迈克尔逊干涉仪相关课后问题

1.等倾干涉的极大、极小条件
光程差=kλ干涉极大
光程差=（k+1/2）λ干涉极小
λ为波长
2.条纹特征
圆型同心条纹，且越靠近中心的干涉条纹的条纹间距越大，即条纹中稀外密。

3．相关历史
迈克尔逊是美国物理学家。

他创造的迈克耳逊干涉仪对光学和近代物理学是一巨大的贡献。

它不但可用来测定微小长度、折射率和光波波长等，也是现代光学仪器如傅立叶光谱仪等仪器的重要组成部分。

他与美国化学家莫雷（1838～1923年）在1887年利用这种干涉仪，作了著名的“迈克耳逊—莫雷实验，这一实验结果否定了以太的存在，从而奠定了相对论的实验基础。

1926相关历史年用多面旋镜法比较精密地测定了光的速度。

1887年，迈克尔逊和莫雷用迈克尔逊干涉仪来测量地球相对于以太的运动，也就是企图证明“以太风”和以太的存在。

迈克尔逊——莫雷实验是根据光在以太中的运动和船在流水中的运动的相似性设计出来的。

在他们的实验设计中，固定在实验室中的仪器装置仿佛是“河岸”，漂移着的“以太风”类似于“河流”，相对于以太以恒定速率传播的光相当于以恒速在水中运动的“小船”，光对以太的漂移相当于船对水的漂流。

具体地，因为水有流速，小船在河道来回横渡一定距离所需的时间和顺着河道上下往返同一距离所需的时间并不相等，它们有一时间差。

据此，迈克尔逊认为光在干涉仪的垂直臂上往复运动所花的时间相当于小船在河道上来回横渡所需的时间，光在其水平臂上往复运动所花的时间则相当于顺着河道上下往返所需的时间，同样的计算，它们当然也是不相等的。

把迈克尔逊干涉仪的两臂转动90度，它们的时间差增加一倍。

有时间差就有光程差，就会引起干涉条纹的移动。

迈克尔逊——莫雷试验的具体计算表明，转动90度后，屏幕上的干涉条纹会移动0.4个。

但实验结果是没有条纹移动的“零结果”。

瑞利勋爵和开尔文勋爵认识到这个实验的重要性，一再鼓励和催促他进一步重做这个实验，洛仑兹还具体提出了改进实验的意见。

于是，他们对仪器进行了很多改进。

考虑到地球的运动对光线路径的影响，改为经过八次来回反射，使光路长达十一米；将仪器的光学部分改装在很重的大石板上，再把石板浮于水银面上，使它可绕中心轴自由转动，从而使实验的精确度得到了很的大提高。

在1887年7月，终于完成了这一举世闻名的实验。

但干涉条纹依然没有任何移动，即使以后多次重复试验也是如此。

人们迫不得已，只好否定了“以太风”和以太的存在。

为了解释这个“零结果”，人们绞尽脑汁，假设了一个在运动方向长度收缩的洛仑兹变换，狭义相对论也由此应运而生。

迈克尔逊对实验的结果大失所望，他称自己的实验是一次“失败”。

迈克尔逊为实验的失败感到泄气，没有继续做这个实验，放弃了在实验报告中许下的诺言：每五天进行六小时测量，连续重复三个月，以便消除所有的不确定性等等。

而把干涉仪用于其他方面去了。

迈克尔逊并不认为自己的实验结果有什么重要意义。

说起迈克尔逊试验，具有一定的戏剧性。

本来他认为这个试验有把握证明以太的存在，但没想到弄巧成拙事与愿违。

迈克尔逊是一个以太论者，他设计的试验就是为了证实以太的存在的。

可惜机关算尽太聪明，反误了以太性命。

实际上迈克尔逊试验机关并没有算尽，还有以太传光似光纤算漏了。

他也隐隐约约知道什么地方有问题，所以他至死还念念不忘“可爱的以太”。

直到晚年，他亲自对爱因斯坦说，对自己的实验引出了相对论这样一个“怪物”，实在是有点懊悔。

以太论者设计证明以太存在的试验最终却否定了自己的以太，对当时的迈克尔逊来说，这不能说不是一种绝妙的讽刺。

这一实验被认为是否定了电磁理论所要求的菲涅耳的静止以太说，使电磁学的基础受到了冲击。

实验结果使洛仑兹极为困惑，正是在这样的背景下，为了挽救以太理论，他提出了长度收缩假设。

洛仑兹为以太的否定而郁郁不乐，直到晚年，他还认为以太是具有一定优点的概念。

洛仑兹对迈克尔逊莫雷实验疑虑重重，一再追问：“在迈克尔逊先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗”？是的，洛仑兹说对了，确实有一个地方搞错了。

