大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 工業(yè)和信息化普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材立項(xiàng)項(xiàng)目 作者 孫宇航 實(shí)驗(yàn)13 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)

1、光的等厚干預(yù)實(shí)驗(yàn) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 馬紅在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)： :/教材其余課件及動(dòng)畫素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：3 在日常生活中光的干預(yù)現(xiàn)象我們常?？梢砸姷健１确?，當(dāng)太陽光照射在肥皂泡或水面上的油膜時(shí)，他們的外表呈現(xiàn)出美麗的彩色條紋，這就是由于自然光在薄膜上產(chǎn)生干預(yù)現(xiàn)象引起的。 17世紀(jì)初物理學(xué)家牛頓在考察肥皂泡及其薄膜干預(yù)現(xiàn)象時(shí)，把一個(gè)玻璃三棱鏡壓在一個(gè)曲率半徑的透鏡上，偶然發(fā)現(xiàn)了干預(yù)圓環(huán)，并對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和研究。他發(fā)現(xiàn)用一個(gè)曲率半徑大的凸透鏡和一個(gè)平面玻璃相接觸，用白光照射時(shí)，其接觸點(diǎn)出現(xiàn)明暗相間的同心圓圈，用單色光照射，那么出現(xiàn)明暗相間的單色圓

2、圈。這是由于光的干預(yù)造成的，這種光學(xué)現(xiàn)象后被稱為“牛頓環(huán)。牛頓環(huán)是一種光的等厚干預(yù)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)背景實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)和使用 方法；2、 理解牛頓環(huán)的干預(yù)原理；3、掌握用干預(yù)法測(cè)透鏡曲率半徑的 方法 。實(shí)驗(yàn)儀器讀數(shù)顯微鏡光源鈉光燈 鈉光在可見光范圍內(nèi)兩條譜線的波長(zhǎng)分別為589.59nm和589.00nm。這兩條譜線很接近，所以可以把它視為單色光源，并取其平均值589.30nm為波長(zhǎng)。 實(shí)驗(yàn)裝置 平凸透鏡 平凸透鏡與平板玻璃組合成牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)樣品。平凸透鏡平板玻璃 實(shí)驗(yàn)原理 曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面和平板玻璃之間形成自中心向外逐漸變厚的空氣薄層。當(dāng)入射光垂直地射向平凸透鏡時(shí)，透鏡下外

3、表凸面所反射的光和平板玻璃上外表所反射的光互相干預(yù)，形成干預(yù)條紋。如果光束是單色光，我們將觀察到明暗相間同心環(huán)形條紋；如果是白色光，將觀測(cè)到彩色條紋。這種環(huán)形干預(yù)條紋叫牛頓環(huán)。 rkRek 空氣層厚度相同處的各點(diǎn)處在同一圓環(huán)上，滿足幾何關(guān)系: 離開中心越遠(yuǎn)，光程差增加越快，干預(yù)級(jí)次增加很快， 牛頓環(huán)也越密。 出現(xiàn)暗環(huán)滿足的條件是： 實(shí)驗(yàn)測(cè)量公式：rRh理論原理分析光程差，取 n=1， (考慮半波損失)目標(biāo): 消去e 計(jì)算環(huán)的半徑 r (why ?)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)公式 在空氣厚度為e的地方，上下外表反射的光的光程差為2e+/2，其中后一項(xiàng)為哪一項(xiàng)“半波損失。 光程差為(2k+1) /2處為干預(yù)

4、暗條紋，得到曲率半徑計(jì)算公式：牛頓環(huán)干預(yù)條紋的特點(diǎn)1.分振幅、等厚干預(yù)；2.明暗相間的同心圓環(huán)；3.級(jí)次中心低、邊緣高；4.間隔中心疏、邊緣密；5.同級(jí)干預(yù)，波長(zhǎng)越短,條紋越靠近中心。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1 調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置 讀數(shù)顯微鏡 調(diào)節(jié)牛頓環(huán)儀上的三個(gè)螺釘，用眼睛直接觀察，使干預(yù)條紋成圓形并處在牛頓環(huán)儀的中心注意平凸透鏡和玻璃板不能擠壓過緊，以免損壞牛頓環(huán)儀。 將牛頓環(huán)儀置于顯微鏡筒下方(如圖3),開啟鈉光燈源，調(diào)節(jié)顯微鏡座架的高度，使套在顯微鏡鏡頭上45的反射鏡M與鈉光燈等高。 調(diào)節(jié)目鏡使十字叉絲清晰，調(diào)節(jié)反射鏡M，使顯微鏡下視場(chǎng)黃光均勻 調(diào)節(jié)調(diào)焦旋鈕對(duì)牛頓環(huán)聚焦，使干預(yù)條紋清晰調(diào)節(jié)時(shí)，顯微鏡

