大学物理实验讲义实验牛顿环.docx

用牛顿环测曲率半径光的干涉现象证实了光在传播过程中具有波动性光的干涉现象在工程技术和科学研究方面有 着广泛的应用获得相干光的方法有两种：分波阵面法（例如杨氏双缝干涉、菲涅尔双棱镜干涉等） 和分振幅法（例如牛顿环等厚干涉、迈克尔逊干涉仪干涉等）本实验主要研究光的等厚干涉中的 两个典型干涉现象，即牛顿环和劈尖干涉，它们都是用分振幅方法产生的干涉，其特点是同一条干 涉条纹处两反射面间的厚度相等，故牛顿环和劈尖都属于等厚干涉在实际工作中，通常利用牛顿 环来测量光波波长，检查光学元件表面的光洁度、平整度和加工精度，利用劈尖来测量微小长度、 薄膜的厚度和固体的热膨胀系数等实验目的】1.2.3.4.观察光的干涉现象及其特点学习使用读数显微镜利用牛顿环干涉测量平凸透镜的曲率半径R 利用劈尖干涉测量微小厚度仪器用具】读数显微镜、钠光灯、牛顿环装置、劈尖【实验原理】1.牛顿环牛顿环干涉现象是1675年牛顿在制作天文望远镜时， 偶然地将一个望远镜的物镜放在平面玻璃上而发现的如图8-1所示，将一个曲率半径为R （R很大）的 平凸透镜的凸面放在一块平面玻璃板上，即组成了一个牛 顿环装置在透镜的凸面与平面玻璃板上表面间，构成了 —个空气薄层，其厚度从中心触点O （该处厚度为零） 向外逐渐增加，在以中心触点O为圆心的任一圆周上的 各点，薄空气层的厚度都相等。

因此，当波长为 的单色 光垂直入射时，经空气薄层上、下表面反射的两束相干光 形成的干涉图象应是中心为暗斑的宽窄不等的明暗相间 的同心圆环此圆环即被称之为牛顿环由于这种干涉条 纹的特点是在空气薄层同一厚度处形成同一级干涉条纹， 因此牛顿环干涉属于等厚干涉i\ T■l\\R. \ \|-” *O1(a)入射光dKX i（右）D1X1(左)D4X4（左）(b)X4右)图8-1牛顿环的产生设距离中心触点0半径为rK的圆周上某处，对应的空气薄层厚度为dK，则由空气薄层上、下 表面反射的两束相干光的光程差为r22R根据干涉条件，两束相干光当光程差为波长的整数倍时互相加强，光程差为半波长的奇数倍时互相抵消，因此，第K级明环和暗环的形成条件是：8 = KXa 九8 — （2K +1） 2为暗环（8-4 ）可求得第K级明环和暗环的半径为：为明环8-3)8-4)由公式（8-1）、（8-2）、（8-3）、明环：(2K -1)Rk ! 2r = x KRkKK 二 1,2,3, A A8-5)K = 0,1,2, A A 从公式（8-5）、（8-6）可知，在平凸透镜凸面与平面玻璃的接触点 环为暗环，实际观察到的是一个暗圆斑。

2.透镜曲率半径R的测量方法及系统误差的处理方法 如果已知入射光波长九，则只要设法测得明环或是暗环的半径， 式求得平凸透镜的曲率半径R值，反之，当曲率半径R已知时，则可求得波长九值但是，由于玻璃的弹性形变及接触处不干净等原因，使接触处不可能是一个几何点，即中心点 的半径不为零，这使得在环心处平凸透镜与平面玻璃之间有一附加厚度（其符号可正可负），环心暗环：（即r 二0）K（8-6） 处，干涉圆就可以由（8-5）、（8-6）九式中2是因为光线由光疏媒质（空气）进入光密媒质（玻璃）在交界面反射时有一位相兀的突变 而引起的附加光程差（半波损失）由图 8-1 所示的几何关系，有：因为R >> d，故可略去d2项而得:KK8-2)的干涉结果会是一个较大的暗斑，这种情况均导致每环半径r发生变化,这时如果仍用（8-5）、（8-6） K式进行计算，就势必造成较大的系统误差改用下述方法进行测量，就能消除这个系统误差假设用暗环进行测量，测出第m级和n级的暗环半径r和r，设这些数据带有上述系统误差，mn但我们可以认为：r是测准了的，误差主要是在级数m和n上，由于加上了一个附加厚度，使得在 理想的点接触时，本该是第（m + x）环之处，我们现在看到的是第m环，本该是第（n + x）环 之处，我们现在看到的是第n环。

按（8-5）、（8-6）式本该有： 上面两式是准确的，把它们平方后相减可得r2 - r 2即 R = —m n—(m - n)k若用环的直径来表示，则上式可写为8-7)D 2 - D2R = m n—4(m - n)k（8-7）式只涉及两环级数之差，而不决定于级数本身，从而消除了因级数不准带来的系统误 差另一方面，由（8-7）式可以发现，只要级数差（m-n）一定，则暗环的直径平方差也是一定值，例如（D2 -D2） = （D2 — D2） = （D2 — D2） =AA，这样，在测量中，可测量多个暗环的D和 20 10 21 11 22 12 mD值，然后用逐差法求出多个（D2 — D2），以平均值（D2 — D2）代进（8-7）式计算R，可以进 n m n m n一步减小测量误差，从而有利于进一步提高R的测量结果的精确度 上面的讨论对于明条纹也有同样的结果3. 劈尖干涉d ・图8-2 劈尖及其干涉图样劈尖及其干涉图样如图8-2所示取两块光学平 面玻璃板，使其一端接触，另一端夹一薄纸片或最细 的漆包线，这样，在两玻璃板之间就形成了一空气劈 尖当平行单色光垂直照射到玻璃板上时，由劈尖上 表面反射的光束和下表面反射的光束就有一定的光程 差。

