В эксперименте с интерфером Майкельсона наблюдается сдвиг интерференционных полос при введении прозрачной пластины в один из лучей — объясните физику явления, влияние показателя преломления и возможные источники ошибок измерения

12 Окт в 14:18
3 +2
0
Ответы
1

Кратко — суть явления и формулы, затем влияние показателя преломления и практические источники ошибок.

1) Физика явления

В интерферометре Майкельсона два луча проходят по разным оптическим путям и затем интерферируют. Если в один из лучей вставить прозрачную пластинку толщины t и показателя преломления n, то оптическая длина этого пути изменится посравнениюстемжегеометрическимотрезкомввоздухепо сравнению с тем же геометрическим отрезком в воздухепосравнениюстемжегеометрическимотрезкомввоздухе.При нормальном падении луча дополнительная оптическая разность хода учитывая,чтолучпроходитпластинкутудаиобратноучитывая, что луч проходит пластинку туда и обратноучитывая,чтолучпроходитпластинкутудаиобратно равна
Δ = 2n−1n − 1n1t.
Это потому, что в пластинке оптическая длина утроена на n, а тот же геометрический путь в воздухе давал бы длину t; при двойном прохождении разница 2nt−tn t − tntt = 2n−1n−1n1t.Число сдвинувшихся полос количествоперескочившихмаксимумов/минимумовколичество перескочивших максимумов/минимумовколичествоперескочившихмаксимумов/минимумов N равно отношению этой разности к длине волны λ:
N = Δ/λ = 2n−1n − 1n1t / λ.Отсюда формула для определения n по наблюдаемому сдвигу:
n = 1 + N λ / 2t2 t2t.
Если же после вставки пластины вы восстанавливаете исходную картину, смещая зеркало на величину x, то 2x компенсирует Δ, и x = n−1n − 1n1 t.

2) Общий случай при наклонном падении

При угле падения φ и угле внутри пластины r Snell:sinφ=nsinrSnell: sinφ = n sin rSnell:sinφ=nsinr дополнительная разность хода двойнойпроходдвойной проходдвойнойпроход равна
Δ = 2 nt/cosr−t/cosφ n t / cos r − t / cos φ nt/cosrt/cosφ.
Для малых φ это сходится с выражением 2n−1n−1n1t.

3) Влияние показателя преломления

Чем больше n−1n − 1n1 при фиксированной t и λ, тем больше сдвиг полос; тонкая пластинка с большим n может давать тот же сдвиг, что и толстая с малым n.n зависит от λ дисперсиядисперсиядисперсия: если источник не строго монохроматичен, разные длины волн сдвинутся по-разному и контраст полос снизится.n зависит от температуры и давления окружающей среды dn/dTdn/dTdn/dT, поэтому изменение температуры приведёт к дополнительной фазовой погрешности.

4) Возможные источники ошибок и как их уменьшить

Неточность измерения толщины t микрометр/калибрмикрометр/калибрмикрометр/калибр: прямое влияние на n через формулу. Уменьшить — точные измерения, учёт среднего значения при неравномерной толщине.Неоднородность или клиновидность пластины wedgewedgewedge: меняет оптический путь по поперечному сечению, искажает картину; использовать планарные параллельные пластины хорошего качества.Неперпендикулярное введение пластины угловаяошибкаугловая ошибкаугловаяошибка: требует учёта угловых косинусов, добавляет погрешность; ставить пластину как можно перпендикулярно, или учитывать угол в расчётах.Погрешность при счёте полос N особеннопрималенькихNособенно при маленьких NособеннопрималенькихN: лучше повторять измерение, вести подсчёт в несколько циклов.Неопределённость длины волны λ источниксветаисточник светаисточниксвета: использовать стабилизированный монохроматический лазер He–NeHe–NeHeNe и учитывать его реальную λ.Ограниченная когерентная длина источника: если оптическая разность слишком большая илипластинкатолстаяили пластинка толстаяилипластинкатолстая, контраст снизится. Использовать источник с достаточной когерентностью.Вибрации, воздушные потоки и температурные градиенты: приводят к флуктуациям положения полос. Изолировать прибор, экранировать от потоков, держать температуру стабильной.Множественные отражения в пластинке эффектэталонаэффект эталонаэффектэталона: могут вносить дополнительные слабые интерференции; уменьшить — использовать антиотражающее покрытие или слегка наклонять пластинку, чтобы разнести паразитные отражения по направлению.Фазовые сдвиги при отражении припереходенаболее/менееплотнуюсредупри переходе на более/менее плотную средуприпереходенаболее/менееплотнуюсреду обычно одинаковы для обоих рук интерферометра, но асимметрия поверхностей/покрытий может внести нежелательный сдвиг.Точность движения зеркала есликомпенсируетесдвигперемещениемесли компенсируете сдвиг перемещениемесликомпенсируетесдвигперемещением: контролировать калибровку ходового винта зависимость2xвформулезависимость 2x в формулезависимость2xвформуле.

5) Практические советы

Используйте стабильный монохроматический источник и хорошую оптику параллельностьпластинкипараллельность пластинкипараллельностьпластинки.Вставляйте пластину перпендикулярно и медленно, чтобы были возможности точно сосчитать проходящие полосы.Делайте несколько измерений и усредняйте. Оценивайте погрешности по Δt, Δλ, погрешности счёта N.При необходимости учитывайте температурную поправку на n и тепловое расширение t.

Если нужно, могу:

вывести формулу с учётом наклонного падения подробно,показать оценку погрешности Δn по законам распространения ошибок,или помочь с типичным экспериментальным протоколом и таблицей измерений.
12 Окт в 15:42
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир