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用牛顿环测曲率半径.ppt
用牛顿环测定透镜的曲率半径 五邑大学物理实验中心 2010.9 光的等厚干涉——牛顿环 实验目的要求: 1. 理解牛顿环干涉条纹的成因及特点 2.读数显微镜的调整和使用 3. 学习用等厚干涉法测量透镜的曲率半径; 4. 学会用逐差法处理实验数据。 实验原理 17世纪初,物理学家牛顿在考察肥皂泡及其他薄膜干涉现象时,把一个玻璃三棱镜压在一个曲率已知的透镜上,偶然发现 干涉圆环,并对此进行了实验观测和研究。 发现,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圈,用单色光照射,则出现明暗相间的单色圆圈。这是由于光的干涉造成的,这种光学现象被称为“牛顿环”。 托马斯·杨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,进而引导他对牛顿环进行研究, 他用自己创建的干涉原理解释牛顿环的成 因和薄膜的彩色,并第一个近似地测定了 七种色的光的波长,从而完全确认了光的 周期性,为光的波动理论找到了又一个强 有力的证据。 牛顿环干涉条纹的成因 牛顿环干涉条纹的特点 1.分振幅、等厚干涉; 2.明暗相间的同心圆环; 3.级次中心低、边缘高; 4.间隔中心疏、边缘密; 5.同级干涉,波长越短, 条纹越靠近中心。 牛顿环测透镜曲率半径的原理 读数显微镜 读数显微镜的视差 牛顿环的应用 实验内容 1、调节读数显微镜,找出牛顿环干涉条纹。 2、按书中数据记录表格,从左到右移动目镜,读出从外到内若干环的位置读数。 3、用逐差法计算被测透镜的曲率半径。 误差的主要来源与分析 1、条纹的定位精度(偶然误差) 定位误差的大小在条纹宽度的1/5~1/10。 解决办法:取级次较高的环进行测量。 2、叉丝不平的影响(系统误差) 显微镜叉丝与显微镜移动方向不平行产生的误差。 解决办法:改直径测量为弦长测量。 3、平凸透镜的不稳定性(偶然误差/系统误差) 由固定螺丝的松紧度不同造成。 解决办法:镜间加很薄的环形垫圈进行固定。 仪器实物 预习与思考 1.用移测显微镜测量牛顿环直径时,若测量的不是干涉环的直径,而是干涉环的同一直线上的弦长,对实验是否有影响?为什么? 2.透射光能否形成牛顿环?它和反射光形成的牛顿环有什么区别? 3.用同样的方法能否测定凹透镜的曲率半径? 4.有时牛顿环中央会出现亮斑,这是为什么? 5.实验中,若平板玻璃上有微小的凸起,则凸起处的干涉条纹发生变化。此时干涉条纹如何变化? * * 光程差: 第k级暗条纹的半径为: 由干涉条件: 明环 暗环 由图可见: Dk+m Dk dA2 ①透镜凸面与平板玻璃表面间并非理想的点接触,难以准确判断干涉级次k及环的圆心位置; ②读数显微镜目镜中的‘十字叉丝’ 不易做到与干涉条纹严格相切。 测量时不用 原因: dA1 目镜 物镜 上下移动旋钮 水平移动旋钮 读数标尺 读数盘 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 读数显微镜的成像光路 F1 F1 F2 F2 f1 f2 △ L 视角放大率: M = 0.25△/f1 f2 目镜 物镜 叉丝平面 明视距离 显微镜调焦第一步:旋转目镜 F1 F1 目镜 物镜 叉丝平面 明视距离 F2 F2 F2 F2 F2 F2 使十字叉丝成象在明视距离处 显微镜调焦第二步:调节升降螺旋 叉丝平面 明视距离 目镜 物镜 F1 F1 F2 F2 成虚象范围 使物成象在与叉丝象相同的平面上 成因:叉丝与物的象不共面 消除方法:仔细调焦 叉丝像平面 物像平面 视差 共面 无视差 ◎牛顿环等厚干涉条纹的形状反映了两个光学表明间距变化情况。利用牛顿环可以检测光学球面(或平面)的加工质量。 ◎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,就可以测量其折射率n
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