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迈克尔逊干涉仪

修改中的版本

  麦克斯韦于1879年3月19日写信给美国航海历书局的拖德信中,提到了通过地球公转来验证是否存在“以太风”的问题,而这个信件内容恰巧被刚入职的27岁的迈克耳孙所看到。经过仔细的思考,1880年在欧洲进修的迈克耳孙(师从亥姆霍兹)设计出了一种可满足麦克斯韦精度要求(亿分之一)的干涉仪用来验证“以太风”。这就是迈克耳孙干涉仪的最早雏形:将来自光源的光利用半透镜分成相互垂直的两路,各自在一定的距离的镜子上反射,使返回的两路光线通过半透镜再次平行,然后观察所产生的条纹。
  然而,实验结果并不理想(和理论预期不一致),迈克耳孙认为可能是实验环境振动干扰造成的。于是在1881年4月,迈克耳孙将实验地点改到波兹坦天文台的地下室内,但是实验的结果依然不尽人意。接二连三的失败,令迈克耳孙有些许心灰意冷,一度产生放弃继续实验的念头。1884年,汤姆孙和瑞利在和迈克耳孙讨论后,认为其在1881年的实验中存在计算失误,实验装置的精度也不高,因此不能否定“以太”的存在,继而鼓励迈克耳孙再做这个实验。随后,瑞利将洛伦兹提出的修改意见转给迈克耳孙,且劝他以更高的精度重复1881年的实验。
  1887年,迈克耳孙和西部预科大学化学教授莫雷一起进行了实验的改进。改进后的装置一方面将光路的长度提高到11m,极大地提高了测量精度。另一方面,将设计的实验装置放在装满水银的金属桶中,使装置的稳定性更高。然而,实验结果依然与理论预期不一致。最终,他们根据实验结果得出地球上没有“以太风”的结论,并将这一结论发表于1887年第11期的《Science》期刊上。随后,一直到1930年,不同的科学家在不同的时间地点均重复类似的实验,但都得出相同的结果,彻底否定了“以太风”的存在。
  尽管迈克耳孙等人验证“以太风”的实验失败了,但是,由于他们设计出的干涉仪,实际上是一把精度可以达到四亿分之一米的测长仪器。这个仪器结合光谱学和干涉计量技术,可以将长度的物质标准转换为非物质标准,因此开创了光学度量的新时代。为表彰他在“精密光学仪器和利用这些仪器进行光学度量”研究工作中的卓越成绩,迈克耳孙被授予1907年度的诺贝尔物理学奖,这也是美国历史上第一个诺贝尔物理学奖。直到现在,迈克耳孙干涉仪的设计思想仍发挥这重要的作用。例如,美国LIGO实验室利用臂长为4Km的迈克耳孙干涉仪,将测量灵敏度提高到了十的负二十一次方,最终于2016年6月16日宣布,成功探测到了爱因斯坦预言的引力波,他们也因此获得了2017年的诺贝尔物理学奖。
  综上,我们可以看到,迈克耳孙具有敏锐的发现科学问题思维,从无意中接触到测量“以太风”这一物理问题出发,能够独立思考并设计实验仪器进行科学实验。在后续得到的实验结果不理想时,其表现出了惊人的毅力,能够不气不馁,孜孜不倦地对实验仪器进行改进。同时,我们还可以看到,迈克耳孙也表现出团结合作的精神。在与麦克斯韦、汤姆孙、瑞利、洛伦兹、莫雷等众多科学家的讨论交流下,最终成功否定了“以太”的存在,解决了物理学中的一大问题。1931年5月9日,在一次精心设计的光学测定过程中,迈克耳孙不幸因脑溢血而在美国加州去世,这种为科学实验而奋斗终身的科学精神,将永远激励着我们为国家的科学事业而不懈奋斗。

[1] 田川.拨开天空的乌云——纪念将毕生献给光学测量的A.A.迈克尔逊[J].物理教师, 2019, 40(03):80-82+85.
[2] [日本]广重彻.物理学史[M].上海:上海教育出版社.
[3] 仲扣庄.物理学史[M].南京:南京师范大学出版社.
[4] 王庚.迈克尔逊—莫雷实验[J].物理实验,1984(06):283-284.
[5] 孙玮怡,刘玉颖,朱世秋.从探寻“以太”到探测“引力波”——迈克耳孙干涉仪的应用[J].物理与工程,2017,27(04):42-46.