当此二光束相遇时，就发生干涉，呈现出一组与 两玻璃板交接线相平行的、间隔相等、明暗相间的干 涉条纹设单色光的波长为九，在劈尖厚度为d处发生干 涉的二束光线的光程差为九§二2nd + - （ n为劈中媒质的折射率）要形成暗条纹，光程差必须满足以下关系：则 d 二 （K 二 0,1.2.A A ）2n由上式可知，当K = 0时，d = 0，即在两玻璃板交接线处呈现零级暗条纹如在纸片（或细 漆包线）处呈现K = N的暗条纹（即第N级暗条纹），则上式变为：此时d即为待测物的厚度N为待测物处的暗条纹级数，也就是零级暗条纹到待测物间的暗 条纹总数在N不太多的情况下可以直接数出来但一般情况N数目很大，故先测出单位长度上 的暗条纹数N0，再测出两玻璃板交接线至待测物间的距离L，则N二N0L，于是,N L d - 0 （8-8）2n如劈尖间的媒质为空气，则n-1仪器介绍】JCD2-A 型读数显微镜21. 读数显微镜概述 读数显微镜即为测量显微镜显微镜通常起放大物体的作用，而读数显微镜除放大物体外，还能测量物体的大小读数显微镜的规格型号很多，但基本结构是相同的本实验使用的是 JCD2-A型读数显微镜，测量范围为0~50mm,最小分度值为0.01mm（与螺旋测微计相同），可估读到0.001mm。

读数显微镜的优点是既有螺旋测微计的测量精度，又不会使被测物体变形、受损，还兼有低倍率显 微镜的作用2. JCD2-A 型读数显微镜的外型结构18 •标尺17•测微手轮16•锁紧手轮15.接头轴14.方轴1. 目镜"2•锁紧圈」螺钉_ — 4•调焦手轮） 5•镜筒支架6.物镜7.45反射镜12•底座8•弹簧压片9•玻璃片10. 旋转手轮11. 反光镜图8-3 JCD^A型读数显微镜的外形结构（侧视图）JCDyA型读数显微镜的外型结构如图8-3所示1~7部分为显微镜部分，调节目镜1可使十字 叉丝清晰，转动调焦手轮4可使物镜6上下移动，改变物体到物镜的距离，使物体成像清晰，调节 45°反射镜的方向可使干涉环更清晰、明亮；牛顿环（或劈尖）等物体放在玻璃片9上，用弹簧压 片8压住，转动旋转手轮10可使反射镜1 1的方向适当（即目镜视场中背景光亮度适当）；显微镜 的高度和水平位置均可调节，松开锁紧手轮13和16，显微镜可在竖直方向和水平方向移动；测得 数可从标尺18和测微手轮17读得：从标尺上读得的mm位读数加上从测微手轮上读得的数即为最 后的测得数，测微手轮的结构与读数方法与螺旋测微计类似，测微手轮每转动一周，显微镜就横移 1mm的距离，测微手轮的圆周等分为100小格，因此每一小格表示0.01mm,加上估读的一位，测微 手轮可读到0.001mm，因此最后结果可读出五位有效数字。

实验内容与要求】1. 利用牛顿环测量透镜的曲率半径 R（1） 实验装置的布置如图8-4所示2） 将牛顿环装置放置在读数显微镜的玻 璃平台上，点亮钠光灯，让钠黄光经会聚透 镜L变成平行光（也可直接使用扩展钠光源）, 照射到45°反射镜G上，则一部分光由G 反射垂直进入牛顿环装置调整牛顿环装置 的位置、45反射镜的角度和钠光灯的空间 方位（必要时还可调反光镜11的角度），使 显微镜的目镜视场中出现明亮的牛顿环干涉 条纹3） 调节目镜，使十字叉丝清晰；调节显微 镜的调焦手轮，使物镜自上而下接近牛顿环 装置，并在目镜视场中观察，直至观察到的 牛顿环最清晰为止调整一下牛顿环或显微 镜的位置，使移动测微手轮时，十字叉丝的图8-4牛顿环实验装置的布置图交点能通过牛顿环的中心，并依次与各暗环相切4）开始测量由于接近牛顿环中心处的圆环宽度变化很大，不易测准，故可以从K = 10开始测量又因为暗环较易对准，所以实验时是测量暗环直径D选择牛顿环的测量范围为K = 10〜29 （共20个环），为了消除空程差（螺距差），注意只能往一个方向进行测量，这时可安排测量顺序如下：转动测微手轮使十字叉丝向左移动到第32 环以外，然后倒回到第29环，使十字叉丝与暗环的左侧（或右侧）相切，对准并读数，记为x卄，然29左后缓慢移动十字叉丝至第28环，读出x卄，逐条依次测量x，直至测读出x卄；继续向原方向28左 i 10左转动测微手轮，越过牛顿环的中心区域至第10环，读出x ，至第11环，读出x ，逐条依次0-25)、(0-39)10右 11右测量 x ，直至测读出 x ，将全部测量数据填入下面的数据表格中。

i 29 右暗环级数K显微镜读数（mm）直径Dk =x — x K左 K右(mm)逐差方式（m-n） =101020-101121-111222-121323-131424-141525-151626-161727-171828-181929-1920212223242526272829备 注钠黄光波长九-5.893 x10 4mmR — 855.1 mm 标 （5）要求用逐差法处理数据，求得D2 -D2，然后利用（8-7）式求得R，按照 mn式计算bDm-Dn2并求相对误差 E r（6）根据实验室给定的牛顿环曲率半径标称值R二855.。