雙棱鏡干涉實驗中調節方法的運用范文

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摘要:

分析了雙棱鏡干涉實驗中傳統調節方法存在的缺陷，改進了調節方法，使調節方法、步驟清晰，消除了傳統調節方法中存在的某些盲目性，使學生能很快調節出干涉條紋，提高了實驗效率。

關鍵詞:

雙棱鏡;調節方法;改進

雙棱鏡干涉實驗是大學物理實驗中的一個基礎光學實驗，由于該實驗對學生掌握光學儀器的精確調節具有很高鍛煉價值，因此很多實驗工作者對該實驗的調節方法［1］、實驗方法［2-4］，數據處理方法［5］等進行了探討，足見其在大學物理實驗中的重要地位。但是，該實驗也是學生公認的實驗操作難度較大的實驗。其難度主要體現在學生很難調節出清晰的干涉條紋。即使優秀學生在做這個實驗的時候，耗費的時間也很長，甚至有的學生花費3個學時的時間，也調節不出干涉條紋。使很多學生對該實驗產生恐懼心里，也使部分學生在選課時盡量避開該實驗。為了使學生對該實驗消除恐懼心理，也為廣大實驗教學工作者提供一個方便的調節方法，我們對該實驗的調節方法進行了細致的研究和分析，找到了一種快速并且必定能調出干涉條紋的調節方法。

1實驗原理和傳統調節方法簡介

1．1實驗原理

利用雙棱鏡干涉測量鈉光的波長是利用分波陣面法獲得相干光，進而進行波長的測量。如圖1所示，由S發出的單色光經雙棱鏡折射后分成兩束，相當于從兩個虛光源S1和S2射出的兩束相干光。這兩束光在重疊區域內產生干涉，在該區域內放置的測微目鏡中可以觀察到干涉條紋。根據光的干涉理論能夠得出相鄰兩明(暗)條紋間的距離為Δx=λL/a，即可有λ=Δxa/L，其中，L為虛光源到接收屏之間的距離，在該實驗中我們測的是狹縫到測微目鏡的距離;a為兩個虛光源的距離，用共軛法來測，即a=a1a槡2，a1，a2是兩虛光源成大象和小象時通過測微目鏡測得實像間的距離，Δx很小，也通過測微目鏡測量。

1．2實驗傳統調節方法與步驟

(1)共軸調節:把狹縫、凸透鏡、像屏置于光具座上，高低基本一致，鈉燈置于狹縫前，先把狹縫調得寬一些，以便容易觀察。先使狹縫到像屏的距離大于凸透鏡焦距的4倍，然后移動透鏡成小像時調像屏，成大像時調透鏡，使狹縫S的大、小像中心都處于像屏的中心。

(2)把雙棱鏡置于狹縫與凸透鏡之間，調其高低左右與原光路共軸，并縱向微調凸透鏡的位置使像屏上出現兩個虛光源S1和S2的像的光強基本相同。

(3)用測微目鏡代替像屏，調節測微目鏡與其他元件共軸，調節透鏡前后位置，在測微目鏡中觀察到清晰的大像和小像，并測量大像間距a1和小像間距a2。

(4)把凸透鏡從光具座上取下，適當減小測微目鏡到屏的距離，調節狹縫寬窄和雙棱鏡楞脊方向，直至觀察到清晰的干涉條紋，然后測量15條干涉條紋的間距，并測量狹縫到測微目鏡分劃板間的距離L。