面向对象:各理工科本科学生。

  1. 迈克耳孙干涉仪的设计思想、结构、光路原理图(重点是补偿镜的色散补偿作用)等[a1]。
  2. 非定域干涉、定域干涉、等倾干涉、等厚干涉原理[a1]。
  3. 利用激光或者钠灯等光源调节迈克耳孙干涉仪的方法[a1]。
  4. 迈克耳孙干涉仪读数方法[a1]。
  5. 利用迈克耳孙干涉仪测量激光波长、钠灯双黄线波长差的方法[a2,a3]。
  6. 逐差法、最小二乘法等处理实验数据[a1]。

参考文献:

[a1] 各高校大学物理实验课程教材
[a2] 何和国.用迈克尔逊干涉仪测量波长差的两个问题[J].物理实验,1991(06):283-284.
[a3] 陈贤隆.用迈克耳孙干涉仪精确测量谱线的微小波长差[J].物理实验,1982(01):3-5.

面向对象:物理学本科生以及对物理学感兴趣的其他理工科专业本科生。

  1. 激光或钠灯光源干涉条纹的特点及成因(粗、细、疏、密等)分析、影响测量精度的实验因素、补偿镜是否必要等[b1,b2,b3]。
  2. 白光干涉的调节方法、白光干涉条纹特点、时间空间相干性等[b4]。
  3. 逐差法、最小二乘法等处理实验数据的优缺点等[b5]。
  4. 迈克耳孙干涉仪技术在其他大学物理实验项目(如杨氏弹性模量测量[b6]、偏振光实验[b7])中的应用。

参考文献:

[b1] 李东临,杨硕,赵昶,于舸,谭恩忠.点光源条件下迈克尔逊非定域干涉条纹的分析[J].北京石油化工学院学报,2015,23(03):63-66.
[b2] 魏茂金,张武威,杨秀珍.迈克尔逊干涉圆环中心点漂移对波长测量结果的影响分析[J].物理教师,2019,40(06):40-43.
[b3] 史少辉,封顺珍,牛萍,东艳晖,刘继宏,吴淑花.迈克耳孙干涉仪测量波长实验的研究及仿真[J].大学物理,2019,38(09):24-28.
[b4] 舒幼生.迈克耳孙干涉仪白光等厚干涉[J].大学物理,1984(11):16-18.
[b5] 魏同利,郝惠娟,马天鹏.基于直线加权平均的平均值法、逐差法和最小二乘法的等效假设研究[J].物理与工程,2018,28(04):88-92+95.
[b6] 徐勋义,张祖豪,刘子健,常相辉,樊代和.基于迈克耳孙干涉的金属丝杨氏模量测量[J].物理实验,2016,36(09):19-22.
[b7] 李曙光,张焕平.用迈克尔逊干涉仪进行偏振光的干涉实验研究[J].物理与工程,2003(01):55-56.

面向对象:有一定实验基础的物理学专业优秀本科生、计划参加物理实验类竞赛的本科生等。

  1. 利用迈克耳孙干涉仪完成其他物理量(折射率[c1]、压电陶瓷动态特性[c2]、滤光片单色性[c3])等的测量。
  2. 迈克耳孙干涉在现代光学成像的应用等[c4]等。
  3. 迈克耳孙干涉测量磁流体样品的折射率[c5]等。

参考文献:

