纹，轻轻的调节 M2后的螺钉，应出现基本在中心的圆纹。 3. 测量 He-Ne 激光的波长。缓慢移动微动手轮，移动 M1，中心每“生出”或者“吞进”n 个条纹，记下移动的距离，用公式 2h/n 求出波长（h 为 M1 移动的距离）。4. 测量钠光波长、波长差及相干长度，观察条纹可见度的变化。按步骤 3 基础上（注意先将条纹调到 3-4 条），放钠光光源，同步骤3，根据条纹的吞吐可求得钠光波长，调节过程中，可发现钠光条纹的清晰度会产生变化。1）同步骤 3，测量钠光的波长
6、。2）慢慢移动 M1，增加（或减少）光程差，条纹的可见度下降，乃至看不清条纹；继续同方向移动 M1，条纹的可见度变好，最后变得很清晰，再移动 M1，条纹又会变得不可见。记下条纹从不可见到次一个不可见 M1 的位置变化t2-t1,则光程差 L=2t2-t1 .根据对应公式，可求出波长差。3）将光程差跳到 0 附近，此时光斑很大，很亮，记下这个位置 t1，然后，增大光程差，会看到条纹可见度周期性变化，但越来越不可见，直到条纹消失，记下此刻的位置 t2，钠光的相干长度就是t1-t2 .5. 透明薄片折射率的测量。5在在实验步骤 3 基础上，换用白光光源。在 d=0 的附近可看到白色的干涉花纹：中央是
7、直线黑纹，即中央花纹；两旁是对称分布的彩色花纹。D 稍大时，显不出条纹，当视场中出现中央花纹后，在 M1 与 G1 之间放入折射率为 n，厚度为 l 的透明薄片，则此时光程差要比原来增大2l(n-1)，中央花纹既移出视场范围，如果将 M1 向 G1 前移动 d，使d=l(n-1) ，则中央花纹重新出现，测出 d，则可由 d=l(n-1)求出折射率 n. 实验操作如下剪图所示：（1）打开 He-Ne 激光器，在光源前放一小孔光栏，调节 M2 上的三个螺钉，使从小孔出射的激光束经 M1.M2 反射后，得到如下图：6（2）去掉小孔光栏，换上短焦距透镜而使光源成为发散光束，在两光程差不太大时，在毛玻璃
8、屏上可观察到干涉条纹，轻轻调节 M2 后的螺钉，应出现如下图像：（3）下面开始测试 He-Ne 激光的波长：7测试读数由三部分组成，1.机体侧面为毫米刻度尺，精度为 1mm。2.读数窗口的刻度盘读数，读到 0.01mm。3.微动手轮读数，最小精度是 0.0001mm。初始图像如下，可读得初始数据。8利用上面方法可读得初始数据为 31.49362mm。缓慢转动微动手轮，移动 M1，中心“生出”65 个条纹后的读数如下图所示：9“生出”65 个条纹后的读数为：31.51412mm.(4)计算 He-Ne 激光的波长：h=31.51412mm-31.49362mm=2.05*10(-5)m=2h /
9、n=2*2.05*10(-5)/65=6.31*10(-7)m=631nm.经验证，/=(633-631)/633=3.2*10(-3)=0.32%1%故满足条件，实际测得的 He-Ne 激光的波长为 631nm,真实值波长值为 633nm，误差 0.32%，满足误差小于 1%的条件。若改为钠光灯源，用同样的方法，也可实现实验目标。（5）实验小结：10该实验用数学的方法解决了物理问题，是先知道结果再实验，一改以前的根据实验结果求误差的方式。真正的体现“探索”性实验的目的。（6）思考与讨论：1.2.如何利用圆形干涉条纹的涌出测定光波的波长？答：由 2dcosi=k 知干涉条纹向 i 增大的方向移
10、动，即向外扩展，将看到条纹像是从中心一个一个向外涌出 ，反之，d 减少时， 缩进去。每涌出一个条纹，光程差减少一个波长，若有n 个条纹，则移动d=n*/2，即得 =2d/n.3.测 He-Ne 激光波长时，要求 N 尽可能大，这是为什么？答：N 很大时，即使数错一两环，也不会带来很大的误差。4.使参考镜与动镜逐渐接近直至零光程（d=0），试描述条纹疏密变化现象。答：条纹越来越稀疏，最后成一片明亮视场。115.将动镜由左向右移动，条纹有可能会冒出，也有可能会凐没，试解释为什么这两种情况都有可能发生？答：条纹冒出或凐没，取决于二反射镜之间空气隙的厚度变化，而向某方向移动镜面时，空气隙的厚度是增加还是减少，又取决于二反射镜的相对位置，故两种情况都有可能发生。（7）实验心得：感谢鱼老师，让我知道另一种实验思维方式，后会有期。制作人： 张 垚单位： 电信 0904学号： 0907050426指导老师：鱼老师
