實驗報告--牛頓環(huán).docx

實驗報告姓名： 張偉楠 班級： F0703028 學號： 5070309108 實驗成績：同組姓名：張少典 實驗日期：08.03.24 指導教師： 批閱日期：用CCD成像系統(tǒng)觀測牛頓環(huán)【實驗目的】1. 在進一步熟悉光路調整的基礎上，用透射鏡觀察等厚干涉現(xiàn)象-牛頓環(huán)；2. 學習利用干涉現(xiàn)象測量平凸透鏡的曲率半徑?！緦嶒炘怼?:實驗預習:.圖1 透射式牛頓環(huán)原理圖 來源 上海交通大學 物理實驗中心牛頓環(huán)儀是由一塊曲率半徑較大的平凸透鏡放在光學平玻璃上構成，平玻璃表面與凸透鏡球面之間形成一楔形的空氣間隙當用平行光照射牛頓環(huán)儀時，在球面與平玻璃接觸點周圍就形成了同心圓干涉環(huán)牛頓環(huán)我們可以用透射光來觀察這些干涉環(huán)，由于空氣隙的邊界表面是彎曲的，干涉環(huán)之間的間距是不等的在圖2 中，一束光L 從左面照在距離為d 的空氣楔處部分光T1 在氣楔的左面邊界反射回去部分光T2通過氣楔在氣楔的右面邊界有部分光T3 反射回來，由于此處是從折射率大的平玻璃面反射，所以包含一個相位變化部分光T4 先從氣楔右邊界反射回來，然后又從氣楔的左面邊界反射回來，每一次反射均有一個相位變化（即半波損失）圖2 表示兩束光T2 和T4 形成透射干涉的原理T2 和T4 的光程差為（1）形成亮紋的條件： （n = 1，2，3，表示干涉條紋的級數(shù)），即（2）當二塊玻璃相接觸時d = 0，中心形成亮紋對于由平凸透鏡和平玻璃所形成的氣楔，氣楔的厚度取決于離平凸透鏡與平玻璃接觸點的距離換言之，取決于凸透鏡的彎曲半徑圖3 說明了這樣的關系 （3）對于小的厚度d，干涉環(huán)即牛頓環(huán)的半徑可以用下式來計算 n = 1，2，3 （4）當平凸透鏡與平玻璃的接觸點受到輕壓時，我們必須相應修正公式（3），近似公式為 （5）對于亮環(huán)rn 的關系如下rn2=n-1R+2Rd0 n = 2，3，4 （6）圖2 光通過空氣楔干涉的圖介紹 來源 上海交通大學 物理實驗中心【實驗數(shù)據(jù)記錄、實驗結果計算】1. 定標狹縫板的測量L= 3.918 mm定標次數(shù)狹縫寬度（像素）L/x1440.050.0089042442.000.0088643440.950.008885L/x = (8.884 0.020)10-3 mm = 8.884 (1 0.22%)10-3 mm2. 牛頓環(huán)的半徑測量 干涉條紋級數(shù)n牛頓環(huán)像 rn（像素）牛頓環(huán)rn（mm）rn2（mm2）5179.461.5942.5426197.511.7553.0797212.551.8883.5668227.422.0204.0829240.882.1404.58010253.312.2505.06411265.852.3625.57812277.732.4676.08813289.082.5686.59614300.292.6687.117作半徑平方rn2關于（N-1）的圖像Linear Regression for Data1_B:Y = A + B * XParameterValueError-A 0.533890.01234B 0.505320.00138-RSDNP-0.999970.01249100.0001-由Origin 測得：斜率 B=0.50532 mm2 截距 A=0.53389 mm2 相關系數(shù) R=0.99997分析：整體可以看出實驗得到的直線擬合度很高； 代入公式：R=B (=589.3nm) 2Rd0=A可得到 透鏡的曲率半徑 R=857.5mm d0=3.11310-4 mm【對實驗結果中的現(xiàn)象或問題進行分析、討論】1. 