双棱镜光干涉实验仪说明书

用菲涅耳双棱镜测量光的波长 自从1801年英国科学家杨氏(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,这些新实验之一就是他在1826年进行的双棱镜实验。它不借助光的衍射而形成分波面干涉,用毫米级的测量得到纳米级的精度,其物理思想、实验方法与测量技巧至今仍然值得我们学习。本实验通过用菲涅耳双棱镜对钠灯波长的测量,要求掌握光的干涉的有关原理和光学测量的一些基本技巧,特别要学习在光学实验中如何计算测量结果的不确定度。 实验原理 菲涅耳双棱镜(简称双棱镜)实际上是一个顶角A极大的等腰三棱镜,如图1所示。它可看成由两个楔角很小的直角三棱镜ABD和ACD所组成,故名双棱镜。当一个单色点光源S从它的BC面入射时,通过上半个棱镜ABD的光束向下偏折,通过下 半个棱镜ACD的光束向上偏折,相当于形成S′ 1和S′ 2 两个虚光源。与杨氏实验中 的两个小孔形成的干涉一样,把观察屏放在两光束的交叠区,就可看到干涉条纹。 图1 点光源通过双棱镜的折射交叠区观 察 屏 λχd D = 其中,d是两虚光源的间距,D 是光源到观察屏的距离,λ是光的波长。用测微目镜的分划板作为观察屏,就可直接从该测微目镜中读出条纹间距χ值,D 为几十厘米,可直接量出,因而只要设法测出d,即可从上式算出光的波长λ。 图2 二次成像光路 测量d的方法很多,其中之一是“二次成像法”,如图2所示,即在双棱镜与测微目镜之间加入一个焦距为?的凸L ,当D >4?时,可移动L 而在测微目镜中看到两虚光源的缩小像或放大像。分别读出两虚光源像的间距d 1和d 2,则由几何光学可知: d=21d d 正如杨氏实验可把双孔改为双缝一样,为了增加干涉条纹的亮度,可把上述实验中的点光源改为线光源,只要线光源的方向与双棱镜的棱边方向平行即可。当然,若线光源与棱边不平行或线光源的宽度太大变成了面光源,则干涉条纹会相互重叠而模糊直至消失,这是光源的空间相干性问题。 实验装臵 本实验装臵由双棱镜、测微目镜、光具座、线光源和透镜等组成。 测微目镜是用来测量微小实像线度的仪器,其结构如图3所示,在目镜焦平面附近,的一块量程为8mm的刻线玻璃标尺,其分度值为1mm(如图3(b)中的8条短线所示)在该尺后0.1mm处,平行地放臵了一块分划板,分划板由薄玻璃片制成,其上刻有十字准线和一对双线,人眼贴近目镜筒观察时,可同时看到这块分划板和玻璃标尺的刻线,如图3(b)所示,分划板的框架与读数鼓轮相连,当读数鼓轮旋转时,分划板会左右移动:鼓轮每转一圈(100小格),分划板移动1mm(即每小格0.01mm),测量微小实像时,先调节目镜与分划板间的距离,使能清晰地观察到分划板上的准线;然后调节测微目镜与待测实像的距离使实像也清晰并与准线无视差;以后旋转鼓轮使准线对准待测像的一边,读下此时玻璃标尺的读数和鼓轮读数;再旋转鼓轮使准线对准待测像的另一边,读下玻璃标尺的读数和鼓轮读数;最后把前后两次读数相减,即得待测像的长度。 测微目镜的不确定度值为0.004mm,测量时应注意鼓轮必须同一方向旋转,中途不要倒退,以避免螺距误差。 图3 测微目镜 本实验所用的线光源由在普通钠灯或柱形激光束前加一个方向可变的宽为0.03-0.04mm狭缝构成。狭缝、双棱镜、透镜和测微目镜都安放在光具座上。 实验内容 一、必做部分(一):观察双棱镜的干涉现象 (1)打开激光电源。在光具座上依次安放光缝、双棱镜、测微目镜,使两束光的光斑交叠区进入目镜的中心。(可用小纸片观察,判断交叠区是否进入目镜的中心?) (2)减小狭缝的宽度至从测微目镜中刚能看到交叠区的亮光。 (3)缓慢调节狭缝的方向,直至与双棱镜的棱边平行,此时在测微目镜中应可观察到干涉条纹。 (4)改变光源、狭缝、双棱镜和测微目镜的位臵,观察、 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 与 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 干涉条纹的改变情况。 (5)以钠灯替代激光光源、观察记录与分析干涉条纹的情况。 