牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程論文一</b></p><p>　　題目： 探究外部因素對(duì)牛頓環(huán)干涉的影響 </p><p>　　班級(jí)： 2010級(jí)物理學(xué)本科班</p><p>　　姓名： </p><p>　　學(xué)號(hào)： <

2、;/p><p>　　指導(dǎo)老師： </p><p>　　探究外部因素對(duì)牛頓環(huán)干涉的影響</p><p>　　摘要：本實(shí)驗(yàn)利用移測顯微鏡對(duì)牛頓環(huán)儀在不同條件下顯示出的牛頓環(huán)進(jìn)行觀察，求出各種條件下所測得透鏡的曲率半徑，并分析這些條件對(duì)牛頓環(huán)測定透鏡曲率半徑的影響情況。</p><p>　　關(guān)鍵詞：牛頓環(huán)、曲率半徑、牛頓環(huán)儀、移測顯微

3、鏡</p><p><b>　　1 引言：</b></p><p>　　運(yùn)用鈉燈發(fā)出的光線作為實(shí)驗(yàn)的入射光線，光線經(jīng)過牛頓環(huán)儀后，在牛頓環(huán)儀表面發(fā)生干涉現(xiàn)象，形成了一系列同心圓圈，運(yùn)用移測顯微鏡進(jìn)行測量，可以求得牛頓環(huán)儀中透鏡的曲率半徑。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)儀器及用具：移測顯微鏡、牛頓環(huán)儀、鈉燈等</p><p>

4、;<b>　　實(shí)驗(yàn)原理：</b></p><p>　　牛頓環(huán)儀是由待測平凸透鏡L和磨光的平玻璃板P疊合安裝在金屬框架F中構(gòu)成的(圖1)．框架邊上有三個(gè)螺旋H，用以調(diào)節(jié)L和P之間的接觸，以改變干涉環(huán)紋的形狀和位置．調(diào)節(jié)H時(shí)，不可旋得過緊，以免接觸壓力過大引起透鏡彈性形變，甚至損壞透鏡。</p><p>　　當(dāng)一曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與一平玻璃板相接觸時(shí)，在透鏡的凸

5、面與平玻璃板之間形成一空氣薄膜．薄膜中心處的厚度為零，愈向邊緣愈厚，離接觸點(diǎn)等距離的地方，空氣膜的厚度相同，如圖2所示，若以波長為λ的單色平行光投射到這種裝置上，則由空氣膜上下表面反射的光波將在空氣膜附近互相干涉，兩束光的光程差將隨空氣膜厚度的變化而變化，空氣膜厚度相同處反射的兩束光具有相同的光程差，形成的干涉條紋為膜的等厚各點(diǎn)的軌跡，這種干涉是一種等厚干涉。</p><p>　　在反射方向觀察時(shí)，將看到一組以接

6、觸點(diǎn)為中心的亮暗相間的圓環(huán)形干涉條紋，而且中心是一暗斑[圖3(a)]；如果在透射方向觀察，則看到的干涉環(huán)紋與反射光的干涉環(huán)紋的光強(qiáng)分布恰成互補(bǔ)，中心是亮斑，原來的亮環(huán)處變?yōu)榘淡h(huán)，暗環(huán)處變?yōu)榱镰h(huán)[圖3(b) ]，這種干涉現(xiàn)象最早為牛頓所發(fā)現(xiàn)，故稱為牛頓環(huán)。</p><p>　　在圖2中，為透鏡的曲率半徑，形成的第級(jí)干涉暗條紋的半徑為 ，第級(jí)干涉暗條紋的半徑為。不難證明：</p><p>&l

7、t;b>　?。?）</b></p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　以上兩式表明，當(dāng)已知時(shí)，只要測出第級(jí)暗環(huán)(或亮環(huán))的半徑，即可算出透鏡的曲率半徑；相反，當(dāng)已知時(shí)，即可算出．但是，由于兩接觸面之間難免附著塵埃以及在接觸時(shí)難免發(fā)生彈性形變，因而接觸處不可能是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是一個(gè)圓斑，所以近圓心處環(huán)紋粗且模糊，以致難以確切判定環(huán)

8、紋的干涉級(jí)數(shù)，即于涉環(huán)紋的級(jí)數(shù)和序數(shù)不一定一致．因而利用式（1）或式（2）來測量實(shí)際上也就成為不可能，為了避免這一困難并減少誤差，必須測量距中心較遠(yuǎn)的、比較清晰的兩個(gè)環(huán)紋的半徑，因而式（1）應(yīng)修正為</p><p><b>　　（3）</b></p><p>　　于是 （4）</p><p>　　上式表明，任

