牛顿环测平凸透镜曲率半径.ppt

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1、牛顿环测平凸透镜曲率半径,主要内容,实验简介 实验目的 实验装置 实验原理 实验内容 注意事项 课后思考,实验简介,牛顿环是一种光的等厚干涉现象，是光的波动性的有力证据之一，牛顿首先发现并对其作了精确地定量测定。可以说，牛顿已经走到了光的波动说的边缘，但他过分偏爱微粒说，始终无法正确解释这个现象。直到19世纪初，英国科学家托马斯杨才用光的波动说完满的解释了牛顿环现象。本实验通过牛顿环研究光的干涉现象，测定平凸透镜的曲率半径，学习测量微小长度，使学生加深对光的等厚干涉的理解。,牛顿环的应用,牛顿环在工业测量中应用广泛，如测量光波波长、测量微小角度或薄膜厚度、检测光学元件表面加工质量、测量液体、气

2、体折射率等。牛顿环等厚干涉条纹的形状反映了两个光学表面间距变化情况。利用牛顿 环可以检验光学球面度、表面度、光洁度；根据本实验原理，已知曲率半径的牛顿环可测定单色光的波长。在牛顿环仪的镜面充满透明的液体光学介质，就可以测量液体折射率n。可进行光谱分析、研究光谱线的超精细结构以及光学元件的成像质量。利用全息干涉技术还可以无损检测材料的微小应变、内部缺陷等。,产品商标,能量色散X射线光谱仪,成像光谱效果图,红外光谱仪,傅里叶变换光谱仪,手持式光谱仪,实验目的,观察牛顿环干涉条纹的特点，加深 对光的波动性的认识。掌握利用牛顿环测量平凸透镜曲率半径的方法。学会使用读数显微镜。,重点学习内容：,牛顿环的

3、形成原理。利用牛顿环是如何实现测定凸透镜曲率半径的。本实验降低系统误差的方法。,英国科学家牛顿于1675年在制作天文望远镜时，偶然发现了牛顿环现象。他用一个曲率半径大的凸透镜和一个平面玻璃相接触，用白光照射时，其接触点出现明暗相间的同心彩色圆环，用单色光照射，则出现明暗相间的单色圆环。这一干涉现象是牛顿发现的，因而称为“牛顿环”。,牛顿环现象的产生,托马斯杨是英国物理学家，他是波动光学的奠基者之一。他发现利用透明物质薄片同样可以观察到干涉现象，由此对牛顿环进行研究，他创建的干涉原理解释了牛顿环的成因和薄膜的彩色，并第一个近似地测定了七种颜色光的波长，从而完全确认了光的周期性，为光的波动理论找到

4、了又一个强有力的证据。,牛顿环,将一曲率半径相当大的平凸透镜放在一平面玻璃的上面，则在两者之间形成一个厚度随直径变化的空气隙。空气隙的等厚干涉条纹是一组明暗相间的同心环。该干涉条纹最早被牛顿发现，所以称为牛顿环（Newton-,牛顿环仪,牛顿环干涉条纹的特点,分振幅、等厚干涉；明暗相间的同心圆环；级次 中心低、边缘高；间隔 中心疏、边缘密；同级干涉，波长越短,条纹越靠近中心。,半波损失,波传播过程中，遇到波疏介质反射，反射点入射与反射波相位相同。波由波密介质反射，反射点入射波与反射波的相位差，光程差为/2，由于光疏介质到光密介质而产生的半波损失。对光波而言，折射率大的介质反射具有半波损失。,读

5、数显微镜,目镜,上下移动旋钮,物镜,水平移动旋钮,读数盘,读数标尺,读数显微镜：由显微镜与移动测量装置组成,显微镜：由目镜、分划板和短焦距物镜组成,钠 灯,钠光灯是一种气体放电灯。在放电管内充有金属钠和氩气。开启电源的瞬间，氩气放电发出粉红色的光。氩气放电后金属钠被蒸发并放电发出黄色光。（应予热五分钟再开始测量）。钠光在可见光范围内两条谱线的波长分别为589.59nm和589.00nm。这两条谱线很接近，取其平均值589.30nm为波长，所以可以把它视为准单色光源,实验原理,在空气厚度为e的地方，上下表面反射光的光程差为2e+/2，其中后一项是“半波损失”。光程差为(2k+1)/2处为干涉暗条

