双棱镜干涉实验

【实验目的】

1．掌握用双棱镜获得双光束干涉的方法，加深对干涉条件的理解． 2．学会用双棱镜测定钠光的波长．

【实验仪器】光具座、白屏、单色光源钠灯、测微目镜、短焦距扩束镜、白炽灯、氦氖激光器、毛玻璃屏、滑块（若干个）、手电筒可调狭缝、双棱镜、辅助透镜、白屏、凸透镜（不同焦距的数个)。．

【实验原理】

如果两列频率相同的光波沿着几乎相同的方向传播，并且它们的位相差不随时间而变

化，那么在两列光波相交的区域，光强分布是不均匀的，而是 在某些地方表现

这种现象称为光的干涉．

菲涅耳利用图1所示的装置，获得了双光束的干涉现象．图中AB是双棱镜，它的外形结构如图2所示，将一块平玻璃板的一个表面加工成两楔形板，端面与棱脊垂直，楔角A较小(一般小于10)．从单色光源发出的光经透镜L会聚于狭缝S，使S成为具有较大亮度的线状光源．从狭缝S发出的光，经双棱镜折射后，其波前被分割成两部分，形成两束光，就好像它们是由虚光源S1和S2发出的一样，满足相干光源条件，因此在两束光的交叠．区域

图1 图2

P1P2内产生干涉．当观察屏P离双棱镜足够远时，在屏上可观察到平行于狭缝S的、明暗相间的、等间距干涉条纹．

设两虚光源S1和S2之间的距离为d，虚光源所在的平面(近似地在光源狭缝S的平面内)到观察屏P的距离为d，且dd，干涉条纹间距为x，则实验所用光源的波长为

为加强，在另一些地方表现为减弱(甚至可能为零)，

dxd

因此，只要测出d、d和x，就可用公式计算出光波波长．

【实验内容】

1．调节共轴

(1)将单色光源M，会聚透镜L，狭缝S，双棱镜AB与测微目镜P放置在光具座上．用目视法粗略地调节它们中心等高、共轴，棱脊和狭缝S的取向大体平行．

(2)点亮光源M，通过透镜L照亮狭缝S，用手执白纸屏在双棱镜后面检查：经双棱镜折

射后的光束，有否叠加区P1P2 (应更亮些)叠加区能否进入测微目镜当移动白屏时，叠加区是否逐渐向左、右(或上、下)偏移

根据观测到的现象，作出判断，进行必要的调节使之共轴． 2．调节干涉条纹

(1)减小狭缝S的宽度，一般情况下，可从测微目镜中观察到不太清晰的干涉条

纹（测微目镜的结构及使用调节方法见实验基础知识有关内容）。绕系统的光轴缓

慢地向左或右旋转双棱镜AB，当双棱镜的棱脊与狭缝的取向严格平行时，从测微目镜中可观察到清晰的干涉条纹．

(2)在看到清晰的干涉条纹后，为便于测量，将双棱镜或测微目镜前后移动，使干涉条纹的宽度适当．同时只要不影响条纹的清晰度，可适当增加狭缝S的缝宽，以保持干涉条纹有足够的亮度．(注：双棱镜和狭缝的距离不宜过小，因为减小它们的距离，S1、S2间距也将减小，这对d的测量不利．)

3．测量与计算

(1)用测微目镜测量干涉条纹的间距x．为了提高测量精度，可测出n条(10～20条) 干涉条纹的间距x，除以n，即得x．测量时，先使目镜叉丝对准某亮纹(或暗纹)的中心，然后旋转测微螺旋，使叉丝移过n个条纹，读出两次读数．重复测量几次，求出x．

(2)用光具座支架中心间距测量狭缝至观察屏的距离d．由于狭缝平面与其支架中心不重合，且测微目镜的分划板(叉丝)平面也与其支架中心不重合，所以必须进行修正，以免导致测量结果的系统误差．测量几次，求出d．

(3)用透镜两次成像法测两虚光源的间距d．参见图3，保持狭缝S与双棱镜AB的位置不变，即与测量干涉条纹间距x时的相同(问：为什么不许动)，在双棱镜与测微目镜之间

放置一已知焦距为f的会聚透镜L，移动测微目镜使它到狭缝S的距离d4f，然后维

持恒定．沿光具座前后移动透镜L，就可以在L的两个不同位置上从测微目镜中看到两虚光源S1和S2经透镜所成的实像S1和S2，其中一组为放大的实像，另一组为缩小的实像．分别测得两放大像的间距d1和两缩小像的间距d2，则按下式即可求得两虚光源的间距d．多测几次，取平均值d．

dd1d2

图3

(4)用所测得的x、d、d值，代入式(7-1)，求出光源的波长． (5)计算波长测量值的标准不确度． 【注意事项】

(1)使用测微目镜时，首先要确定测微目镜读数装置的分格精度，要注意防止回程差，旋转

读数鼓轮时动作要平稳、缓慢，测量装置要保持稳定．

(2)在测量d值时，因为狭缝平面和测微目镜的分划板平面均不和光具座滑块的读数准线(支架中心)共面，必须引人相应的修正(例如，GP一78型光具座，狭缝平面位置的修正量为，MCU一15型测微目镜分划板平面的修正量为，否则将引起较大的系统误差．

(3)测量d1、d2时，由于透镜像差的影响，将引入较大误差，可在透镜L上加一直径约lcm的圆孔光阑(用黑纸)以增加d1、d2测量的精确度．(可对比一下加或不加光阑的测量结果．)

数据记录和处理:

1.测X

干涉条纹序1 号 干涉条纹位0 置/mm 2 3 4 5 6 干涉条纹序11 号 干涉条纹位 置/mm 12 13 14 15 16 10ΔX/mm

其中黑线为实验数据,红线为线性预测线

由上表和上图可知条纹各间距基本相等,但第16序号数据产生较大问题,可能原因为:

1. 使用测微目镜时反向旋转螺旋,造成回程差. 2. 中心十字准星移到边缘遮挡光强看不太清楚.

所以将错误数据排除其他数据产生的平均值为:

X

2.测单缝到测微目镜叉丝分划板的距离d. 单缝位置 测微目镜位置 d0

40cm

3.测虚光源间距L

两狭缝像位置读数 l1/mm l2/mm L=l1l2= 波长λ 由λ=

lx d02.20.142564910-6mm=649nm 483与钠黄光的已知值D相差较大 不确定度的计算已没有意义.

实验值偏差大的原因;

仪器和设计

1.各光器件难以精确调到共轴，带来较大误差.

2.测量d时两底座的距离不是叉丝到单缝距离,悬空测量又会导致更大的误差.

3.由于狭缝平平面和测微目镜的分划板平面不与光具座的滑块的读数刻度线共面而引入的系统误差.

操作

使用测微目镜时有反方向旋转的情况出现.

测量d时碰到单缝和测微目镜导致两仪器产生角度. 测量光源间距和x时人眼分辨率限制和疲劳错觉. 测量过程中，有零点误差.

思考:

虽然本次实验失败了,但是我学会了使用菲涅尔双棱镜测波长,同时对光的干涉和衍射有了更直观的认识,也体会了实验的严密和精确的重要性. 若将钠灯换为水银灯可能会产生七种颜色相间的干涉条纹.