5、筒應(yīng)自下而上緩慢移動(dòng)，直到在目鏡中看清干預(yù)條紋止(不要自上而下調(diào)，以免損壞儀器)，并適當(dāng)移動(dòng)牛頓環(huán)儀，使牛頓環(huán)圓心處在視場(chǎng)中央。2 觀察干預(yù)條紋的分布特征觀察牛頓環(huán)條紋的粗細(xì)和形狀，間距是否相等，并從理論上做出解釋，觀察牛頓環(huán)中心是亮斑還是暗斑。 3 測(cè)量平凸透鏡的曲率半徑 調(diào)節(jié)目鏡鏡筒，使一根十字叉絲與顯微鏡移動(dòng)方向垂直，保持這條叉 絲與干預(yù)條紋相切，另一根水平叉絲那么和顯微鏡移動(dòng)方向一致，以便觀察和測(cè)量條紋的直徑。牛頓環(huán)干預(yù)條紋的特點(diǎn)1.分振幅、等厚干預(yù)；2.明暗相間的同心圓環(huán)；3.級(jí)次中心低、邊緣高；4.間隔中心疏、邊緣密；5.同級(jí)干預(yù)，波長(zhǎng)越短,條紋越靠近中心。 牛頓環(huán)的應(yīng)用1.牛頓環(huán)

6、等厚干預(yù)條紋的形狀反映了兩個(gè)光學(xué)說明間距變化情況。利用牛頓環(huán)可以檢測(cè)光學(xué)球面或平面的加工質(zhì)量。2.根據(jù)本實(shí)驗(yàn)原理，曲率半徑的牛頓環(huán)可測(cè)定單色光的波長(zhǎng)。3.在牛頓環(huán)儀的鏡面充滿透明的液體光學(xué)介質(zhì)，就可以測(cè)量其折射率n 。 問題：你能推導(dǎo)利用牛頓環(huán)測(cè)量折射率的公式嗎？難點(diǎn)解說測(cè)量時(shí)，只需測(cè)量 x2, x3, x4少測(cè)一組數(shù)據(jù)x1可以減少數(shù)據(jù)讀取工作量，降低誤差。難點(diǎn)解說實(shí)驗(yàn)中，如果用弦長(zhǎng)取代牛頓環(huán)直徑是否可以？結(jié)論：可以！空程誤差屬系統(tǒng)誤差，由螺母與螺桿間的間隙造成；在齒合前，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)螺尺手柄，螺尺讀數(shù)變化，而游標(biāo)并沒有移動(dòng)。消除方法：測(cè)量時(shí)只往同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)螺尺。讀數(shù)顯微鏡的空程誤差螺桿螺尺測(cè)量平

7、凸透鏡的曲率半徑取 m=10, k=16,17,18,19,30,31,32,33,34,35那么需要測(cè)量的圓環(huán)為35，34，33, ， 20, 19，18, 17,16 ，16，17，18, 19，20, , 33，34，35。環(huán)級(jí)k+m35343332313029282726環(huán)的位置(mm)左右直徑 (mm)環(huán)級(jí)k25242322212019181716環(huán)的位置(mm)左右直徑 (mm) (mm2) (mm2)21數(shù)據(jù)處理 (mm2) ； (mm2)； (mm)； (mm)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果： (mm)22誤差的主要來源與分析：1.條紋的定位精度偶然誤差定位誤差的大小在條紋寬度的1/51/10。解

8、決方法：取級(jí)次較高的環(huán)進(jìn)行測(cè)量。2.叉絲不平的影響系統(tǒng)誤差顯微鏡叉絲與顯微鏡移動(dòng)方向不平行產(chǎn)生的誤差。解決方法：改直徑測(cè)量為弦長(zhǎng)測(cè)量。3.平凸透鏡的不穩(wěn)定性偶然誤差/系統(tǒng)誤差由固定螺絲的松緊度不同造成。解決方法：鏡間加很薄的環(huán)形墊圈進(jìn)行固定。本卷須知 使用讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行測(cè)量時(shí)，手輪必須向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，中途不可倒退 讀數(shù)顯微鏡鏡筒必須自下而上移動(dòng)，切莫讓鏡筒與牛頓環(huán)裝置碰 光學(xué)儀器光學(xué)面在實(shí)驗(yàn)時(shí)不要用手去摸或與其他東西相接觸，因?yàn)檫@樣極易磨損精致的光學(xué)外表，這點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)中千萬小心，假設(shè)有不潔需用專門的擦鏡紙擦試注意：為保護(hù)儀器，不要將牛頓環(huán)調(diào)節(jié)螺絲旋得過緊。注意：實(shí)驗(yàn)中鈉光燈翻開后，不要隨意關(guān)閉，經(jīng)常開、關(guān)將影響燈的壽命。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法逐差法加權(quán)平均逐差法作圖法思考題：(1) 什么是光的干預(yù)？產(chǎn)生光的干預(yù)現(xiàn)象的條件是什么？(2) 觀察牛頓環(huán)為什么選用鈉光燈作光源？假設(shè)用白光照射將如何？(3