用菲涅尔双棱镜测量光波波长
物理基础实验研究性报告-用菲涅耳双棱镜测量光的波长
用菲涅耳双棱镜测量光的波长唐薇 39011301摘要：利用菲涅耳双棱镜进行干涉实验，当双棱镜与屏的位置确定后，干涉条纹的间距△x与光源的波长λ成正比，利用这个知识能测量出单色光的波长。
本实验报告先介绍了两束光波干涉的必要条件，然后对基本原理和实验仪器进行介绍，为理解实验原理提供理论基础，最后介绍本实验的步骤并进行了数据处理，从而得出实验结果，最后讨论，对实验误差进行分析，对实验方法等提出改进意见等。
两束光波产生干涉的必要条件是：1．频率相同2．振动方向相同3．位相差恒定尽管干涉现象是多种多样的，但为满足上述相干条件，总是把由同一光源发出的光分为两束或两束以上的相干光，使它们各经不同的路径后再次相遇而产生干涉。
产生相干光的方式有两种：分波阵面法和分振幅法。
本次的菲涅耳双棱镜干涉属于分波阵面法。
一、实验目的1、验证光的波动性，了解分波阵面法获得相干光的原理；2、通过用菲涅耳双棱镜对钠灯波长的测量，掌握光学测量的一些基本技巧，培养动手能力。
二、实验原理菲涅耳双棱镜（简称双棱镜）实际上是一个顶角极大的等腰三棱镜，如图1所示。
它可看成由两个楔角很小的直角三棱镜所组成，故名双棱镜。
当一个单色缝光源垂直入射时，通过上半个棱镜的光束向下偏折，通过下半个棱镜的光束向上偏折，相当于形成S′1和S′2两个虚光源。
与杨氏实验中的两个小孔形成的干涉一样，把观察屏放在两光束的交叠区，就可看到干涉条纹。
其中，ｄ是两虚光源的间距，D 是光源到观察屏的距离，λ是光的波长。
用测微目镜的分划板作为观察屏，就可直接从该测微目镜中读出条纹间距△x 值，D 为几十厘米，可直接量出，因而只要设法测出ｄ，即可从上式算出光的波长λ，即△x=D λ/d , λ =△xd/D （1）测量ｄ的方法很多，其中之一是“二次成像法”，如图2所示，即在双棱镜与测微目镜之间加入一个焦距为f 的凸透镜L ，当D ＞4f 时，可移动透镜L 而在测微目镜中看到两虚光源的缩小像或放大像。
用菲涅尔双棱镜测量光的波长
一、引言法国科学家菲涅尔用几个自己设计的新实验，在当时令人信服地证明了光的干涉现象的存在，这些实验之一就有他在1826年进行的双棱镜实验。
与杨氏双缝干涉借助衍射形成分波面干涉不同，它利用棱镜形成“双缝”，并用毫米级的精度测量出纳米级的精度，它的物理思想、实验方法和测量技巧至今仍值得我们学习，并且对于以后微观物理学方面的实验仍然具有巨大的作用。
在本实验中通过用菲涅尔双棱镜对纳光波长的测量，要求我们掌握光的干涉有关原理及光学测量的基本技巧，特别要学习在光学实验中计算测量结果不确定度的各种方法。
二、实验原理1)菲涅尔双棱镜实际上是一个顶角A极大的等腰三棱镜,如下图所示，当S点处的单色点光源从BC面入射时，通过ABD的光向下偏折，通过ACD的光向上偏折，形成如图所示的交叠区，并产生S1、S2两个虚的点光源，于是在交叠区两个虚光源发出的相干光发生干涉；干涉条纹间距为X=Dλ/d (1)；其中d是两个虚光源之间的间距；D是光源到观察屏的距离；λ是光的波长。
用测微目镜的分划板作为观察屏可直接读出条纹间距X的值，D可直接由导轨上的直尺读出。
观察屏 S点光源通过双棱镜的折射2)虚光源间距的测量：使用二次成像法，光路图如下图所示：在双棱镜与测微目镜之间加一个焦距为f的凸透镜L，当D>4f时，可以移动L在测微目镜中观察到两虚光源的放大像和缩小像，读出虚光源像的间距d1,d2；有几何光学可知：d=(d 1d 2) 1/2；带入即可求出虚光源间距d 的值。
（由于制图不太准，图上显示的两个焦距f 略有差异,实际是相同的）3) 实验时我们利用以上原理来对未知量条纹间距X ,及虚光源间距d ；并且将点光源换成线光源使衍射条纹由点变线，增强了条纹的亮度，方便读数测量。
三、实验装置及实验过程实验装置双棱镜、测微目镜、光具座、线光源和透镜； 右图为测微目镜的结构图：使用时调节目镜与分划板之间的距离使之能清晰地看到分划板的准线及刻度线；而后调节测微目镜与待测实像的距离使像清晰无视差并且便于测量。
菲涅尔双棱镜干涉测波长
（17-1）
明纹条件
=
= 0 , 1, 2 , … …
（17-2）
如图（17-2）所示，设 S1 和 S2 是双棱镜所产生的两相干虚光源，其间距为 ，屏幕到