6、纹，得到曲率半径计算公式：,牛顿环测透镜曲率半径的原理,从公式看出不需确定环的级数，只需测出环数差(m-n),避免级次和中心无法确定。将不易测得量转化为易测量,分析光程差，取n=1(考虑半波损失)目的:消去e 计算环的半径,实验中采用暗环条件，测量平凸透镜的曲率半径,(eR),得：,略去e2,1.压力会使平板玻璃和平凸透镜的接触点变为圆斑（甚至不规则），导致各暗环的中心不能确定。2.灰尘会引起附加的光程差，导致各暗环的绝对级次不能确定。3.中心为暗斑时，可能会覆盖其附近的几级条纹，因此直接数级数时，也会数不准，影响实验结果,实验中采用,取级数：mn,注：曲率半径与级次无关只与级次差有关系,5-

7、2=3,2,7-4=3,公式演变,证明：,两边同乘以，得：,理论推导式子：,仪器布置,接通钠光源，预热5分钟后，使读数显微镜物镜对准牛顿环的中央部分 光源对准物镜筒下方的45平板玻璃，调节平板玻璃方向，使光垂直照在平凸透镜装置上。此时通过目镜可以看到明亮的黄色光，满足入射光垂直于透镜的要求。调节目镜焦距:清晰地看到十字叉丝，然后自下而上移动显微镜镜筒（为防止压坏被测物体和物镜，不得由上向下移动！），看清牛顿干涉环。测平凸透镜的曲率半径取m-n=20。选择暗条纹测量，转动鼓轮旋钮，从中心数到40环,在转回36圈,使叉丝由第36圈向第35圈移动直至叉丝交点与第35圈相切，读取第35圈位置，继续朝同

8、一方向移动叉丝边移动边读数至左边第11圈，仍按原方向移动叉丝（为防止产生空程差），越过中央暗环，按同样方法读取右第11圈至右第35圈；列表并求出暗环的直径。（同方向一气呵成读数）用逐差法处理数据。,实验内容,注意事项,观察反射光牛顿环时需要遮住显微镜载物台下的反 光镜。读数显微镜调焦时，先使物镜接近被测物，然后 使镜筒慢慢自下而上移动，这就避免了两者相撞的危 险。保证水平方向的叉丝与显微镜的标尺平行。透镜与平板玻璃间的压力不能太大使牛顿环变形，也不能太小，需要保证暗环中心稳定处于牛顿环仪 的中心。,空程误差属系统误差，由螺母与螺杆间的间隙造成；,读数显微镜的空程误差,在齿合前，轻轻转动螺尺手柄

9、，螺尺读数变化，而游标并没有移动。消除方法：测量时只能同一方向转动螺尺。,数据处理,记录原始数据 用逐差法处理数据,求出曲率半径.薄纸片厚度的计算 不确定度评定 结果表达式,注意：数据记录表格同学自行拟制.,（P=68.3%）,误差分析,不确定度评定,先分别计算u(D30)和u(D15),其中B类不确定度均可取。由传递关系计算R的不确定度。用同样的方法计算d的不确定度。不确定度有效数字取1-2位。,从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？,应用例子:可以用来测量光波波长，用于检测透镜质量，曲率半径等.,属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？,课后思考,此实验中采取了那些措施，避免或减少误差？从牛顿

10、环装置透射的光形成的干涉圆环与反射光形成的干涉圆环有何不同？如果被测透镜是平凹透镜，能否应用本实验方法测定其凹面曲率半径？牛顿环中央图样是怎样的？若在透镜四周均匀轻微加压，将看到什么现象？有兴趣的同学可以参考相关资料思考一下以上问题！,选作：劈尖干涉,将两块光学平板玻璃重叠在一起，在一端插入一薄纸片（或细丝），则在两玻璃板间形成一空气劈尖。当一束平行单色光垂直入射时，由空气层上下表面反射的光将在空气层上表面处发生干涉，形成一组平行于交棱的明暗相间、等间距的直条纹。,L,d,薄纸片或头发丝,平板玻璃,平板玻璃,3）条纹间距（明纹或暗纹）,2）相邻明纹（暗纹）间的厚度差,操作要点,仪器布置 观测干涉条纹 测量直径 测量薄纸片厚度,测量薄纸片厚度,由于相邻条纹之间的距离很小，为了减小测量误差，通常测量n条干涉暗条纹之间的距离。取n=10，横向改变显微镜筒位置，使叉丝与某级暗纹重合读取X0,继续朝同一方向移动叉丝,每隔10条暗纹依次读取X1，X2，X5。测量交棱到纸边的距离L，重复测5次。,