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实验内容

牛顿环实验
2013-11-19 12:53  

一、实验目的

1、观察等厚干涉现象,了解等厚干涉的原理和特点;

2、学习用牛顿环测量透镜曲率半径;

3、正确使用测量显微镜,学习用逐差法处理数据。

二、实验仪器

读数显微镜、牛顿环、钠光灯

三.实验原理

将一块曲率半径R很大的平凸透镜的凸面放在一块光学平板玻璃上,在透镜的凸面和平板玻璃之间形成一层空气薄膜,当以波长为的平行单色光垂直入射时,入射光将在平凸透镜的下表面和平板玻璃的上表面反射,反射光在空气薄膜的上表面处相互干涉。如1。因此,在显微镜下观察到的干涉条纹,是一簇以接触点处为圆心的明暗交替的同心圆环,其中心处为一暗斑,离中心越远圆环分布越密,这种干涉图样称为牛顿环,如2a)所示。

若以表示空气隙某位置处的厚度,以表示两束反射光的光程差,根据干涉条件

                1

由式(1)可以看出,光程差取决于产生反射光的薄膜厚度,同一条干涉条纹所对应的空气薄膜厚度相同,故称为等厚干涉。

表示第级暗环的半径,表示该级暗环处对应的空气隙的厚度,可由14-2b)中的直角三角形得

                    2

由于,可以将略去,再把暗环形成条件代入式(2),得

       ……              3

但是透镜与平板玻璃接触时,由于压力引起玻璃弹性变形,接触处成为一个圆面。因此,牛顿环中心不是一个点而是一个清晰的圆斑,这就使难以准确测定。用暗环直径代替其半径,由式(3)可推得

                           4

此式不含,只需数出相对级数差,测出对应的暗环直径,即可求得透镜曲率半径R

 

 

 

 

 

 

                              

             

 (a) 俯视          (b) 侧视                                                                 

1:观测牛顿环示意图            2:用牛顿环测量透镜曲率半径示意

四、实验内容与步骤

测量前先调整好测量显微镜,使十字叉丝清晰,且分别与XY轴大致平行,在后将目镜固紧。用钠光灯作为单色光源,波长。将牛顿环装置放在测量显微镜载物台上,轻轻转动镜筒上的反光玻璃片M,使它对准光源的方向,且倾角约为45°,这时显微镜中视场较明亮,如图二所示。转动显微镜调焦手轮进行聚焦,直至观察到清晰的一簇同心圆条纹为止。在中心圆斑左侧选定某一牛顿环为第6级,顺次向左数至第16级,然后倒回来使叉丝垂直线对准第15级暗环,转动X轴测微鼓轮,垂直线对准(与干涉环相切)第15级暗环,开始读取位置读数,逐个条纹测量直到第6级。继续向右移动载物台,经过中心圆斑后,直至右侧选定的第6级暗环又开始读数,逐条测到第15级为止。读数时,使载物台朝一个方向移动的目的是为了避免螺距差。

 

五、思考题

 

1、在牛顿环实验中,如果平板玻璃上有微小的凸起,将导致牛顿环了生畸变。试问该处的牛顿环将局部内凹还是外凸?为什么?

2、如果牛顿环中心是个亮斑,分析一下是什么原因造成的?对R的测量有无影响?试证明之。

3、为什么牛顿环离中心越远,条纹越密?

4、透射光的牛顿环是怎样形成的?如何观察?它和反射光的牛顿环在明暗上有何区别?

5、用白光作为光源,能否观察到牛顿环干涉条纹?为什么?

 

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