迈克尔逊干涉仪实验思考题

一、等倾干涉的特点00222cos2kihnL（a）干涉条纹为同心圆环（b）中心条纹的干涉级数高（c）厚度增大，条纹外涌：中心点：220Nnkh二、迈克尔逊干涉仪是如何发明的？是用来干什么的？以太漂移实验迈克尔逊的名字是和迈克尔逊干涉仪及迈克尔逊－莫雷实验联系在一起的，实际上这也是迈克尔逊一生中最重要的贡献。在迈克尔逊的时代，人们认为光和一切电磁波必须借助绝对静止的“以太”进行传播，而“以太”是否存在以及是否具有静止的特性，在当时还是一个谜。有人试图测量地球对静止“以太”的运动所引起的“以太风”，来证明以太的存在和具有静止的特性，但由于仪器精度所限，遇到了困难。麦克斯韦曾于1879年写信给美国航海年历局的D.P.托德，建议用罗默的天文学方法研究这一问题。迈克尔逊知道这一情况后，决心设计出一种灵敏度提高到亿分之一的方法，测出与有关的效应。1881年他在柏林大学亥姆霍兹实验室工作，为此他发明了高精度的迈克尔逊干涉仪，进行了著名的以太漂移实验。他认为若地球绕太阳公转相对于以太运动时，其平行于地球运动方向和垂直地球运动方向上，光通过相等距离所需时间不同，因此在仪器转动90°时，前后两次所产生的干涉必有0.04条条纹移动。迈克尔逊用最初建造的干涉仪进行实验，这台仪器的光学部分用蜡封在平台上，调节很不方便，测量一个数据往往要好几小时。实验得出了否定结果。改进仪器1884年在访美的瑞利、开尔文等的鼓励下，他和化学家莫雷（Morley,EdwardWilliams，1838～1923）合作，提高干涉仪的灵敏度，得到的结果仍然是否定的。1887年他们继续改进仪器，光路增加到11米，花了整整5天时间，仔细地观察地球沿轨道与静止以太之间的相对运动，结果仍然是否定的。这一实验引起科学家的震惊和关注，与热辐射中的“紫外灾难”并称为“科学史上的两朵乌云”。随后有10多人前后重复这一实验，历时50年之久。对它的进一步研究，导致了物理学的新发展。迈克尔逊的另一项重要贡献是对光速的测定。早在海军学院工作时，由于航海的实际需要，他对光速的测定开始感兴趣。测定光速1879年开始光速的测定工作。他是继菲佐、傅科、科纽之后，第四个在地面测定光速的。他得到了岳父的赠款和政府的资助，使他能够有条件改进实验装置。他用正八角钢质棱镜代替傅科实验中的旋转镜，由此使光路延长600米。返回光的位移达133毫米，提高了精度，改进了傅科的方法。他多次并持续进行光速的测定工作，其中最精确的测定值是在1924～1926年，在南加利福尼亚山间22英里长的光路上进行的，其值为（299796±4）km/s。迈克尔逊从不满足已达到的精度，总是不断改进，反复实验，孜孜不倦，精益求精，整整花了半个世纪的时间，最后在一次精心设计的光速测定过程中，不幸因中风而去世，后来由他的同事发表了这次测量结果。他确实是用毕生的精力献身于光速的测定工作。迈克尔逊在基本度量方面也作出了贡献三、迈克尔逊干涉仪出了测波长，还能测什么？5-10种其他物理量，如何测。（1）测杨氏模量取一截面为矩形的梁,给以支撑图所示,其中点受外力P作用。根据力学原理,梁形变不太大时,形变与外力成正比。当梁中点处的最大弯曲挠度满足f《l时,有下关系式334Eabplf式中l为梁的有效长度,a、b分别为梁的宽度、厚度,已知的样品,a、b、l和E是确定值,所以挠度f只随外力P而变化时,当外力有△P变化时，挠度也应有△变化,故下关系式成立2Kf332abEplK当波长不变时，332abEl亦为确定值。可见干涉条纹变换数K与△P也为正比关系。上式成立与否，说明了用迈克尔逊干涉仪可以检测出梁材料是否做弹性形变。由此得332abKPlE此式为本测定方法基本关系式（2）测玻璃折射率（3）测薄玻璃片厚度将玻璃片放入干涉仪一臂，由于假设放入的玻璃片的厚度是h，折射率为1.5（通常都是1.5），两臂的光程差将变为Δx+（n-1）h，其中Δx是可移动的镜子移动的距离，再利用干涉公式，光程差等于波长的整数倍是明纹，然后你在光屏上数处移动Δx，条纹变动的个数，利用：Δx+（n-1）h=mλ，将波长λ，圆圈个数m，镜子移动距离Δx，折射率n=1.5都代入就可以求出厚度h（4）透明介质的折射率①以钠光为光源调出等倾干涉条纹。②移动M2镜，使视场中心的视见度最小，记录M2镜的位置；在反射镜前平行地放置玻璃薄片，继续移动M2镜，使视场中心的视见度又为最小，再记录M2镜位置，连续测出6个视见度最小时M2镜位置。③用逐差法求光程差Δd的平均值，再除以该透明介质得厚度，就是折射率了。（5）测量材料的微小长度变化迈克尔逊干涉仪把一束激光分成两束,经过平面镜分别反射,再干涉,形成干涉环,如果有材料的长度的变化,反映出光程差的变化,这样,原来干涉相消的位置可能就会干涉相长,看起来就像环溢出或者收回,通过数干涉环溢出或者收回的个数,就可以计算长度变化的多少.折射率*变化的长度/激光波长=相位差=2*3.14*变化的干涉环数.这样就可以求出来了四、其他5-10种干涉仪的用途（1）法布里—泊罗干涉仪1.研究光谱线的超精细结构；2.用作激光器的谐振腔。（2）白光干涉仪1.粗糙和光滑表面的测量和显示2.亚微米范围内的微观形貌测量3.金相测量4.非接触式表面轮廓的计量（3）超导量子干涉仪1.可用以探测极小磁场（4）光纤干涉仪本产品可用作教学实验观察光纤干涉条纹，也可用于传感器方面。通过条纹变化得到外界对相位产生影响的变化量。（5）激光干涉仪首先,新机床出厂前都要进行定位精度和重复定位精度以及反向间隙的检测,现在大多使用激光干涉仪进行.其次,机床使用一段时间后,由于丝杠的磨损和其它原因,精度会逐渐丧失,这时需要使用激光干涉仪进行精度的再校准.最后,激光干涉仪还可以进行其它项目的检测,例如直线度,垂直度,角度等.市场上常见的激光干涉仪主要有美国安捷伦(原惠普,除了计算机,惠普的激光干涉仪也是最牛的),雷尼绍,美国精密,美国光动,成都工具研究所等。（6）双频激光干涉仪它既可以对几十米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等微小运动进行精密测量，既可以对几何量如长度、角度．直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。