《工科物理实验》课件 3.13 牛顿环

牛顿环及劈尖干涉实验1实验室注意事项1.上实验室前：

弄清楚时间、地点、实验项目、选课编号、组号。写预习报告(要画原理图)。

准备好实验用品如：铅笔、直尺、圆规、草稿纸等，正式报告单不要用钢笔做图做表。2.进入实验室：

先签到，按组号坐。在报告单上填写完整信息。保持秩序，不得随地吐痰、丢垃圾、吃东西等。3.实验中：

爱护仪器设备，轻拿轻放，按照操作步骤，注意设备和人身安全。不得抄袭他人实验数据。4.实验结束：

数据记录拍照，老师检查签字后，清除生成的2个文件，关闭电源及电脑、清理台面，将光学镜锁紧在轨道上，恢复凳子位置（桌子下，一桌2把，多余的还到原来位置）。不得带走实验室物品。

三天之内把实验报告投放到实验楼4楼电梯间名称对应的报告箱内。

2实验室安全事项1.上实验室前：

弄清楚楼层、安全疏散通道位置、消防器材位置等。

不要穿拖鞋、带围巾、长项链、液体、食品等进入实验室。长发、长袖要捆扎。2.进入实验室：

不得吃东西，不得将茶水及杂物放置试验台上，严禁抽烟。3.实验中：

按照操作步骤，禁止乱动乱调仪器。所有光学镜片卡在导轨上移动，必要时松螺丝调换位置。仪器轻拿轻放，不要撞击跌落。发现异常现象立即报告。4.实验结束：

实验做完后，立即关闭电源、清理台面，恢复好仪器和凳子位置，带走自己物品及垃圾。3一、实验目的概述光的干涉是指满足相干条件：两列光波频率相同、相位差恒定、振动方向一致，相互叠加时所出现的光强按空间周期性重新分布的一种重要光学现象。它是光波动性的实验证明。实验目的1.在熟悉光路调整的基础上，用反射光观察等厚干涉现象；2.学习利用干涉现象测量平凸透镜的曲率半径R。3.学习利用干涉现象测量薄纸片的厚度d。4二、实验原理11.牛顿环如图1所示，将一块曲率半径很大的平凸透镜放在一块平面玻璃上时，在透镜的凸面和平面玻璃之间将形成一个厚度自接触点向边缘逐渐增加的空气层（等厚线是一组以接触点为圆心的同心圆）。当一束单色光垂直照射时，由空气层上下两表面反射的光将发生干涉，其干涉条纹是一组定域在空气层上表面的以接触点为圆心的明暗相间的同心圆环。图1牛顿环及光路图这一干涉现象最早是英国科学家牛顿于1675年在制作天文望远镜时偶然将望远镜的物镜放在平板玻璃上发现的，因而又称牛顿环。5二、实验原理2

实际测量时，由于受接触形变或附着尘埃等因素的影响，观测到的牛顿环中心不再是理论上的暗点而是不规则的圆斑，难以判断干涉条纹的准确级次k和精确测量条纹的半径rk。为了克服这一不足，实验中通过测量距中心较远又较清晰的某两级干涉暗条纹的直径Dk和Dk+m来计算R，即：

曲率半径R只与条纹的干涉级次差m有关，而与干涉级次k自身的准确与否无关，并且即使在测量中没有严格经过干涉条纹的圆心，所测Dk和Dk+m不是直径而是某一割线上的两条弦，也不会影响R的测量结果。可以很容易地证明，同心圆环弦的平方差等于直径的平方差。建议从中心起，至少第3个环开始进行测量。图2测量不同级次暗纹的实际直径（1）6二、实验原理3

2.劈尖如图3所示，取两块光学平面玻璃，使其一端接触（形成交棱），另一端夹一薄纸片，同样在两玻璃板之间就形成了一个空气劈尖（等厚线是一组平行于交棱的直线）。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，见图4。图4等厚干涉条纹图3劈尖及其干涉条纹（2）相邻干涉暗条纹对应的空气薄膜厚度差为：在图3中，设相邻两干涉暗条纹之间的距离为l，薄纸片边缘到劈尖交棱的距离为L，薄纸片的厚度为d，由图3中的几何关系（3）联立（2）式和（3）式，有：际测量时，由于相邻间距之间的距离很小，为了减小测量误差，通常测量n条干涉暗条纹之间的间距ln，由（4）式来计算薄纸片的厚度d，即（4）7三、实验器材由导轨、低压钠灯、半反半透镜、牛顿环、分划板、劈尖、工业镜头和工业相机等组成。如图5所示：图5牛顿环及劈尖干涉实验整机序号名称备注序号名称备注1牛顿环曲率半径R0=2000mm8工业镜头50mm/F1.42劈尖