S1S2 平面的距离为 D，若屏上的 P0 点到 S1 和 S2 的距离相等，则 S1 和 S2 发出的光波到 P0
的光程也相等，因而在 P0 点相互加强而形成中央明条纹。
图 17-1 双棱镜干涉光路
现在讨论屏上干涉条纹的分布情况，分别从相干光源 S1 和 S2 发出来的光相遇时，若它 们之间的光程差 恰等于半波长（/2）的奇数倍，则两光波叠加后为光强极小值；若 恰 等于波长 的整数倍，两光波叠加后得光强极大值。即
暗纹条件
= （2 －1） / 2
= 1, 2 ,……
ห้องสมุดไป่ตู้（17-5）
（17-6）
于是 对暗条纹也可得到同样结果。利用式（17-7）可以测量光波波长。
（17-7）
Pk+1
S1 a S2 δ
Pk xk
xk+1
P0
D
图 17-2 条纹间距与光程差及其它几何之关系
仪器介绍
测微目镜是利用螺旋测微原理测量成像于其分划板上的像大小的仪器，旋动鼓轮，通 过传动丝杆可推动活动分划板左右移动。活动分划板上刻有双线和叉丝，其移动方向垂直 于目镜的光轴，固定分划板上刻有毫米标度线。测微器鼓轮刻有 100 分格，每转一圈，活 动分划板移动 1 毫米。其读数方法与螺旋测微计相似，双线或者叉丝交点位置的毫米数由 固定分划板上读出，毫米以下的读数由测微器鼓轮上读出，最小分度值为 0.01mm。
1．调节目镜，使叉丝和固定分划板的毫米标度线均在目镜视野中最清楚。 2．被测量的像应在叉丝平面上。移动眼睛看叉丝和物像有无相对移动，即消除视差。 3．测量时转动鼓轮推动分划板，使叉丝的交点或双线依次与被测像两端重合，得到首 尾两个读数，其差值即为被测像之尺寸。 4．测量时应注意使鼓轮沿一个方向转动，中途不能反转，以避免空程差。移动活动分 划板的同时，一定要注意观察叉丝位置，不能使它移出毫米标度线的范围之外。
利用双棱镜测定光波波长
利用双棱镜测定光波波长【实验目的】1.掌握利用分割波前实现双光束干涉的方法;2. 观察光场空间相干性;3.用菲涅耳双棱镜测量钠光光波波长。
【仪器及用具】钠光灯、双棱镜、光具座、凸透镜、测微目镜、单缝、辅助棒。
【实验原理】一般情况下两个独立的光源（除激光光源外）不可能产生干涉。
要观察干涉现象必须用光学方法将一个原始光点（振源）分成两个位相差不变的辐射中心，即造成“相干光源”。
分割的方法有两种，即波前分割法和振辐分割法，波前分割的装置有双面镜，双棱镜等，。
本实验采用菲涅耳双棱镜进行波前分割，从而获得相干光，实现光的干涉。
Q-钠光灯 1L -透镜 S-单缝 B-双棱镜 2L -辅助成像透镜 M-测微目 图18-1用菲涅耳双棱镜测量钠光波长实验装置实验装置如图18-1所示。
，各器件均安置在光具座上，Q 为钠光灯；S 为宽度及取向可调单缝；透镜1L 将光源Q 发出的光会聚于单缝S 上，以提高照明单缝上的光强度；B 为双棱镜；1L 为辅助成像透镜，用来测量两虚光源1S 、2S 之间的距离d ；M 为测微目镜。
菲涅耳双棱镜是由两块底边相接、折射棱角 小于1°的直角棱镜组成的。
从单缝发出的光经双棱镜折射后，形成两束犹如从虚光源发出的频率相同、振动方向相同、并且在相遇点有恒定相位差的相干光束，它们在空间传播时，有一部分彼此重叠而形成干涉场。
如图18-2所示.图18-2设由双棱镜B 所产生的两相干虚光源1S 、2S 间距为d ，观察屏P 到1S 、2S 平面的距离为D 。
若P 上的0P 点到1S 和2S 的距离相等，则1S 和2S 发出的光波到0P 的光程也相等，因而在0P 点相互加强而形成中央明条纹(零级干涉条纹)。
设1S 和2S 到屏上任一点k P 的光程差为D ，k P 与的距0P 离为k X ，则当d <<D 和k X <<D 时，可得到kX d D∆=(18-1) 当光程差为∆波长的整数倍，即(K =0、1、2、···)时，得到明条纹。
用菲涅尔双棱镜测量光波波长
一、实验目的 二、实验原理 三、实验仪器
用菲涅尔双棱镜测光波波长
【实验目的】
1. 观察双棱镜产生的干涉现象 2. 掌握获得双光束干涉的一种方法， 进一步理
解产生干涉的条件 3. 学会用双棱镜测定光波波长
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【简要原理】
