牛頓環(huán)鈉光燈課件

一、實驗背景與其現(xiàn)代應用二、實驗目的三、實驗儀器四、實驗原理五、實驗內(nèi)容六、數(shù)據(jù)記錄與處理七、問題討論等傾干涉、牛頓環(huán)一、實驗背景與其現(xiàn)代應用1.背景知識

17世紀初，物理學家牛頓在考察肥皂泡及其他薄膜干涉現(xiàn)象時，把一個玻璃三棱鏡壓在一個曲率已知的透鏡上，偶然發(fā)現(xiàn)干涉圓環(huán)，并對此進行了實驗觀測和研究。他發(fā)現(xiàn)，用一個曲率半徑大的凸透鏡和一個平面玻璃相接觸，用白光照射時，其接觸點出現(xiàn)明暗相間的同心彩色圓圈，用單色光照射，則出現(xiàn)明暗相間的單色圓圈。他仔細觀察了白光在空氣薄層上干涉時所產(chǎn)生的彩色條紋，從而首次認識了顏色和空氣層厚度之間的關(guān)系。1675年，他在給皇家學會的論文里記述了這個被后人稱為牛頓環(huán)的實驗，但是牛頓在用光是微粒流的理論解釋牛頓環(huán)時卻遇到困難。19世紀初，托馬斯.楊用光的干涉原理解釋了牛頓環(huán)。2.用途光的等厚干涉在現(xiàn)代精密測量技術(shù)中，有很多重要的應用，一直是高精度光學表面加工中檢驗光潔度和平直度的主要手段，還可以精密測量薄膜的厚度和微小角度、測量曲面的曲率半徑，研究零件的內(nèi)應力分布，測量樣品的膨脹系數(shù)等。測細小直徑測厚度測微小變化測表面不平度等厚條紋待測工件平晶Δh待測塊規(guī)λ標準塊規(guī)平晶塊規(guī)校準裝置

測波長測折射率二、實驗目的觀察光的等厚干涉現(xiàn)象，通過實驗加深對干涉現(xiàn)象的理解；掌握移測顯微鏡的使用方法，并用牛頓環(huán)測量平凸透鏡的曲率半徑。利用劈尖干涉測量薄片厚度掌握用逐差法處理數(shù)據(jù)以消除誤差的方法說明：本實驗涉及到的主要的理論知識有逐差法處理數(shù)據(jù)(建議進行不確定度計算)，干涉法測量平凸透鏡的曲率半徑；涉及的實驗技術(shù)有移測顯微鏡的使用、光源的使用、牛頓環(huán)、劈尖的調(diào)節(jié)等。三、實驗儀器目鏡物鏡、透反鏡調(diào)焦手輪水平移動旋鈕讀數(shù)標尺測微鼓輪讀數(shù)盤移測顯微鏡測量顯微鏡、牛頓環(huán)、鈉光燈、劈尖裝置和待測細絲或薄板等讀數(shù)標尺最后讀數(shù)為：33.246mm

鏡筒移動式移測顯微鏡可分為測量架和底座兩大部分。在測量架上裝有顯微鏡筒和螺旋測微裝置。顯微鏡的目鏡用鎖緊圈和鎖緊螺釘固緊于鏡筒內(nèi)。物鏡用螺紋與鏡筒連接。整體的鏡筒可用調(diào)焦手輪對物調(diào)焦。旋轉(zhuǎn)測微鼓輪，鏡筒能夠沿導軌橫向移動，測微鼓輪每旋轉(zhuǎn)一周，顯微鏡筒移動１ｍｍ，鏡筒的移動量從附在導軌上的５０ｍｍ直尺上讀出整毫米數(shù)，小數(shù)部分從測微鼓輪上讀。測微鼓輪圓周均分為１００個刻度，所以測微鼓輪每轉(zhuǎn)一格，顯微鏡移動０.０１ｍｍ。測量架的橫桿插入立柱的十字孔中，立柱可在底座內(nèi)轉(zhuǎn)動和升降，用旋手固緊。