首先做一點聲明，實驗實驗本來安排的步驟是先測量牛頓環(huán)的半徑在測量定標狹縫，但是如果觀察以下表格的數(shù)據(jù)情況就可以知道：半徑表格需要用到定標的結果，所以在此將定標表格放在牛頓環(huán)半徑表格之前進行分析。2. 在對定標狹縫的測量中，我組對幾個細節(jié)產(chǎn)生了注意。首先是狹縫像的邊緣不是特別完美地清晰，這是因為在之前測量牛頓環(huán)的實驗中，由于干涉圖像的亮暗環(huán)之間的界限不是特別明顯，所以無法準確地判斷是否達到了成像的最清晰點。但是這時是不能再動光具座上的儀器的，因為不能再改變系統(tǒng)的放大率。其次是狹縫像的傾斜問題，雖然理論上狹縫傾斜是不影響狹縫寬度的測量的，但是在用軟件在圖中畫直線時就可以感覺到：由于分辨率是640480，所以在圖上一個像素的移動都會使得直線有些許小偏差，所以我認為還是應該最大限度的將狹縫像擺得豎直，這樣會使得分辨率誤差減到最小。第三，也即是助教老師在實驗中提到的，狹縫板必須嚴格垂直于光軸，否則狹縫的通光寬度將減小，使得x偏小，L/x偏大。3. 牛頓環(huán)半徑的測量。這個實驗環(huán)節(jié)是實驗的重點，我組認為實驗的最難部分也是最關鍵的部分是在于調出最清晰的，大小適中的，位置正中，亮度均勻的牛頓環(huán)。從實驗的作圖情況以及直線擬合的相關系數(shù)可知，實驗對數(shù)據(jù)的測量是比較成功的。利用作圓軟件作得的圓心的最大像素差也在3像素之內。由于牛頓環(huán)的明暗環(huán)之間的界線本來就不明顯，所以在一個很小的成像距離之內所觀察到的想都是同等清晰的。在作圓的環(huán)節(jié)中，我們采用了從第五階圓開始，這是為了減小由明暗環(huán)的寬度以及不清晰度所帶來的誤差。 【附頁】思考題1. 對于同一個牛頓環(huán)裝置，反射式干涉環(huán)與透射式干涉環(huán)有什么異同之處？答：相同之處： 兩者都是利用光的干涉現(xiàn)象產(chǎn)生明暗環(huán)的原理來起作用的； 都是相差兩個半波損失，也即是一個波長。不同之處： 透射式干涉環(huán)的原理圖在實驗原理中已經(jīng)給出； 反射式干涉環(huán)的原理圖如下： 可以看出，兩者的觀測方位就不同，一個是在光源的對面，另一個是在光源的同側。我以前做過反射干涉器的牛頓環(huán)，那個是用顯微鏡觀測。 反射干涉環(huán)的原理圖2.公式 d=r22R-d0 中d0 表示的意義是什么？答：d=r22R 表示的是理論上當凸透鏡與平面鏡僅僅接觸一個點時的d，但是實際情況中，凸透鏡與平面鏡之間有擠壓，導致在一個不可忽略的區(qū)域內兩者是接觸的，接觸面不再是一個點，于是就相當于將凸透鏡向里按了一個距離d0 ，如圖所示： 3.當用白光照射時，牛頓環(huán)的反射條文與單色光照射時有何不同？ 答：白光包括了多種單色光，每種單色光的波長是不同的，各個單色光由同一個牛頓環(huán)裝置所產(chǎn)生的干涉條文是不同的，所以這時的反射條文會出現(xiàn)五顏六色的同心圓；而單色光的條文就只有一種顏色的明暗同心圓。實驗感想 這次做的實驗，總體上感覺很順利，但是好事總會有一些瑕疵，我們組的計算機只要一插U盤，馬上就死機，這使得我們組的完美的牛頓環(huán)圖和定標狹縫圖無法出現(xiàn)在本實驗報告中。 我們班上的同學都習慣用計算機做實驗報告，有人認為我們是在COPY，沒什么鍛煉價值，其實我要說，用計算機做一次實驗報告的收獲遠遠大于用手寫一份實驗報告。我用計算機做實驗報告所花的時間遠大于其他用手寫實驗報告的同學，因為用計算機畫一些圖遠比用手畫這些圖要難，各種公式的輸入也要花費大量的時間。但是我還是堅持用計算機做實驗報告，因為這會是我更加熟練對這些工具的使用。我承認，我的實驗原理部分是COPY過來的（因為不是自己寫的，也不是重點，我將實驗原理部分的字