牛顿环干涉实验的改进及调节技巧.doc

牛顿环干涉实验的改进及调节技巧张明霞(天水师范学院 物理与信息科学学院 , 甘肃 天水 741001)摘 要 :在光学实验平台上做牛顿环的干涉实验时 ,得到理想的干涉图样的关键是要求各光学元件共轴等高 ,当光轴严格垂直于牛顿环仪 、与光轴成 45的平玻璃片的反射率和透射率均达到 50 %时 ( 用迈克耳孙干涉仪中 的背面镀有银膜的分光板代替平玻璃片 ,可以达到反射率和透射率各为 50 %这一要求) ,干涉图样的实验效果最好 . 在干涉图样的调节过程中 ,可以先调读数显微镜和牛顿环仪共轴等高 ,再调光轴垂直于牛顿环仪 ,然后再 插入分光板 (或者先粗调读数显微镜 、分光板和牛顿环仪共轴等高 ,再调光轴垂直于牛顿环仪) ,最后调节光轴和分光板成 45,这样就可快速得到理想的干涉图样 .关键词 :牛顿环 ; 改进装置 ;干涉图样 ;调节技巧中图分类号 : G642 . 423文献标识码 : A笔者对利用光学实验平台做牛顿环干涉实验时容易出现的常见问题进行分析 ,并简单介绍如 何快速调节光路 ,得到理想干涉图样的两种调节 技巧 .引言在大学物理光学实验中 ,牛顿环的干涉实 验是一个必做的基础性实验 ,国内高校物理专业 普遍开设了此实验项目 12 . 据笔者 所知 , 目 前 大多数高校的牛顿环干涉实验都是在光学实验平 台上操作 ,实验方法是先将各光学元件固定在二 维或三维底座上 ,沿着光学平台上米尺方向安排 光路 ,同时调节光路得到理想的干涉图样 ,然后利 用读数显微镜测出干涉圆环的直径 ,从而间接测 得凸透镜的曲率半径 . 为了提高实验效率和测量 精度. 有一部分教师结合光学实验平台 , 将 CCD 成像技术应用到该实验中 3 ,4 ,其中 ,有的是把传 统的实验方式反射式改为透射式 ,并且为每个光 学平台配置了一套计算机系统 5 ,有的是对牛顿 环观测系统进行改进 ,增加基于 CMO S 传感器和 D S P 的图像采集与处理的嵌入式子系统 67 . 这 些改进和探索可以改善干涉图样的观察效果 ,方 便数据的采集及处理 ,对牛顿环干涉实验教学无 疑是有益的 .但是笔者以为 ,此实验的关键是如何能够快 速调节光路 ,得到理想的干涉图样 ,如果没有得到理想的干涉图样 ,即使引进这些先进的观测系统 ,也不能提高效率及测量精度 ,并且引进这些先进 的观测系统需要的费用很大 ,对大多数高等院校 尤其是实验经费比较缺乏的地方高校并不适用 .常见的问题在光学实验平台上做牛顿环干涉实验时 ,实 验装置 (反射式) 如图 1 所示 ,此实验中要想得到 理想的干涉图样 ,各光学元件必须满足如下条件 :图 1 牛顿环干涉装置示意图(1) 玻璃片 M 与光轴的夹角为 45;(2) 玻璃片 M 的反射率与透射率各占 50 % ; (3) 各光学元件要求共轴等高 ;(4) 牛顿环面和光轴垂直 ;(5) 干涉圆环的中心在牛顿环仪的中心 .在光学实验平台上做此实验时 ,经常会出现 以下问题 :(1) 能够分辨的干涉圆环数目少 , 一般是 20收稿日期 :2009203212 .作者简介 :张明霞 (19712) ,女 ,甘肃甘谷人 ,天水师范学院讲师 ,主要从事大学物理教学与研究 .(3) 将分光板 M1 插入读数显微镜和牛顿环仪之间 , 目测分光板 M1 与光轴成 45角 ,调节二 维底座 ,按照图 1 用钠黄光直接照射分光板 M1 ,不用再找干涉圆环 , 目镜视场中马上就会出现干涉图样 , 如果视场很亮或很暗 , 可以稍微改变一下 分光板 M1 的方位 , 直到目镜视场强度刚好适应自己的眼睛 , 这样就能满足分光板 M1 与光轴的 夹角为 45.(4) 经 过以 上调 节 , 就 可得 到理 想的 干 涉圆 环 ,接下来利用读数显微镜测量干涉圆环的直径 , 进而测出凸透镜的曲率半径 .方法二(1) 同方法一第一步.(2) 按照图 1 将读数显微镜 、分光板 M1 及牛 顿环仪尽量靠近 , 用眼睛粗调到共轴等高 , 用钠黄光直接照射分光板 M1 时 , 显微镜目镜视场中出 现黄色视场 ( 只要光路没有明显错误) , 这一步学生都能做到 , 然后由近到远缓慢移动显微镜 , 尽可 能找到清晰的干涉圆环 . 一般情况下干涉圆环都 是左右两边不对称 , 并且一边清楚一边模糊 , 这时 松开固定牛顿环仪的螺丝 , 一边通过目镜观察干 涉圆环 , 一边稍微转一下牛顿环面 , 使干涉圆环两侧同样清楚 , 并且相对环心对称分布 , 这样读数显微镜 、分光板 M1 及牛顿环仪就达到了共轴等高 的要求 , 同时光轴垂直于牛顿环面 .( 3) 调节视场光强度 . 如果目镜视场很亮或很暗 , 可以松开固定分光板 M1 的螺丝 , 稍微改变 一下分光板 M1 的方位 , 直到目镜视场光强度刚 好适应自己的眼睛 , 这时分光板 M1 与光轴间夹角接近 45.(4) 同方法一最后一步.左右 ,并且干涉圆环多为左右两边相对环心不称 ,一边清楚一边模糊 ,这主要是由于各光学元 没有达到共轴等高要求 ,并且牛顿环面和光轴垂直.(2) 视场暗淡 ,主要原因是玻璃片 M 的反射 太低 , 或者是玻璃片 M 与光轴夹角不是 45, 者是各光学元件没有达到共轴等高要求 ,没有射光线进入显微物镜 .(3) 视场中根本找不着干涉圆环 ,主要原因是 涉圆环在目镜视场之外 ( 干涉圆环中心不在牛 环仪中心) ,或者安排光路时出现明显错误 .笔者结合多年的教学经验 ,对牛顿环实验干装置稍加改进 ,总结出两种快速调节光路 ,得到 想干涉图样的调节方法及调节技巧 ,解决了以 实验中出现的问题 .实验装置的改进在牛顿环干涉装置中 ,用迈克耳孙干涉仪中 分光板 M1 代替平玻璃片 M , 分光板 M1 的背面 有银膜 , 当实验所用钠黄光入射到 M1 的银膜 时 ,有 50 %的能量反射 ,50 %的能量透射 ,这样 解决了由于玻璃片 M 的反射率太低形成的显 目镜视场暗淡 ,学生视力容易疲劳的问题 ,减小 环纹计数误差.干涉图样调节方法与调节技巧方法一(1) 先打开钠光灯预热 ,借助室内灯光用眼睛 接观察牛顿环仪 ,调节框上的螺旋使干涉圆环圆形 , 并位于透镜中心 , 调节读数显微镜的目,使目镜中看到的叉丝和刻度线同样清楚 ,以后 再改变镜筒长度 1 ,2 ,然后 ,将各光学元件固定 底座上 ,为了便于调节 ,牛顿环仪和读数显微镜定在三维底座上 ,分光板 M1 固定在二维底座,光轴方向与米尺方向相同 .(2) 先将读数显微镜直接对准牛顿环仪 ,目测 数显微镜和牛顿环仪共轴等高 ,然后由近到远 慢移动显微镜 ,在目镜视场中找到牛顿环仪所的像 ,调节三维底座使像位于视场中央 ,然后松此实验改进方法的特点(1) 能够分辨的干涉圆环数目增多 ,亮暗圆环 清晰 , 可见度高. 能够分辨的干涉圆环由原来的20 个环左右增加到 40 到 50 个环 ,测量凸透镜曲 率半 径 时 , 相 对 误 差 由 原 来 的 3 % 左 右 降 低 到11 8 %左右 .(2) 干涉图样调节方法简单 ,快捷. 只要掌握调 4 王青 . 牛顿环干涉实验方法的研究与改进 J . 物理教光波波长的一种新方法 .学讨论 ,2002 ,20 (6) :41242 . 5 贺莉蓉 . 用 CCD 成像系统观测透射式牛顿环 J . 物理 实验 ,2005 ,25 (6) :38240 . 6 马菊意 ,杨庆祥 . 基 于数字信号处理的牛顿环 观测系 统的设计 J . 计算机与现代化 ,2008 (9) :89291 . 7 彭小兰 . 牛顿环 实 验 的 改 进 J . 东 莞 理 工 学 院 学 报 ,2007 ,14 (3) :26228 .参考文献 : 1 杨述武 ,王定兴 . 普通物理实验 光学实验 M . 北京 :高等教育出版社 ,2005 :1232117 . 2 华中工学院 . 物理实验 M . 北京 : 高等 教 育 出 版 社 ,2003 :1802182 . 3 马力 . CCD 在牛顿环中的应用 J . 南昌大 学学报 : 理The Adjusted Skill an d Improve on Ne wton Ring ExpermentZ H A N G M i n g2x i a( School of Physics a nd Info r matio n , Tia nshui No r mol U niver sit y , Tia nshui 741001 ,China)Abstract : The key to a dj u sti ng t he i nt erf ere nce p at t er n i n New to n ri ng s e xp eri me nt i s a sha re d a xi s a nda n i de ntical hei ght of t he op tical app a rat u s. The i nt e rf e re nce p at t e r n i s mo st de si ra ble i n eff ect w he n t he op tical a xi s i s st rictl y i n ver tical relatio n wit h t he Newto n i nt e rf e ro met e r ,a nd w he n t he ref ractivei nde x a nd ref lective i nde x of t he p lat e gla ss i n a 45 degree a ngle bo t h at t ai n 50 %. The p rocedure to a2chieve t hi s i s 1) to a dj u st t he micro scop e a nd t he Newto n i nt e rf e ro met er so t hat t hey sha re o ne a xi s a nd a n i de ntical hei ght ,2) to let t he op tical a xi s i n ve rtical relatio n wit h New to n ri ng s ,3) to i n se rt t he bea m sp