[c1] 曲广媛,韦先涛,赵伟,郑虹,张增明.迈克耳孙干涉实验[J].物理实验,2017,37(11):26-30.
[c2] 孙宝光,谭仁兵,张启义.迈克尔逊干涉仪对压电陶瓷动态特性的研究[J].压电与声光,2015,37(05):888-891.
[c3] 魏茂金,杨孔丽.迈克尔逊干涉估测滤光片单色性[J].物理教师,2013,34(04):94-96.
[c4] 黄昊翀,高华,刘昊,董爱国,郑志远,江佳鑫.迈克耳孙光学干涉仪实验中引入光学相干层析成像实验的讨论[J].物理实验,2018,38(S1):4-6.
[c5] 赵伟,韦先涛,代如成,王中平,张权,张增明,孙腊珍.第2届全国大学生物理实验竞赛试题的解答与考试评析(续)[J].物理实验,2014,34(06):34-39+43.

面向对象:有创新能力的物理学专业本科生。

主要是设计性、开放性实验内容(包含前沿科研实验)。根据迈克耳孙干涉仪思想设计新实验仪器(如量子迈克耳孙干涉仪[d1])、测量物理量的新方法(如测量超短脉冲脉宽[d2])、提高现有物理量的测量精度(如引力波探测[d3])、在近代物理实验中的应用(如傅里叶变换光谱仪的设计[d4])等。

参考文献:

[d1] 左小杰,孙颍榕,闫智辉,贾晓军.高灵敏度的量子迈克耳孙干涉仪[J].物理学报,2018,67(13):308-315.
[d2] 何伟,崔明焕,宋迪迪,秦朝朝,江玉海.基于迈克耳孙干涉仪的共线自相关超短光脉冲测量[J].中国激光,2018,45(12):154-159.
[d3] B. P. Abbott et al., Phys. Rev. Lett. 116(6) 061102 (2016)
[d4] 周文远,刘艳格,田建国,高立模.教学用自组式傅里叶变换光谱仪[J].大学物理,2002(10):18-20+49.

  1. 高精度长度测量仪器的设计原理、调节方法。
  2. 实验现象(各种干涉图样)的分析能力。
  3. 迈克耳孙干涉技术在其他物理量测量中的应用能力。

相干性(时间、空间)、分振幅干涉、等倾干涉、等厚干涉、定域干涉、非定域干涉、点光源、扩展光源、色散补偿、白光干涉、干涉可见度、转换法、累积放大

物理学、力学、信息科学、天文学、材料科学、机械工程

各光谱分析类近代物理实验

讨论区

欢迎大家留言讨论! — 乐永康 2019/12/05 13:01
建议将“科学素养”一栏名称改为“科学与人文素养” — 潘小青 2019/12/13 09:20
是否可以将课程育人页面的本项目内容链接到“科学与人文素养”中? — 潘小青 2020/1/30 22:16
潘老师,我修改了“科学与人文素养”中的链接格式,不知道是否您希望的样子? — 乐永康 2020/02/05 11:37
正是我想要的样子,又学了一招,谢谢乐老师! — 潘小青 2020/02/05 17:00
这个实验内容丰富了不少,大家有什么补充的可以加在相应内容的后面,注明一下修改人是不是有必要? — 潘小青
这一版内容,樊代和贡献了很多。赞同潘老师的建议,大家在修改的时候可以加一个标注。还有三个可能:1)如有必要,可以在每一段内容的后面都开一个讨论栏,这样,我们可以直接就该段内容在邻近位置进行讨论,然后把取得一致的内容更新到正文中去;2)个别实验已经利用腾讯会议开过线上研讨会了,如果大家觉得有必要,这个实验或许也可以参考;3)可以把现在的版本,整理成一个word文件,放到页面头上的“历史版本栏”。供大家参考。 — 乐永康 2020/03/07 20:30
大家如有修改,可以提出意见。等群里参与的老师足够多后,我们可以约定个时间专门线上会议讨论一次。今天版本的word版本,已经放到“历史版本栏”了,大家可以参考。—樊代和 2020/03/07 21:26
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  • 最后更改: 2020/03/07 21:26
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