1．3對傳統調節方法與步驟的分析

1．2中的調節方法，對于熟練的老師而言是清楚明了的，但對于初次做該實驗，甚至做過幾次但并不熟練的學生而言，要想調出清晰的干涉條紋是很困難的。在上述方法中，第(1)、(2)、(3)步沒有不妥之處，但這樣測得虛光源間距，有可能因狹縫太寬造成測量結果的不準確。第(4)步表述籠統，學生往往不知道狹縫寬度多大為合適，在調節雙棱鏡棱脊的方向時也顯得很盲目，因為不知道什么情況雙棱鏡的棱脊與狹縫平行。有的老師會告訴學生，當調出清晰條紋時就平行了，問題是很難調出干涉條紋。因為要調出清晰的干涉條紋必須滿足四個條件:狹縫的寬度滿足空間干涉條件;雙棱鏡的棱脊與狹縫平行;雙棱鏡的棱脊處于狹縫的中央，產生的干涉條紋處于測微目鏡的視場中。但是依據上述方法調節時，四個條件很難同時滿足，而且在調節時還會相互影響，如:調小相逢時，狹縫的中心就會偏離原來的位置，雙棱鏡棱脊的位置也需要移動，因此在測微目鏡中很難觀察到清晰的干涉條紋。為此我們提出如下的調節方法和步驟。

2調節方法和步驟的改進

前兩步仍按1．2中(1)、(2)進行調節。以后步驟按下述方法步驟進行操作。

(3)用測微目鏡代替像屏，調節測微目鏡與其他元件共軸，在測微目鏡中可以觀察到兩條光帶。

(4)調節狹縫寬度使其滿足狹縫的空間許可條件［6］，當可以在狹縫周圍明顯地觀察到明暗相間的條紋時，狹縫寬度就合適了。

(5)前后移動凸透鏡，在測微目鏡中觀察清晰的大像或小像前，可以觀察到如圖2(a)所示的光帶時，說明狹縫與雙棱鏡棱脊不平行，需要調節狹縫和雙棱鏡棱脊方向，當觀察到如圖2(b)或圖2(c)所示情況時，說明狹縫和雙棱鏡棱脊方向平行且處于豎直方向，但兩條光帶若寬度不同(如圖2(b)所示)，則說明雙棱鏡棱脊不再狹縫中央，此時左右調節狹縫位置，直至出現圖2(c)所示的兩個光帶寬度一樣(可以通過測微目鏡測出兩個光帶的寬度進行比較)，此時，雙棱鏡的棱脊就處于狹縫的中央了。

(6)前后移動凸透鏡，直至出現如圖3(a)，(b)所示清晰的大像或小像時(圖2(c)中的兩光帶變為銳細的兩條亮線)，測出間距a1，a2。圖3中的大象在拍照時因光較強，在亮線周圍出現了光暈，其中白色的亮線才是大像。

(7)把凸透鏡從光具座上移除，并把測微目鏡適當向雙棱鏡移近，此時可以在測微目鏡中觀察到干涉條紋，若條紋不清晰，可以稍微調節雙棱鏡的棱脊方向，即可觀察到如圖3(c)所示的清晰干涉條紋。測出10個以上的干涉條紋的間距，求得Δx。

3結論

利用改進的調節方法，從測量虛光源間距到調節出干涉條紋，前后渾然一體，既避免了調節干涉條紋時盲目操作，也避免了測量虛光源間距因狹縫太寬造成的測量不準確，自第(3)步調節開始，都通過觀察測微目鏡進行調節，使調節有章可循，也使調節更準確、更快，特別是能更快地調節出清晰的干涉條紋，節省了調節時間，提高了實驗效率。

參考文獻:

［1］方陽．雙棱鏡干涉實驗中調出干涉條紋的好方法［J］．物理教學探討，2013，31(457):57-58．

［2］王明吉，張利巍，王曉莉．雙棱鏡干涉4種實驗方法的研究與探討［J］．物理實驗，2008，28(4):25-27．

［3］王樸，彭雙艷．菲涅耳雙棱鏡放置方式對實驗結果的影響［J］．物理實驗，2009，29(10):34-37．

［4］陳余行，陳良雷，雙棱鏡干涉中虛光源的測量方法對實驗的影響［J］．大學物理實驗，2014，27(1):32-33．

［5］余小英，李凡生．基于Matlab的雙棱鏡干涉圖像處理研究［J］．物理實驗，2010，30(5):28-31．

［6］陸改玲，陳霞，于躍洋，空間相干性條件在雙棱鏡干涉實驗中的必要性討論［J］．中國校外教育雜志:課程探索，2014．12:462．

作者:張勝海 吳天安 張巖 單位:解放軍信息工程大學