二、必做部分(二):测量钠灯黄光的波长 (1)估测透镜的焦距?。 (2)调节双棱镜的位臵,使透镜与狭缝的距离小于2?,以便能用二次成像法测d。(透镜的位臵应在何处?透镜与狭缝的距离与双棱镜的位臵有什么关系?为什么要使透镜与狭缝的距离能小于2 ?才能用二次成像法测d?) (3)以钠灯为光源,在条纹保持清晰的条件下,逐渐移远测微目镜,使条纹变宽而仍清晰。(只要条纹足够亮而清晰,测微目镜移得远一些好,为什么?) (4)在测微目镜中读出10个条纹的间距,从而求得x值,由于干涉条纹并不细锐,且条纹又较暗,难以判断估读不确定度)(1χB u 的大小,故应测量5次以上求平均, 以)(χA u 代替)(1χB u 。(为节省时间,并减少测微目镜刻度不均匀引入的误差,可采用逐 差法,即先依次读出第1、2、3、…条亮或暗条纹位臵的刻度值,然后移过10条,再读出第11、12、13、…或第21、22、23、…条条纹位臵的刻度值;将后一组数据与前一组数据逐次相减,以求得10x的值。) (5)在光具座上分别读出测微目镜和狭缝的位臵,由此算出D 及其不确定度。(注①光具座上只能读出各基座中心位臵的刻度,而测微目镜的分划板位臵与其基座的中心位臵并不重合,狭缝的位臵与其基座的中心位臵也不一定重合,因此,应对上述刻度值进行修正,才能得到D )。 (6)把测微目镜移到离狭缝略大于4?的位臵。(为什么不可太大?) (7)在测微目镜与双棱镜之间加上透镜L 并前后移动,当两虚光源在测微目镜的分划板上清晰成像时,分别测出缩小像和放大像d1、d2。由于清晰成像的位臵不易确定,故d1和d2都要移动透镜,反复测量5次以上求平均,以A 类不确定度代替B1类不确定度。) (8)求出钠灯黄光的波长及其不确定度。请自行导出u(x)、u(D)、u(d1)和u(d2)传递至u(λ)的公式)。 (9)用激光光源替代钠光,用上述相似的方法测量,激光的波长。 三、选做部分:观察其他光源的双棱镜干涉条纹 用汞灯或白炽灯代替钠灯,观察并记录其干涉条纹,讨论它们和钠灯干涉条纹的异同及其原因。 思考题 1.为什么狭缝宽度较大时干涉条纹消失? 2.为什么狭缝方向必须与双棱镜的棱边平行才能看到干涉条纹? 3.如果双棱镜反面(即让光从A 处入射)安放,对实验结果有何影响? 4.本实验中认为虚光源和真正的光源(狭缝)与观察屏的距离是相同的,这是一种近似。请证明,虚光源与观察屏的距离应为21212D d d d d D -+ =,其中D 2是两次成像时透镜移动的距离。但本实验中,为什么不用此法求D ?(提示:从不确定度的大小考虑) 5.若要求光波波长测量误差在1%左右,请考虑测量x 、d 、D 时各量允许误差的分配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 参考资料 1.沈元华、陆申龙,基础物理实验。北京:高等教育出版社.2003:240-245 2.贾王润、王公治、凌佩玲,大学物理实验。上海:复旦大学出版社.1987:307-310 实验数据例 钠光灯作光源,双棱镜干涉实验测钠光波长。 干涉条纹宽度x 的测量结果见表1。 表1 20x =3.5146mm;x =0.1757mm 狭缝的滑座上指示读数与测微目镜上滑座上指示读数差值L1=48.20cm ,实际上测微目镜内测量准线位臵与测微目镜滑座上刻线差值为-3.50cm (修正量),所以D =48.20cm +3.50cm =51.70cm 。(缝镀膜层正好与滑块刻线对齐,修正量为零)用二次成像法测量虚光源的像的结果见表2。 表2 d=mm d d 727.1280.1330.221=?= ? 将上述结果代入公式nm D d 9.58670.5110 727.11757.04 =??= ?= χλ钠光波长公认值 ,3.589nm =钠λ两者百分差=| 3 .5893 .5899.586-|=0.4% 测量时还应注意: 1.二次成像法测虚光源的间距时,小像d不宜太小,以减小测量误差。 2.测量缝与测微目镜分划板间距D时,有二修正量须测量。 (1)测微目镜分划板与滑块座刻线间距ΔD 1 ; (2)缝镀膜层与滑块间距ΔD 2 。 计算D=D'-ΔD 1+ΔD 2