相干光是产生光的干涉现象的必要条件。常用的获得相干光的 方法有双缝、 双面镜、 双棱镜及洛埃镜等， 它们都是属于双缝干 涉实验的同一类型。 利用相干光产生的干涉图样， 可以测定单色 光的波长。 本实验是用双棱镜测定钠光的波长。
单色光从狭缝 S 射出， 经双棱镜折射后分为两束光，它们好像 是分别从虚光源 S1 和 S2发出的， 它们是相干光。 于是在两束相干 光重叠的区域内产生干涉现象，如图。在该区域内放置的观察屏上 可以观察到明暗交替的等间距的干涉条纹，条纹的取向与狭缝平行。
M P S1
S
S2
N
D
E F
下一页
光波的波长由下式确定：
d x
D
式中 D 为狭缝到观测屏的距离，d 为两虚光源 S1 和 S2 的距
离，x 为条纹间距。 测得 D 、d 座、双棱镜、可调狭缝、会聚透镜、测微目镜、钠光灯
可调狭缝
会聚透镜
测微目镜
钠光灯
双棱镜
光具座
电源
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用双棱镜干涉测光波波长的实验报告
【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，单色光源(钠灯)，可调狭缝，双棱镜，辅助透镜(两片)，测微目镜，白屏．
【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为加强，在另一些地方表现为减弱(甚至可能为零)，这种现象称为光的干涉．
图3
(4)用所测得的 、 、 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定度．
【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 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42.5mm，MCU一15型测微目镜分划板平面的修正量为27.0mm)，否则将引起较大的系统误差．
(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 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 ．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 ．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 ．
双棱镜测量波长的实验改进及调节技巧
中文摘要本文首先介绍了双棱镜测量波长的基本的装置和原理及一般的操作步骤及方法，随后分析双棱镜测量波长的实验所引起的系统误差分析，及实验过程中遇到的操作困难等问题，针对这些问题，分别采取不同的实验改进方法对实验进行优化从而减少误差及减少操作的困难。
关键词：双棱镜波长干涉虚光源误差二次成像法等位移法ABSTRACTKey Words：biprism wavelength interference virtual light source error the secondary imaging method1．双棱镜测量光波长的背景利用菲涅尔双棱镜测量光波波长实验是大学物理实验中的基础实验，通过实验可以让学生掌握用菲涅尔双棱镜获得双光束干涉的方法，观察双棱镜产生的双光束干涉现象，进一步理解产生干涉的条件。
2. 双棱镜干涉实验的装置和原理2.1 双棱镜双棱镜外形结构如图1 所示, 将一块平玻璃板上表面加工成两楔形面, 端面与棱脊垂直, 楔角较小, 一般在30′- 1°之间。
2.2 双棱镜干涉实验中所用的仪器有双棱镜，可调狭缝，辅助透镜(两片)，读数显微镜，光具座，白屏，钠灯，原理如图1，双棱镜干涉是光的分波阵面干涉现象，由S发出的单色光经双棱镜折射后分成两列，相当于从两个虚光源S 和S 射出的两束相干光。
这两束光在重叠区域内产生干涉，在该区域内放置的读数显微镜中可以观察到干涉条纹。
图1 双棱镜干涉原理图2.3 根据光的干涉理论能够得出相邻两明(暗)条纹间的距离为：λdDx=∆也就是：xDd∆=λ中λ是光波的波长，d是两个虚光源之间的距离，D是虚光源到接收屏之间的距离，x∆是干涉条纹的间距。
