对迈克尔逊干涉实验的分析与讨论.pdf
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绪论
迈克尔逊干涉仪是1883年在美物理学家迈克尔逊和莫雷合作为研究“以太”漂移
而设计创造出来的精密仪器。它利用分振幅法产生双光束以实现干涉。迈克尔逊与其
合作者用此仪器进行了三项著名实验:即迈克尔逊-莫雷实验,实验结果否定了“以
太”的存在,为相对论的提出奠定了实验基础;随后将干涉仪用于光谱的精密结构的
研究;利用光谱线的波长,标定标准米尺等工作,为近代物理和近代计算技术做出了
重要贡献。
在实验中我们发现,用迈克尔逊干涉仪的点光源非定域干涉测氦氖激光的波长时,
其值总是偏大。本文通过对某些实验现象进行分析,找出了测量值偏大的原因是在某
些区间里干涉条纹并不是严格的等倾干涉条纹。由此本文通过公式运算与对实验现象
的分析,找出了用迈克尔逊干涉仪测氦氖激光波长的最佳区间,并用实验数据进行了
应证。在以后的实验中,我们可以在此区间里进行测量,从而减小实验误差。
笔者发现,在大多数物理实验教科书中,对如何减小实验误差大都进行了罗列与
叙述,但大多是从实验仪器与实验者等方面寻找问题,很少有人提及在实验中存在最
佳测量区间这一问题。笔者在实验中发现了一些异常现象,通过对象的分析,发现存
在着最佳测量区间。
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对迈克尔逊干涉实验的分析与讨论
1引言
1881年迈克尔逊(Michelson,1852-1931)制成可以测定微小长度、折射率和光
波波长的第一台干涉仪。后来,他又用干涉仪做了3个闻名于世的重要实验:迈克尔
逊-莫雷(Morley,1838-1923)“以太”漂移实验,实验结果否定了“以太”的存在,
解决了当时关于“以太”的争论,并确定光速为定值,为爱因斯坦
(Einstein,1879-1955)发现相对论提供了实验依据;迈克尔逊与莫雷最早用干涉仪
观察到氢原子光谱中巴耳末系的第一线为双线结构,并以次推断光谱线的精确结构;
迈克尔逊首次用干涉仪测得镉红线波长(λ=643.84696nm),并用此波长测定了标准
米的长度(1m=1553164.13镉红线波长)。此外迈克尔逊于1920年用一台高分辨率的干
涉仪测量猎户星座等变光星的直径约为太阳直径的3倍,这是人类首次精确测量太阳
之外的恒星的大小。
迈克尔逊干涉仪在近代物理和近代计量技术中起了重要作用。今天迈克尔逊干涉
仪已被更完善的现代干涉仪取代,但它的基本结构仍然是许多现代干涉仪的基础。
2实验原理
理想情况下的迈克尔逊干涉仪光路如图1所示,G的半透膜将入射光束分成振幅相
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等的两束光(1)和(2),光束(1)经M反射后穿过G,到达观察点E,M光束(2)经M反射
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后再经G后表面反射后也到达E,与光束(1)会合干涉,在E处可以看到干涉条纹。玻璃
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板G起补偿光程的作用。M′是M镜通过G反射面所成的虚像,因而两束光在M、
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M上的反射,就相当于在M与M′上的反射,与厚度为d的空气薄膜产生的干涉现象
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等效,当M与M严格垂直时,M与M′严格平行,这时用短焦距的凸透镜会聚激光
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束形成的高强度的点光源时可观察到非定域的干涉花样,用面光源可产生等倾干涉条
纹,当M与M′接近重合,且有一微小夹角时,可得到等厚干涉条纹。
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