鼓輪讀數(shù)測微盤讀數(shù)顯微鏡的空程誤差空程誤差屬系統(tǒng)誤差，由螺母與螺桿間的間隙造成；在齒合前，輕輕轉(zhuǎn)動螺尺手柄，螺尺讀數(shù)變化，而游標并沒有移動。消除方法：測量時只往同一方向轉(zhuǎn)動螺尺。螺桿螺尺鈉光燈牛頓環(huán)劈尖鈉燈

鈉光燈是一種氣體放電燈。在放電管內(nèi)充有金屬鈉和氬氣。開啟電源的瞬間，氬氣放電發(fā)出粉紅色的光。氬氣放電后金屬鈉被蒸發(fā)并放電發(fā)出黃色光。鈉光在可見光范圍內(nèi)兩條譜線的波長分別為589.6nm和589.0nm。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589.3nm為波長。

牛頓環(huán)儀平凸透鏡平板玻璃平凸透鏡與平板玻璃組合成牛頓環(huán)儀劈尖實驗光路圖鈉光燈牛頓環(huán)四、實驗原理（1）等厚干涉

兩塊玻璃板A和B疊放起來，中間形成一層空氣薄膜。設(shè)光線1垂直入射到厚度為d的空氣薄膜上。入射光線在A的下表面和B的上表面分別產(chǎn)生發(fā)射光線，其中在B表面反射時，發(fā)生半波損失。兩反射光在A上方相遇，因滿足相干條件而產(chǎn)生干涉。反射光的光程差為：K=1,2,3,…時，出現(xiàn)亮紋

K=0,1,2,…時，出現(xiàn)暗紋

（2）牛頓環(huán)

圖

凸透鏡干涉光路圖

形成暗環(huán)的條件：由以上各式：（1）（2）（3）（4）

實際上，由于兩鏡面接觸點之間難免存在塵埃，使光程差產(chǎn)生難以確定的變化，中央暗點可變?yōu)榱咙c或若明若暗；再者，接觸壓力引起的玻璃形變會使接觸點擴大成一個接觸面，以致接近圓心處的干涉條紋也是寬闊而模糊的。這就帶來某種程度的不確定性。為此根據(jù)式（3）：兩式相減得：

只要測定各環(huán)的環(huán)數(shù)差，而不必確定實際級數(shù)；而且牛頓環(huán)的直徑還可以用移測顯微鏡在環(huán)中心不確定的情況下測出，避免了環(huán)級數(shù)和環(huán)心無法確定的困難。（3）劈尖干涉

在疊合的兩塊平板玻璃的一端夾一薄片，即構(gòu)成空氣的劈形膜。在單色光垂直照射下，可見空氣膜上形成平行于兩塊玻璃面交線的等距干涉條紋。形成暗條紋的條件為：與ｋ級暗條紋對應的空氣膜厚度

白光入射時的牛頓環(huán)單色光入射時的牛頓環(huán)單色光入射時的劈尖圖樣（4）實驗現(xiàn)象半波損失波傳播過程中，遇到波疏介質(zhì)反射，反射點入射波與反射波有相同的相位。波由波密介質(zhì)反射，反射點入射波與反射波的相位差π，光程差為λ/2，即產(chǎn)生了半波損失。對光波說，來自大折射率介質(zhì)的反射具有半波損失。