9、意兩干涉環(huán)的半徑平方差和干涉級(jí)及環(huán)序數(shù)無關(guān)，而只與兩個(gè)環(huán)的序數(shù)之差有關(guān)．因此，只要精確測定兩個(gè)環(huán)的半徑，由兩個(gè)半徑的平方差值就可準(zhǔn)確地算出透鏡的曲率半徑，即</p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　若用直徑計(jì)算，公式為 ()</p><p><b>　　實(shí)

10、驗(yàn)內(nèi)容</b></p><p>　　1.利用牛頓環(huán)測定平凸透鏡的曲率半徑方法</p><p>　　（1）借助室內(nèi)燈光，用眼睛直接觀察牛頓環(huán)儀，調(diào)節(jié)框上的螺旋H使牛頓環(huán)呈圓形，并位于透鏡的中心，但要注意螺旋不可旋得過緊。</p><p>　　（2）將儀器按圖4所示安裝好，直接使用單色擴(kuò)展光源鈉燈照明．由光源S發(fā)出的光經(jīng)玻璃片G反射后，垂直進(jìn)入牛頓環(huán)儀，再經(jīng)

11、牛頓環(huán)儀反射進(jìn)入移測顯微 鏡M．調(diào)節(jié)玻璃片G的高低及傾斜角度，使顯微鏡視場中能觀察到黃色明亮?xí)r視場。</p><p><b>　　圖4</b></p><p>　?。?）調(diào)節(jié)移測顯微鏡M的目鏡，使目鏡中看到的叉絲最為清晰，將移測顯微鏡對(duì)準(zhǔn)牛頓環(huán)儀的中心，從下向上移動(dòng)鏡筒對(duì)干涉條紋進(jìn)行調(diào)焦，使看到的環(huán)紋盡可能清晰，并與顯微鏡的測量叉絲之間無視差．測量時(shí)，顯微鏡的叉絲最好

12、調(diào)節(jié)成其中一根叉絲與顯微鏡的移動(dòng)方向相垂直，移動(dòng)時(shí)始終保持這根叉絲與干涉環(huán)紋相切，這樣便于觀察測量。</p><p>　　（4）測量干涉環(huán)的直徑</p><p>　　用移測顯微鏡測量時(shí)，由于中心附近比較模糊，一般取大于3，至于環(huán)數(shù)差取多大，可根據(jù)所觀察的牛頓環(huán)而定，但是從減小測量誤差考慮，不宜太小。</p><p>　?。?）計(jì)算透鏡曲率半徑</p>

13、<p>　　將所測得的直徑代入式()中，即可計(jì)算出透鏡的曲率半徑，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)不確定度。</p><p>　　2. 測量松緊程度改變對(duì)牛頓環(huán)干涉的影響</p><p>　?。?）將螺旋H扭至最松，使得平凸面鏡L和磨光的平板玻璃板P恰好處于剛接觸狀態(tài)，測量直徑值、，代入公式()計(jì)算透鏡曲率半徑。</p><p>　　（2）將螺旋H扭緊，使得平凸面鏡L和磨光的

14、平板玻璃板P接觸面積較大，測量直徑值、，代入公式()計(jì)算透鏡曲率半徑。</p><p>　　（3）比較兩個(gè)狀態(tài)下測量出的曲率半徑大小，并分析原因。</p><p>　　3.測量牛頓環(huán)儀中含有異物對(duì)牛頓環(huán)干涉的影響</p><p>　?。?）將異物放入牛頓環(huán)儀中，扭緊H。</p><p>　?。?）用移測顯微鏡測量直徑、，代入公式()計(jì)算透鏡曲

15、率半徑。</p><p>　　圖5 牛頓環(huán)內(nèi)凹示意圖</p><p>　　4.測量牛頓環(huán)弦長求透鏡曲率半徑</p><p>　　圖6 用弦長測量曲率半徑</p><p>　?。?）打開牛頓環(huán)儀，在磨光的平板玻璃板P上用碳素筆、直尺畫一條直線，組裝好牛頓環(huán)儀，扭緊螺旋H。</p><p>　　（2）如圖所示，設(shè)內(nèi)環(huán)為環(huán)，

16、外環(huán)為環(huán)，內(nèi)環(huán)弦長為，外環(huán)弦長為，內(nèi)環(huán)半徑為，外環(huán)半徑為。則有：</p><p>　　那么 </p><p>　　易知 </p><p>　　代入式()即可求得曲率半徑。</p><p><b>　　5.注意事項(xiàng)</b></p><p>　?。?）防止實(shí)

