大学物理实验 工业和信息化普通高等教育十二五 规划教材立项项目 教学课件 作者 孙宇航 实验13 牛顿环实验.ppt

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1、光的等厚干涉实验物理实验教学中心马红2在日常生活中光的干涉现象我们常常可以见到。比如，当太阳光照射在肥皂泡或水面上的油膜时，他们的表面呈现出美丽的彩色条纹，这就是由于自然光在薄膜上产生干涉现象引起的。17世纪初物理学家牛顿在考察肥皂泡及其薄膜干涉现象时，把一个玻璃三棱镜压在一个曲率半径已知的透镜上，偶然发现了干涉圆环，并对此进行了实验观测和研究。他发现用一个曲率半径大的凸透镜和一个平面玻璃相接触，用白光照射时，其接触点出现明暗相间的同心圆圈，用单色光照射，则出现明暗相间的单色圆圈。这是由于光的干涉造成的，这种光学现象后被称为“牛顿环”。牛顿环是一种光的等厚干涉现象。实验

2、背景实验目的1、了解读数显微镜的结构和使用方法；2、理解牛顿环的干涉原理；3、掌握用干涉法测透镜曲率半径的方法。实验仪器读数显微镜光源（钠光灯）钠光在可见光范围内两条谱线的波长分别为589.59nm和589.00nm。这两条谱线很接近，所以可以把它视为单色光源，并取其平均值589.30nm为波长。实验装置平凸透镜平凸透镜与平板玻璃组合成牛顿环实验样品。平凸透镜平板玻璃实验原理曲率半径很大的平凸透镜的凸面和平板玻璃之间形成自中心向外逐渐变厚的空气薄层。当入射光垂直地射向平凸透镜时，透镜下表面（凸面）所反射的光和平板玻璃上表面所反射的光互相干涉，形成干涉条纹。如果光束是单色

3、光，我们将观察到明暗相间同心环形条纹；如果是白色光，将观测到彩色条纹。这种环形干涉条纹叫牛顿环。rkRek空气层厚度相同处的各点处在同一圆环上，满足几何关系:离开中心越远，光程差增加越快，干涉级次增加很快，牛顿环也越密。出现暗环满足的条件是：实验测量公式：rRh理论原理分析光程差，取n=1，(考虑半波损失)目标:消去e计算环的半径r(why?)实验现象现象实验公式在空气厚度为e的地方，上下表面反射的光的光程差为2e+λ/2，其中后一项是“半波损失”。光程差为(2k+1)λ/2处为干涉暗条纹，得到曲率半径计算公式：牛顿环干涉条纹的特点1.分振幅、等厚干涉；2.明暗相间的同

4、心圆环；3.级次中心低、边缘高；4.间隔中心疏、边缘密；5.同级干涉，波长越短,条纹越靠近中心。实验内容与步骤1调整实验装置读数显微镜⑴调节牛顿环仪上的三个螺钉，用眼睛直接观察，使干涉条纹成圆形并处在牛顿环仪的中心．注意平凸透镜和玻璃板不能挤压过紧，以免损坏牛顿环仪。⑵将牛顿环仪置于显微镜筒下方(如图3),开启钠光灯源，调节显微镜座架的高度，使套在显微镜镜头上45°的反射镜M与钠光灯等高。⑶调节目镜使十字叉丝清晰，调节反射镜M，使显微镜下视场黄光均匀⑷调节调焦旋钮对牛顿环聚焦，使干涉条纹清晰．调节时，显微镜筒应自下而上缓慢移动，直到在目镜中看清干涉条纹止(不要自上而下调

5、，以免损坏仪器)，并适当移动牛顿环仪，使牛顿环圆心处在视场中央。2观察干涉条纹的分布特征观察牛顿环条纹的粗细和形状，间距是否相等，并从理论上做出解释，观察牛顿环中心是亮斑还是暗斑。3测量平凸透镜的曲率半径⑴调节目镜镜筒，使一根十字叉丝与显微镜移动方向垂直，保持这条叉丝与干涉条纹相切，另一根水平叉丝则和显微镜移动方向一致，以便观察和测量条纹的直径。牛顿环干涉条纹的特点1.分振幅、等厚干涉；2.明暗相间的同心圆环；3.级次中心低、边缘高；4.间隔中心疏、边缘密；5.同级干涉，波长越短,条纹越靠近中心。牛顿环的应用1.牛顿环等厚干涉条纹的形状反映了两个光学表明间距变化情况。利

6、用牛顿环可以检测光学球面（或平面）的加工质量。2.根据本实验原理，已知曲率半径的牛顿环可测定单色光的波长。3.在牛顿环仪的镜面充满透明的液体光学介质，就可以测量其折射率n。问题：你能推导利用牛顿环测量折射率的公式吗？难点解说测量时，只需测量x2,x3,x4少测一组数据x1可以减少数据读取工作量，降低误差。难点解说实验中，如果用弦长取代牛顿环直径是否可以？结论：可以！空程误差属系统误差，由螺母与螺杆间的间隙造成；在齿合前，轻轻转动螺尺手柄，螺尺读数变化，而游标并没有移动。消除方法：测量时只往同一方向转动螺尺。读数显微镜的空程误差螺杆螺尺测量平凸透镜的曲率半径取m=10,k

7、=16,17,18,19,…,30,31,32,33,34,35则需要测量的圆环为{35，34，33,…，20,19，18,17,16}，{16，17，18,19，20,…,33，34，35}。环级k+m35343332313029282726环的位置(mm)左右直径(mm)环级k25242322212019181716环的位置(mm)左右直径(mm)(mm2)(mm2)20数据处理(mm2)；(mm2)；(mm)；(mm)；实验结果：(mm)21误差的主要来源与分析：1.条纹的定位精度（偶然误差）定位误差的大小在条纹宽度的1/5~1/1