光的干涉-牛頓環(huán)

光的干涉--牛頓環(huán)教學(xué)目的】了解讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)和使用方法；理解牛頓環(huán)的干涉原理；掌握用干涉法測(cè)透鏡曲率半徑的方法。教學(xué)重點(diǎn)】學(xué)會(huì)熟練使用讀數(shù)顯微鏡。理解并掌握牛頓環(huán)等厚干涉的原理以及用讀數(shù)顯微鏡測(cè)平凸透鏡的曲率半徑的方法教學(xué)難點(diǎn)】1.掌握調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡的步驟。2.能夠熟練使用讀數(shù)顯微鏡準(zhǔn)確的測(cè)出平凸透鏡的曲率半徑。課程講授】提問(wèn)：1.讀數(shù)顯微鏡的結(jié)構(gòu)怎樣以及如何正確使用讀數(shù)顯微鏡？2.如何使用讀數(shù)顯微鏡準(zhǔn)確的測(cè)出平凸透鏡的曲率半徑？一、實(shí)驗(yàn)原理牛頓環(huán)儀如圖1所示。圖1牛頓環(huán)在牛頓環(huán)儀里，A、B之間形成了一軸對(duì)稱劈形空氣薄膜。如圖2,當(dāng)平行單色光垂直照射牛頓環(huán)儀時(shí)，由于透鏡下表面所反射的光和平面玻璃片上表面所反射的光發(fā)生干涉，在透鏡上表面將呈現(xiàn)干涉條紋。這些干涉條紋都是以平凸透鏡和平面玻璃片的接觸點(diǎn)O為中心的一系列明暗相間的同心圓環(huán)，稱為牛頓環(huán)。測(cè)量表達(dá)式：d2一d2R= m n4九（m一n）式中d、d分別是第m、n干涉級(jí)次暗環(huán)的直徑。mn二、實(shí)驗(yàn)儀器讀數(shù)顯微鏡、鈉光燈、待測(cè)透鏡及平板玻璃、光學(xué)平晶。讀數(shù)顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置三、實(shí)驗(yàn)步驟調(diào)節(jié)牛頓環(huán)儀。調(diào)節(jié)牛頓環(huán)儀的三個(gè)螺絲，使牛頓環(huán)面上出現(xiàn)清晰細(xì)小的同心圓環(huán)且位于圓框中心。，將牛頓環(huán)儀置于工作臺(tái)面上，使其正對(duì)著顯微鏡，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)焦螺絲，使顯微鏡下降，盡量接近但不接觸牛頓環(huán)儀。緩緩旋動(dòng)目鏡，使鏡筒內(nèi)的十字叉絲清晰可見。把鈉燈放在顯微鏡正前方約20cm處。打開鈉燈開關(guān)，預(yù)熱10min。待發(fā)出明亮的黃光后，調(diào)節(jié)物鏡下方的反光鏡方向。當(dāng)在讀數(shù)顯微鏡的視場(chǎng)中看到一片明亮的黃光時(shí)，就表明有一束平行單色光垂直照射到牛頓環(huán)儀上。一邊通過(guò)目鏡觀察牛頓環(huán)儀形成的牛頓環(huán)，一邊緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)焦螺絲提升顯微鏡，使干涉條紋清晰。若看到的牛頓環(huán)中心與十字叉絲中心不重合，可輕輕移動(dòng)牛頓環(huán)儀，使二者重合。轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)鼓輪，使十字叉絲向右移動(dòng)，直到十字叉絲豎線對(duì)準(zhǔn)第35暗環(huán)線為止（即相切）。然后反轉(zhuǎn)讀數(shù)鼓輪，使十字叉絲豎線對(duì)準(zhǔn)第30暗環(huán)線，開始記錄位置讀數(shù)。沿相同方向，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)鼓輪，使十字叉絲豎線依次對(duì)準(zhǔn)第29，28，27，26，2515，14，13，12，11，10暗環(huán)線，記錄各環(huán)直徑右端相應(yīng)的位置讀數(shù)。沿相同方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)讀數(shù)鼓輪，使十字叉絲通過(guò)環(huán)心后，依次對(duì)準(zhǔn)第10，11，12，13，14，15，25，26，27，28，29，30暗環(huán)線的中心，讀記各環(huán)直徑左端的位置讀數(shù)。計(jì)算出R的不確定度和相對(duì)誤差E。