利用双棱镜测量光波的波长，只要测出虚光源到接收屏之间的距离D（可以在光具座中直接读出可调狭缝到读数显微镜之间的距离近似为虚光源到接收屏之间的距离），从读数显微镜中直接测出干涉条纹的间距。
两个虚光源之间的距离无法直接测量出来，可以通过以下的方法，间接测出两个虚光源之间的距离，利用透镜成像法求出两个虚光源之间的距离d ：保持狭缝与读数显微镜的距离不变，并且满足fD 4>，在狭缝与读数显微镜之间放一凸透镜Q ，凸透镜Q 的焦距为f，移动凸透镜，可以在读数显微镜中分别看到放大的实像和缩小的实像。
“菲涅耳双棱镜测光波波长”的实验误差及改进
“菲涅耳双棱镜测光波波长”的实验误差及改进作者：欧国荣来源：《广西教育·B版》2014年第02期【摘要】针对“菲涅耳双棱镜测光波波长”实验结果，分析实验误差的来源，提出提高实验精度、减小实验误差的方法。
【关键词】菲涅耳双棱镜光波波长实验误差改进【中图分类号】G【文献标识码】A【文章编号】0450-9889（2014）02B-0091-02菲涅耳双棱镜实验是物理学实验中非常重要的一个基础实验，它同杨氏双缝实验一样，都是古老的物理实验，这两个实验共同奠定了光的波动学的实验基础。
菲涅耳双棱镜的实验原理是在杨氏双缝实验原理的基础上进一步改进而成的，本质上都是分波面干涉。
虽然菲涅耳双棱镜给我们提供了方便快捷的实验方法，但是多年来，学生用菲涅耳双棱镜所测的光波波长实验误差相对较大，所测得的实验结果相对误差大概在5%左右，影响了实验的教学效果。
实验误差的来源有多方面的原因，如实验装置的共轴性问题（本实验对各个实验装置的共轴性要求相对较高）；条纹间距Δχ的测量问题以及两虚光源的间距d 测量问题等。
学生在做实验的时候，只能凭借个人的主观意识和经验去判断透镜所成的像的清晰度，这样就存在不可避免的系统误差和偶然误差。
如果在实验过程中，各光学元件的共轴性的一致性不是很好，实验所产生的误差就更大。
针对这些问题，笔者做了一些实验上的补充和改进，以尽量减小实验误差，提高实验效果。
一、“菲涅耳双棱镜测光波波长”的实验（一）获得相干光。
基本原理：把一个光源的一点发出的光束设法分为两束，然后再使它们相遇。
两种基本方法：分波阵面法（如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅尔双面镜以及菲涅尔双棱镜）和分振幅法（如薄膜干涉、劈尖干涉、牛顿环和迈克尔逊干涉仪）。
（二）仪器介绍。
如图1 所示，W是光源（本实验用钠光灯），F 是滤光片（适用于多色光），S 是宽度可调的狭缝，B 是双棱镜，L 是凸透镜，M是测微目镜，所有仪器都安装在有刻度的光具座上。
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D
式中 D 为狭缝到观测屏的距离，d 为两虚光源 S1 和 S2 的距
离，x 为条纹间距。 测得 D 、d 及 x ， 镜、可调狭缝、会聚透镜、测微目镜、钠光灯
可调狭缝
会聚透镜
测微目镜
钠光灯
双棱镜
光具座
电源
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用菲涅尔双棱镜测量光波波长
一、实验目的 二、实验原理 三、实验仪器
用菲涅尔双棱镜测光波波长
【实验目的】
1. 观察双棱镜产生的干涉现象 2. 掌握获得双光束干涉的一种方法， 进一步理
解产生干涉的条件 3. 学会用双棱镜测定光波波长
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【简要原理】
相干光是产生光的干涉现象的必要条件。常用的获得相干光的 方法有双缝、 双面镜、 双棱镜及洛埃镜等， 它们都是属于双缝干 涉实验的同一类型。 利用相干光产生的干涉图样， 可以测定单色 光的波长。 本实验是用双棱镜测定钠光的波长。
单色光从狭缝 S 射出， 经双棱镜折射后分为两束光，它们好像 是分别从虚光源 S1 和 S2发出的， 它们是相干光。 于是在两束相干 光重叠的区域内产生干涉现象，如图。在该区域内放置的观察屏上 可以观察到明暗交替的等间距的干涉条纹，条纹的取向与狭缝平行。
M P S1
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光波的波长由下式确定：