基于迈克耳逊干涉仪的研究性实验

　　1 引言

　　在普通物理实验中,学员创新能力和科学思维的培养是实验的重要目的和内容。让学员独立自主地对实验方法进行设计并对实验结果进行研究的设计性、研究性实验越来越多地走进实验室,与传统的测量性、验证性实验相比,它更有利于培养学生的开拓精神和创新能力[1]。本文以迈克耳逊干涉仪实验为例,对普通物理实验中研究性实验的设计进行了探讨。

　　2 基于迈克耳逊干涉仪的研究性实验

　　2.1 迈克耳逊干涉仪实验的基本原理

　　迈克耳逊干涉仪原理图如图 1 所示。

　　S为光源,L为透镜,P为观察屏;G1为半反半透镜、G2为补偿镜,用于补偿光路 1、2 之间的光程差; M1、M2为反射镜, M2固定, M1可以移动。S 发出的光,通过 G1后分为两束,反射光由光路 1,被 M1反射,通过 G1,L 到达观察点 P;透射光通过 G2,被 M2反射,再次通过G2,L 到达观察点 P。反射光与透射光在 P 发生干涉,形成干涉条纹。M`2为 M2通过 G1所成的像 M2,M`2,之间的距离等于 d。由 M2反射的光,可以看作由 M`2发出的,这样,光路1、2 之间的光程差等于 2d。移动 M1,P 处干涉条纹会周期性地产生或消失。常见的迈克耳逊干涉仪实验利用迈克耳逊干涉仪测量 He-Ne 激光器的波长[2]。

　　反射镜 M1每移动 /2,P 点的干涉条纹就会产生或消失。若 M1移动距离为 d,P 处干涉条纹数变化 N,则有

　　测量 N 和 d,即可求出 He-Ne 激光器的

　　波长 。

　　2.2 迈克耳逊干涉仪实验的拓展

　　迈克耳逊干涉仪实验原理并不复杂,实验中干涉条纹的调节也比较简单。大部分学员容易调节出实验现象并完成实验报告。但简单的实验现象、数据的获得, 并非验证性、测量性试验的目的,如果仅仅满足于此,实验的效果是打折扣的。

　　在实验过程中,创新能力和科学思维的培养是重要内容和环节。然而,限于各方面的条件,实验室能够统一安排的实验内容有限,这就要求在完成规定实验的情况下,主动地做一些研究性实验,在设计、实施实验的过程中,不断锻炼自己的能力,提高实验素质,培养创新精神。

　　(1)设计性、研究性实验的进行要建立在

　　对实验原理的正确理解和把握上对原有实验进行的改进或创新,要建立在对基本实验原理的正确理解和把握上,否则任何工作都缺乏坚实的基础。迈克耳逊干涉仪测量 He-Ne 激光器波长的实验,把光程差的变化通过干涉条纹的形式反映出来,干涉条纹的变化对应光程差的变化是 量级的,这样就为测量光波长提供了可能。

　　干涉条纹出现的前提是迈克耳逊干涉仪两臂满足空间相干性要求;干涉条纹的变化反映了两束相干光位相差的改变(由光程差的变化引起),而光程差的变化(实际上是光路 1 光程的变化)可以由多种因素导致:光程 (2)l 为光在真空中的位移,n 为介质折射率,l ’为光线在介质中的位移。l 、n 、l ’的变化都可以导致L的变化。迈克耳逊干涉仪测量He-Ne 激光器波长的实验中,正是通过改变 l而导致 L 的变化。由此,可以利用迈克耳逊干涉仪设计下面的实验: