空气压强对空气折射率的影响论文.doc

空气压强对空气折射率的影响 实验者：卢耀综 指导教师：赵仲飚 （班级：A10船舶 学号：100301136联系号：690309） 【摘要】 本次实验是利用迈克尔逊干涉仪，通过在实验装置中增设可调压强的圆柱型小气室，测量观察不同气压变化情况的干涉圆环数量的变化，测出在不同压强下空气的折射率以及空气折射率与压强的关系。 【关键词】 折射率，迈克尔逊干涉仪，干涉，压强。 一、引言 迈克尔逊干涉仪，是1883年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作，为研究“以太”漂移而设计制造出来的精密光学仪器。它是利用分振幅法产生双光束以实现干涉。是有着很广泛的应用的一种干涉仪。做本实验时由于没有真空泵，本实验巧妙地利用打气方法来增加气室内的粒子数量，根据气体折射率的改变量与单位体积内粒子个数的改变量成正比的规律求出相当于标准状况下的空气折射率n。并得出空气折射率与压强的关系。 二、设计原理 真空折射率为1，而气体的折射率比1略大。且不同气体在相同条件下的折射率也不相同。气体的折射率与温度、压强有关。空气在760mmHg压力下，温度为0摄氏度时，折射率为1.000292。现利用迈克尔逊干涉仪测量空气在不同压强下的折射率。 实验的光路图如下：由氖氦激光器发出的光（波长为6328埃）被分光板分为1、2两束。这两束光分别经M1,M2反射后回到分离板相遇，在光屏上接到两束光会叠加。另外，激光器发出的光有一部分经G1透射到G2，再经G2M1反射回光屏。另一部分经G1透射到G2，再经G2透射到M2。然后经M2反射，在屏上接收。故，在屏上会接受到四个亮点，其中，通过将最亮的两个点调重合，加上扩束镜，就可以在屏上观察到等倾干涉圆环。 实验光路图 由于实验室没有真空泵，本实验在测量空气的折射率是就不抽成真空，而是采取打气方法来增加气室内的粒子数量，根据气体折射率的改变量与单位体积内粒子个数的改变量成正比的规律求出相当于标准状况下的空气折射率n0。根据单位体积内的粒子数量与密度ρ成正比，Δn=kΔ(其中k为比例系数)。设ρ0为空气在标况下的密度，n0是在相应状态下的空气折射率；n和p是对应任意温度和压强下的折射率和密度。又因为真空时的折射率为1，压强为0，所以标准状况下，以及任意温度压强下的折射率和密度相对真空的方程如下： …………………………① …………………………② 由②/①有： 根据PV=nRT(其中n气体摩尔数，)可得 故有： 所以： 即： 若实验温度不变有，…………………………③ 考虑到T=T0(1+at) (a为空气膨胀系数，等于1/273=0.00367。t为摄氏温度，即为室温) 代入③得……………………④ 所以n0=1+p0(1+at) ……………………⑤ 若空气压强改变Δp，相应折射率也改变了Δn，则上述干涉光路将增加光程差S，这一光程差将会使干涉条纹变化N圈，假使气室长度为L，则有： S=ΔnL=N 代入⑤式得n0=1+p0(1+at) 所以在不同压强下空气的折射率n=1+p (1+at) 三、设计方案 1．安排好整个光路装置。暂不加入小气室及L1、L2，开启氦氖激光器，使激光束不经过扩束器直接照射到分光板中央，调整两反光镜，使它们反射回光斑中最亮的两个相重合。加入扩束器，即可以在干涉仪的玻璃屏上出现干涉条纹。 2．在M2放入小气室，由于小气室端面玻璃厚度稍有不均匀，会使条纹形状变得不规则。此时稍稍调整M2下的微调螺丝，使不规则的条纹落在毛玻璃屏的中央。 3．观察压力超过一个大气压时气体折射率的变化，将排气阀关闭，进气阀打开。用手轻轻捏动打气皮囊，使小气室中的压强缓缓上升，可以看到条纹一条条地“涌出”或“陷入”，记下最终的压力表的读数，数出条纹“涌出”或“陷入”的圈数。 注意事项：注意气室内的压强不应该过大，一般不超过1060mmHg。 四、实验结果与分析 1. 数据记录 室温t=19.0±0.5℃表1测量气室长度数据记录表 次数 1 2 3 4 5 平均 σL L(cm) 7.890 7.926 7.902 7.894 7.879 7.898 0.018 表2压强及环数变化的记录表 0 1 2 3 4 5 P (mmHg) 760.0 782.1 803.3 826.8 847.7 868.9 Δp(mmHg) / 22.1 21.2 23.5 20.9 21.2 ΔN / 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 6 7 8 9 10 P (mmHg) 886.9 908.0 950.0 991.4 1034.5 Δp(mmHg) 18.0 21.1 42.0 41.4 43.1 ΔN 2.0 2.0 4.0 4.0 4.0 2. 数据处理 ?==7.898(cm) σL==0.018 L=（7.8980.01