如果站在以太传光似光纤的观点立场上，迈克尔逊——莫雷的实验结果正好是没有干涉条纹的移动。

下面加以详细论述。

人们普遍认为：固体永远是固体，流体永远是流体。

但是这个成见对波的传播来说并不成立。

波实际上是由一种往复振动形成的。

往复振动时，物体的受力是交变的，当交变力的频率太快，介质向一个方向受力运动后，几乎马上又要受同样大的力向相反方向运动，介质因惯性的缘故根本就来不及作这样的运动。

于是，流体介质的流动象固体分子一样只在平衡位置振动而传播波。

此时介质的流动性自动消失了，波在介质中的传播就变成像在固体中传播一样。

波在固体中的传播速度就要比在液体中快得多。

例如，通常情况下，声音在水中的传播速度为1450米/秒，但20年前人们惊奇地发现，当超声波频率达到几个T（1T=10^12）赫兹时，这一频率下的超声波在水中的传播速度竟增加了2倍多。

意大利科学家通过实验最终以高弹性介质理论成功地解释了这一现象，解决了困扰物理学20年的难题。

意大利的科学家的高弹性介质理论认为，超声波的频率越高，水的弹性越高并更难移动，成为一种高弹性介质，超声波在这种介质中的扩散就像在固体中传播一样，声波在固体中的传播要比在液体中快得多，声波在冰中的速度约为3160米/秒，这正好是1450米/秒的2倍多。

也就是说，水对超高频超声波的传播有点象固体冰。

由于以太是传播光的介质，以太和水一样，是一种流体；光和声音又都是波。

因此，有理由认为光在以太中的传播类似于超声波在水中的传播，因为它们的物理本质是一样的。

同时可见光的频率非常之高，就产生了这样一个类比：以太对传光的传播好象固体一样。

简而言之，以太传光似光纤。

有了以太传光似光纤的观点，就能对迈克尔逊——莫雷试验重作新的解释。

从迈克尔逊干涉仪半反镜中发出的光，是在半反镜中传播后射出的，半反镜无疑是固体；对从半反镜中射出
而进入以太中的光来说，传播此光的以太又象固体一样。

这样一来，半反镜和相连的传光以太就分别是固体和类似于固体，从而它们好象是固联在一起的。

而半反镜又是同地球固联在一起，也就是地球和传播此光的以太也好象是固联在一起。

于是，地球和传播此光的“似固体”的以太之间没有相对运动，没有以太漂移，也就没有以太风。

光在迈克尔逊干涉仪的水平臂和垂直臂的相同路程上花的时间相同，没有光程差。

将迈克尔逊干涉仪转动90度，干涉条纹当然不会有任何移动。

这就是用以太传光似光纤的观点对迈克尔逊——莫雷试验作出的新解释。

4.迈克耳逊干涉仪还可以测什么物理量
透镜的折射率，气体的折射率，线胀系数，透镜的产品质量，密度空间分布的变化，透镜的表面面形与均匀性，小角度、平面度、直线度、平行度、垂直度等形位误差。

5.其他干涉仪及其用途
瑞利干涉仪1896年瑞利为了测量惰性气体氩和氦的折射率，利用杨氏双缝干涉原理设计制作了一种专用干涉仪，称为瑞利干涉仪。

瑞利干涉仪是一种利用双光束干涉原理的高精度测量仪器，结构简单，使用方便。

泰曼干涉仪它是以迈克尔逊和莫雷所用的平面镜系统为基础的,在光学上,这种平面镜系统差不多等于两块面对面的玻璃板。

由泰曼设计的泰曼干涉仪一种用来检验棱镜质量,另一种是用来检验透镜质量。

马赫－秦特干涉仪这种干涉仪，由于其两束光可分得很开，特别适用于空气动力学中关于气流折射率或密度分布变化的研究。

在作这种研究时,于T处放一个风洞,而在T处放一个参考室（装有不流动的同样气体），后者用以补偿前者的光程。

观察气流变化前后的干涉图样的差别，就可求得气流折射率或密度空间分布的变化。

实际上，由于气流密度变化非常迅速，必须采用短时间曝光的办法以获得气流密度分布的瞬时图像。

这就要求干涉图样本身要有足够的亮度。

所以以前多采用扩展光源。

目前常以激光器作这种干涉仪的光源，由于激光的单色性好，亮度高，此时不仅能获得清晰而又足够亮的干涉图样，而且使仪器的调节也变得方便。

法布里－珀罗干涉仪是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高的反射率。

法布里－珀罗干涉仪也经常称作法布里－珀罗谐振腔，并且当两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物来间隔固定时，它也被称作法布里－珀罗标准具或直接简称为标准具。

这一干涉仪的特性为，当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率。

错位场干涉仪其特点是从干涉仪两臂射出来重新会合相干叠加的两光波，都是同一物场的象，适当移动有关零件，可以获得两个沿任意方向在空间上有微量错位的象场．这两个错位象场相干叠加的结果，就是沿错位方向的梯度场．它能使不清晰的物场变得比较清晰．使模糊的轮廓显示得更加分明。

斐索干涉仪斐索干涉仪有平面的和球面的两种，前者由分束器、准直物镜和标准平面所组成，后者由分束器、有限共轭距物镜和标准球面所组成。

单色光束在标准平面或标准球面上，部分反射为参考光束；部分透射并通过被测件的，为检测光束。

检测光束自准返回，与参考光束重合，形成等厚干涉条纹。

用斐索平面干涉仪可以检测平板或棱镜的表面面形及其均匀性。

用斐索球面干涉仪可以检测球面面形和其曲率半径，后者的测量精度约1微米；也可以检测无限、有限共轭距镜头的波面像差。