五、實驗內(nèi)容（一）牛頓環(huán)1、手托一牛頓環(huán)，講解牛頓環(huán)的調(diào)節(jié)（同時打開鈉光燈源）借助室內(nèi)的燈光，用眼睛觀察牛頓環(huán)，看到一黑點位于鏡框的中心，周圍的干涉條紋呈圓環(huán)形。若黑點不在鏡筐中心，輕微旋動金屬鏡框上的調(diào)節(jié)螺絲，使環(huán)心面積最小，并穩(wěn)定在鏡框中心。2、然后把牛頓環(huán)放在顯微鏡筒正下方的載物臺上，講解移測顯微鏡的使用方法。調(diào)節(jié)鏡筒的立柱，使鏡筒有適當?shù)母叨取ｇR筒下反射玻璃片對準光源方向，讓鈉黃光經(jīng)玻璃片反射進入牛頓環(huán)，利用升降臺上下調(diào)節(jié),使顯微鏡視場中亮度最大,此時可見顯微鏡視場充滿明亮的黃光。若此時顯微鏡視場看不到黃光，可以利用聚焦手輪調(diào)節(jié)鏡筒的高度。若顯微鏡視場半暗半明，應調(diào)節(jié)反射玻璃片的角度或左右移動讀數(shù)顯微鏡的位置。（注意應把底座的反射鏡的背面對光源，這樣才能避免鈉光經(jīng)底座下的反射鏡反射后射入牛頓環(huán)。）為了消除測顯微鏡在改變移動方向時可能產(chǎn)生的螺紋間隙誤差，移動時必須向同一方向旋轉(zhuǎn)，中途不可倒退。開始時使讀數(shù)鼓輪做單向移動，看鼓輪上的零點與直尺示值是否對齊。如不對齊可多旋轉(zhuǎn)幾周，使它們對齊為止。并在測量前使目鏡筒在顯微鏡量程的中部。調(diào)節(jié)顯微鏡的目鏡，使目鏡中看到的叉絲最為清晰，調(diào)節(jié)聚焦手輪，使鏡筒接近牛頓環(huán)，緩慢調(diào)節(jié)聚焦手輪，使顯微鏡自下而上緩慢地上升（這可避免物鏡與被測物相碰的危險）直到從顯微鏡目鏡清晰的看見牛頓環(huán)為止。用手移動牛頓環(huán)儀使干涉環(huán)位于顯微鏡的視野中心。3、提出本實驗的基本要求（完成基本要求后可自行做相關(guān)研究、測量）

測量各級牛頓環(huán)直徑。為了方便起見，取m-n=20。轉(zhuǎn)動測微刻度輪使鏡筒相左移動，按順序數(shù)出暗環(huán)的環(huán)數(shù)，直至第35環(huán)。然后反轉(zhuǎn)至第30環(huán)，（這一步很重要）紀錄讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)。繼續(xù)轉(zhuǎn)動測微刻度輪，依次讀出第29環(huán)……第25環(huán)的讀數(shù)。由第24環(huán)數(shù)至第16環(huán)不讀數(shù),記下15、14、13、12、11、10等環(huán)的讀數(shù)。再繼續(xù)轉(zhuǎn)動測微刻度輪，使十字叉絲越過干涉環(huán)中心至右邊的第10環(huán),記下10、11、12、13、14、15等環(huán)的讀數(shù)。由第16環(huán)數(shù)至第24環(huán)不讀數(shù)。再讀取第25環(huán)……第30環(huán)的讀數(shù)。求各暗環(huán)的直徑，用逐差法處理所得數(shù)據(jù)，求出直徑平方差代入公式計算R，并計算不確定度。(2)用劈尖干涉法測微小厚度(微小直徑)劈尖的調(diào)節(jié)：將被測細絲(或薄片)夾在兩塊平玻璃之間,使干涉條紋平行且與棱邊平行。將劈尖置于顯微鏡載物臺上。用顯微鏡觀察并描繪出劈尖干涉的圖像。改變細絲在平玻璃板間的位置,觀察干涉條紋的變化。當波長已知時,在顯微鏡中數(shù)出干涉條紋數(shù)m,即可得相應的薄片厚度。一般m值較大,為避免計數(shù)m時出現(xiàn)差錯,可先測出某長度LX間的干涉條紋數(shù)X,得出單位長度內(nèi)的干涉條紋數(shù)n=X/LX。若細絲與劈尖棱邊的距離為L,則共出現(xiàn)的干涉條紋數(shù)為m=n·L。將其代入公式中，可得到薄片的厚度為s=n·L·λ/2。4.強調(diào)實驗注意事項1)測量過程中要注意消除顯微鏡的空程差。使用讀數(shù)顯微鏡進行每一組數(shù)據(jù)的測量時，顯微鏡的測微鼓輪只能向一個方向旋轉(zhuǎn)，即鏡筒在測量中只能沿著一個方向移動，測量中途不能反向；2)由于暗條紋有一定的寬度，其中心不易找準，所以在測量牛頓環(huán)的直徑時，應使顯微鏡的縱絲在圓環(huán)一側(cè)時與條紋外側(cè)相切，而在另一側(cè)時則應與條紋內(nèi)側(cè)相切；在測量劈尖干涉條紋的間距時，縱絲每次應與明、暗條紋的交界線重合；測量劈尖長度時，劈尖棱邊和箔片處均以內(nèi)側(cè)位置為準；3)測量時應注意防止被測物件的滑動；4)由于讀數(shù)顯微鏡的量程較短（左右），所以每次測量前均應將顯微鏡鏡筒放置在主刻度尺的適當位置，以避免未測量完成而鏡筒卻已移到了主刻度尺的端頭。5)螺絲不能擰得過緊，以免干涉條紋變形，導致測量失準或光學玻璃破裂）。5、其它主要工作：1)講課后立即檢查光源是否正常，學生做實驗前準備工作。2)學生開始做實驗10分鐘后，檢查學生顯微鏡、牛頓環(huán)或劈尖的調(diào)節(jié)情況，如遇不會調(diào)整的，邊操作邊指導，使其掌握。3)要求學生50分鐘左右完成牛頓環(huán)相關(guān)數(shù)據(jù)測量，計算測量結(jié)果。再40分鐘左右完成劈尖相關(guān)數(shù)據(jù)測量，計算測量結(jié)果。4)用10分鐘左右進行白光的干涉結(jié)果觀察。5)檢查數(shù)據(jù)，簽字。六、數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)處理：用逐差法處理數(shù)據(jù)消除誤差。較完善的數(shù)據(jù)處理方法是：將數(shù)據(jù)分作前后兩半，分別求出后半第一項與前半第一項的平方差，后半第二項與前半第二項的平方差，……余類推,先分別求平方差值,再求其平均值.這樣處理的目的為了充分利用所得的全部數(shù)據(jù)和提高測量結(jié)果的準確性。環(huán)的級數(shù)