9双凸透镜f120mm3半反半透镜

10直尺配件4导轨600mm11滑块宽50mm，带俯仰调节5低压钠灯波长589.3nm12滑块宽30mm6分划板对焦、定标13高度定位环Φ12mm7工业相机含USB线、转接环14计算机自备表1牛顿环及劈尖干涉实验器材图6左：牛顿环、右：劈尖手拧压环的作用是压紧玻片组，切忌将其拧得很紧，这可能会造成玻片变形、曲率偏大，甚至可能损坏牛顿环玻片（比如碎裂）。手拧螺钉可以改变干涉条纹的方向，但切忌将螺钉拧很紧，这可能会造成条纹变形，甚至损坏劈尖玻璃（比如碎裂）。其中L代表薄纸片朝内的边缘线到劈尖交棱的距离，需要用直尺来测量，请小心操作，避免刮擦光学器件表面。钠灯可以它视作波长为589.3nm的单色光源。8四、实验步骤1.实验光路2.仪器的安装与调整（见后面6个要领）3.定标将得到的定标原始图样，使用配套软件得到标尺1mm间隔对应的像素间距。具体测试方法参见图8，最终定标结果为：n为X1、X2两点间的格数。具体见附件操作。注意：标定数据确定后，在完成牛顿环和劈尖测试前，不能再移动或改变相机、双凸透镜、半反半透镜的位置及焦距，否则标定结果将失效，需重新标定后方可进行实验。4.牛顿环的测量1)微调牛顿环组件滑块位置、高度，使圆环中心大致居中且合焦准确。2)微调牛顿环旋转方向、滑块位置，使整个画面全部清晰（微调钠灯指向和左右位置，相机镜头的上下左右角度，该调节不影响标定）。3)拍照，得到牛顿环图像。4)通过软件测量不同级次暗纹的实际直径Dk。最后根据（1）式可得到平凸透镜的曲率半径R。5.劈尖干涉的测量1)取下牛顿环组件，先用直尺测量劈尖的L值。将劈尖安装在相同位置，可略微调节其位置使显示屏上呈现清晰的条纹。拍照，得到劈尖干涉的图像。2)通过软件测量n个暗条纹之间的像素间距dn，然后根据定标结果得到实际间距:最后根据（4）式得到劈尖薄纸片的厚度d。图7实验光路示意图图8定标910光学镜6个操作要领1.按照光路图摆放导轨：将半反半透镜对准汞灯。2.半反半透镜、双凸镜、相机：已经固定好位置，不能再在导轨上移动。3.分划板、牛顿环、劈尖：轮流固定在导轨约240mm处，其玻璃片要垂直于导轨方向。4.调整图像到中央：相机左右角度（捏住相机四方体左右摆动）、俯仰角度（调整相机立柱底下的俯仰螺丝）。5.调整图像明暗度：汞灯入射光方向、半反半透镜偏转角度、导轨整体角度。6.调整图像清晰度：定标时调整相机焦距、定标后不能再调焦使图像清晰（否则误差很大），只能在导轨上前后移动牛顿环或劈尖。光路示意图五、数据处理11仔细学会软件操作，将软件生成的PDF文件拍照后，将原始表格及数据抄到报告单的第五项—数据处理上。六、结果分析及问题讨论12结果分析：你测出来的R平均值相对误差η是否小于10%？如果大于10%，原因是什么？在实验中怎么样调整？讨论回答：1.用同样的实验方法，能否测定凹透镜的曲率半径？2.牛顿环干涉条纹畸变的可能原因有哪些？3.牛顿环实验中，光源的大小对干涉条纹的可见度有何影响？七、实验注意事项131.钠灯为气体放电，实验时应先预热10分钟，待其稳定工作。2.实验过程中不使用的光学镜片应锁在导轨上，以免摔坏。3.不要碰触光学镜面，有灰尘请使用气吹、镜头