四、數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理鈉黃光波長(zhǎng)九=589.3nm=5.893xlO-4mm環(huán)的級(jí)數(shù)m302928272625環(huán)的位置mm右左環(huán)的直徑dm環(huán)的級(jí)數(shù)n151413121110環(huán)的位置mm右左環(huán)的直徑dnd2/mm2md2/mm2nD=(d2-d2)/mm2m n數(shù)據(jù)處理要求： 計(jì)算R以及R的不確定度，寫出結(jié)果表達(dá)式。(1)計(jì)算R0工D.D=i6d2-d2DR-m n —4入(m-n)4x15入(2)求亠以及eRo產(chǎn)(D-D.)2A=：一D 6-1E=_Dx100%R方A=R?ERRR=R+A結(jié)果表達(dá)： R

五、注意事項(xiàng)1.應(yīng)盡量使叉絲對(duì)準(zhǔn)干涉暗環(huán)的中央讀數(shù)。2?由于計(jì)算R時(shí)，只需知道環(huán)數(shù)差（m-n），故以哪一環(huán)為第一環(huán)可以任意選擇，但一經(jīng)選定,在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中就不能改變。3?注意讀數(shù)不要數(shù)錯(cuò)，測(cè)量時(shí)應(yīng)向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，防止空程誤差，否則數(shù)據(jù)全部作廢。4?測(cè)量過(guò)程中防止震動(dòng)引起干涉條紋的變化。5?實(shí)驗(yàn)時(shí)要將讀數(shù)顯微鏡臺(tái)下的反射鏡翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，不要讓光從窗口經(jīng)反射鏡把光反射到載物臺(tái)上，一面影響對(duì)暗環(huán)的觀測(cè)。六、思考題1） 讀數(shù)顯微鏡如何正確操作？2） 空程差是如何產(chǎn)生的，怎么消除？提示：移動(dòng)讀數(shù)顯微鏡，使其從左右兩個(gè)方向?qū)?zhǔn)同一目標(biāo)的兩次讀數(shù)，似乎應(yīng)該相同，但實(shí)際上由于螺桿和螺套不可能完全密切接觸，螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變時(shí)它們的接觸狀態(tài)也將改變，兩次讀數(shù)將不同，由此產(chǎn)生的測(cè)量誤差稱為空程誤差。為了避免空程誤差，使用讀數(shù)顯微鏡時(shí)，應(yīng)沿同一方向移動(dòng)讀數(shù)顯微鏡，使叉絲對(duì)準(zhǔn)各個(gè)目標(biāo)。3） 為什么不采用r2=kR作為測(cè)量表達(dá)式？k提示：a）提示：a）用公式R=r2—r2——m n——九(m—n)代替公式r=①kR來(lái)測(cè)量，可以消除牛頓環(huán)裝置因變形或塵埃而產(chǎn)生的誤差；同時(shí)還可以消除k的起點(diǎn)確定誤差b）用直徑測(cè)量代替不易測(cè)準(zhǔn)的半徑測(cè)量，即b）用直徑測(cè)量代替不易測(cè)準(zhǔn)的半徑測(cè)量，即R=d2—d2 m n—4X(m—n)4） 為什么要采用單色光作為光源？提示：如果九有一定的寬度A尢，會(huì)給A提示：如果九有一定的寬度A尢，會(huì)給AR帶來(lái)一個(gè)誤差分量從測(cè)量公式R=mV知道,4(m—n)扎◎r）廣喬嬴號(hào)’顯然仃。時(shí)’（AR）廣°，故應(yīng)使用單色光。5）測(cè)dm時(shí)，叉絲交點(diǎn)未通過(guò)環(huán)的中心，因而測(cè)量的是弦而非直徑，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響嗎?

提示：沒有影響。可以證明兩弦的平方差與兩直徑的平方差相等。設(shè)小圓弦長(zhǎng)X],大圓弦長(zhǎng)x2,則有:2=r設(shè)小圓弦長(zhǎng)X],大圓弦長(zhǎng)x2,則有:2=ri2-h2=2-h22=r-h2=2-h2兩式相減有：x2-