m

30

29

28

27

26

環(huán)的位置讀數(shù)

右環(huán)

7.789

7.923

8.005

8.085

8.188

左環(huán)

17.440

17.289

17.268

17.118

17.088

環(huán)的直徑

dm

9.651

9.366

9.263

9.103

8.908

環(huán)的級數(shù)

n

10

9

8

7

6

環(huán)的位置讀數(shù)

右環(huán)

9.891

9.998

10.162

10.313

10.485

左環(huán)

15.406

15.200

15.092

14.941

14.789

環(huán)的直徑

dn

5.515

5.202

4.930

4.628

4.304

(mm2)dm2

93.141

87.721

85.803

82.864

79.352

dn2

30.415

27.061

24.305

21.418

18.524

(dm2-dn2)

62.726

60.660

61.498

61.446

60.828

Δ(dm2-dn2)

1.294

2.066

0.772

0.014

0.604

由分組逐差后求其平均值得：A類不確定度為B類不確定度為合成不確定度為測量結(jié)果為差數(shù)平均法在處理兩個被測量（其中自變量必須為等距變化）的測量數(shù)據(jù)時，差數(shù)平均法有其獨特的優(yōu)點。用差數(shù)平均法處理線性關(guān)系數(shù)據(jù)的基本過程分為兩步：1．逐項逐差。將所得實驗數(shù)據(jù)每相鄰項相差。其目的是檢查測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，檢查測量數(shù)據(jù)是否為等距變化。通過相差結(jié)果可發(fā)現(xiàn)一些測量或讀數(shù)的錯誤。所以此過程應在實驗中進行。2．分組逐差。將所得測量數(shù)據(jù)按遞增或遞減方式排列，然后將數(shù)據(jù)分為前后個數(shù)相等兩組，將兩組數(shù)據(jù)中的對應項相減。根