大学物理实验教案-用牛顿环测平凸透镜的曲率半径.doc

大学物理实验教案 实验名称用牛顿环测平凸透镜的曲率半径教学时数2学时教学目的和要求1、理解等厚干涉形成牛顿环的机理；2、掌握用牛顿环测量平凸透镜曲率半径的方法；3、掌握读数显微镜的调节及使用方法。教学重点1、清晰牛顿环图案的调整;2、利用牛顿环测量平凸透镜曲率半径的方法；3、除读数显微镜的空回误差。教学难点1、清晰牛顿环图案的调整;2、消除读数显微镜的空回误差教学内容1、牛顿环的产生原因；2、消除系统误差的方法介绍；3、读数显微镜的使用及注意事项4、用牛顿环测量平凸透镜曲率半径的方法教学方法先讲授，然后实际演示操作要点。教学手段学生操作，随堂检查操作情况。根据学生的操作情况将容易犯错的问题做重点提示，学生可以根据操作中遇到的具体问题个别提问。时间分配讲授30分钟，学生操作70分钟。板书设计实验目的、原理图、测量关系式、数据记录表格。主要参考资料1、杨述武等，普通物理实验（第四版）M. 北京：高等教育出版社，2007.2、郑庚兴，大学物理实验M. 上海：上海科学技术文献出版社，2004.3、黄水平，大学物理实验M. 北京：机械工业出版社，2012.4、徐扬子，丁益民，大学物理实验M. 北京：科学出版社，2006.5、李蓉，基础物理实验教程M. 北京：北京师范大学出版社，2008.实验名称：用牛顿环测平凸透镜的曲率半径实验目的：1、理解等厚干涉形成牛顿环的机理；2、掌握用牛顿环测量平凸透镜曲率半径的方法；3、掌握读数显微镜的调节及使用方法。实验仪器：牛顿环仪 读数显微镜钠灯实验原理：当把曲率半径很大的平凸透镜的凸面和一平面玻璃接触时，在透镜和平面玻璃之间形成 厚度不同的空气薄层，如图所示。用单色光投射于其上，从空气层上下两表面反射两束光将在空气层附近实现相干叠加。两束光之间的光程差随空气层厚度而变，空气层厚度相同处反射的两光束具有相同的光程差，所以干涉条纹是以接触点C为中心的一组明暗相间的同心圆环，称为牛顿环。牛顿环是典型的分振幅、等厚干涉条纹，常用它来检查一些介质的表面情况。在图中，R是被测透镜凸面的曲率半径，rk是由中心往外数第k个圆条纹的半径，ek为第k个圆条纹所对应的空气层厚度，是入射单色光的波长，则第k环的两光束的光程差为 其中/2是光由光疏介质入射到光密介质反射时的半波损失。而接触点处的光程差为 （ ） 故中心点为暗点。上两式相减，得到光程差的差k-0，它应等于k个，即 由图中所示的几何关系，因Rdk，故有 最后，将代入，得到由中心暗点往外数第k个暗环的半径为 测出第k个暗环半径rk，即可由已知的波长求得透镜凸面半径R。实际上，由于两玻璃之间的接触压力而使玻璃变形，接触处将不是一个点而是一个面；又由于接触处可能存有尘埃，导致实验中数得的k不是真正的k值。这样，将导致R值误差。为避免这一系统误差，我们对由中心往外数第n个和第m个暗环半径rn和rm进行测量，有 ， 两式相减，得 测量中，很难确定牛顿环中心的确切位置，所以有必要用测量直径Dn和Dm来代替测量半径rn和rm，即有这样我们就可以不知道圆心的准确位置而测环的直径。由于是环的级数差也就解决了级数难于确定的问题。也许有的同学会想，既然牛顿环的圆心难于确定，那么测出的、很有可能不是直径而是弦长啊。但是没关系，可以去证明，使、是弦长也不会影响值。实验内容：1、对牛顿环作目视调节。通过肉眼我们可以找到牛顿环的位置，轻微旋动牛顿环的三个调节螺钉，使牛顿环稳定位于牛顿环仪的中央位置，注意螺钉不要拧得太紧以免干涉条纹变形甚至导致光学玻璃破裂，也不要太松，以免牛顿环晃动。2、开启钠灯，预热10分钟。将牛顿环仪放在显微镜下方的载物台上（反光镜背光不用），调节45度玻璃片，使从显微镜中可以看到整个视场充满明亮的黄光，如果一边亮一边暗说明还没调好。3、调显微镜直到看清十字叉丝，转动调焦手轮，先使镜筒下降接近被测物，再使镜筒缓慢上升直到看清牛顿环无视差。无视差的标准是晃动眼睛而十字叉丝和牛顿环没有相对移动。注意：调焦时应自下而上，否则容易使45度玻璃片和被测物碰撞而损坏仪器。4、转动鼓轮或轻轻移动牛顿环仪使环心在视场中央，观察十字叉丝水平叉丝是否与标尺平行，竖直叉丝是否与牛顿环相切，如果不是，松开锁紧螺钉调节锁紧圈。调好后拧紧锁紧螺钉。5、最后一步就是测量牛顿环的直径。首先我们应该使被测物位于量程内，先转动鼓轮使显微镜位于标尺中部，即25mm刻度处。再慢慢移动牛顿环使十字叉丝位于环心。牛顿环的直径是通过测环的两侧位置的读数，它们的读数之差为该环的直径。按从左到右的顺序或从右到左的顺序测量。以从左到右为例，我们从环心往左数，数到第25环，然后再往右数，数到第22环开始读数，继续向右移，一直数到第3环，记录下第3环至22环的左端读数，继续转动鼓轮使叉丝移过环心，数到第3环，记录下第3环至22环的右端读数。把这些数据全部记录在表格中。在这个过程千万要小心，如果数错级数，那么测量结果是错误的。在转动鼓轮时要小心，如果过头必须重新测量。否则引起回程误差。实验数据处理：环数m读数x/mm直径环数n读数x/mm直径左右左右2219.83826.8136.9751220.67625.9875.31120.4442119.91326.7486.8351120.78225.8835.10120.6972019.98926.6676.6781020.88825.7754.88720.7131920.06526.5986.533920.99025.6654.67520.8241820.14926.5076.358821.10425.5574.45320.5951720.22826.4306.202721.23225.4464.21420.7071620.31326.3486.035621.34925.3073.95820.7551520.39826.2625.864521.49425.1783.68420.8151420.48926.1825.693421.64825.0263.37820.9991320.57526.0865.511321.81424.8583.04421.105平均值 6