17、驗(yàn)裝置受震引起干涉條紋的變化。</p><p>　?。?）防止移測顯微鏡的“回程誤差”移測時(shí)必須向同一方向旋轉(zhuǎn)顯微鏡驅(qū)動(dòng)絲桿的轉(zhuǎn)盤，不許倒轉(zhuǎn)。</p><p>　?。?）由于牛頓環(huán)的干涉條紋有一定的粗細(xì)度，為了準(zhǔn)確測量干涉環(huán)的直徑，可采用目鏡瞄準(zhǔn)用直線與圓心兩側(cè)的干涉環(huán)圓弧分別內(nèi)切、外切的方法以消除干涉環(huán)粗細(xì)度的影響</p><p>　　6.計(jì)算出各組透鏡半徑后，進(jìn)

18、行比較，分析出現(xiàn)各結(jié)果的原因。</p><p><b>　　5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄</b></p><p>　　表1：記錄平凸透鏡和平玻璃板剛接觸時(shí)牛頓環(huán)兩側(cè)讀數(shù)</p><p>　　表2：記錄平凸透鏡和平玻璃板緊壓時(shí)牛頓干涉環(huán)兩側(cè)讀數(shù)</p><p>　　表3.：記錄牛頓環(huán)儀中含有異物時(shí)牛頓干涉環(huán)兩側(cè)的讀數(shù)</p>

19、;<p>　　表4：記錄牛頓干涉環(huán)兩側(cè)弦長讀數(shù)</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　6.1 測量松緊程度改變對(duì)牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)的影響</p><p>　　1.求平凸透鏡L和磨光的平板玻璃P剛接觸時(shí)的曲率半徑</p><p><b>　　由表1數(shù)據(jù)可得：</b

20、></p><p><b>　　易知：</b></p><p><b>　　故 </b></p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可得半徑： </p><p>　　則透鏡的曲率半徑為 </p><p><b>　　故C類不確定度為 </b>&l

21、t;/p><p>　　結(jié)果報(bào)道： 透鏡的曲率半徑</p><p>　　2.求平凸透鏡L和磨光的平板玻璃P緊壓時(shí)的曲率半徑</p><p><b>　　由表2數(shù)據(jù)可得：</b></p><p><b>　　易知：</b></p><p><b>　　故 </b&g

22、t;</p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可得半徑： </p><p>　　則透鏡的曲率半徑為 </p><p><b>　　故C類不確定度為 </b></p><p>　　結(jié)果報(bào)道： 透鏡的曲率半徑</p><p>　　6.2牛頓環(huán)儀含異物時(shí)對(duì)牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)的影響</p>&

23、lt;p><b>　　由表3數(shù)據(jù)可得：</b></p><p><b>　　易知：</b></p><p><b>　　故 </b></p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可得半徑： </p><p>　　則透鏡的曲率半徑為 </p><p>

24、;<b>　　故C類不確定度為 </b></p><p>　　結(jié)果報(bào)道： 透鏡的曲率半徑</p><p>　　6.3 測量弦長求透鏡曲率半徑</p><p><b>　　由表4數(shù)據(jù)可得：</b></p><p><b>　　易知：</b></p><p>

25、;<b>　　故 </b></p><p>　　由以上數(shù)據(jù)可得半徑： </p><p>　　則透鏡的曲率半徑為 </p><p><b>　　故C類不確定度為 </b></p><p>　　結(jié)果報(bào)道： 透鏡的曲率半徑</p><p><b>　　7、誤

26、差分析</b></p><p>　?。?）讀數(shù)時(shí)光線較暗給實(shí)驗(yàn)帶來的誤差；</p><p>　?。?）個(gè)人視力不同讀數(shù)有一定誤差；</p><p>　?。?）移測顯微鏡存在誤差；</p><p>　?。?）其他光線干擾帶來的誤差；</p><p>　?。?）實(shí)驗(yàn)儀器震動(dòng)帶來的誤差；</p>&

27、lt;p>　?。?）碳素筆所畫直線并不完全準(zhǔn)直；</p><p>　　8、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論</p><p>　　1、通過本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步掌握了利用牛頓環(huán)干涉測量透鏡曲率半徑的方法及影響因素，能夠正確的使用移測顯微鏡、牛頓環(huán)儀，正確記錄和處理數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效且符合精確度要求。</p><p>　　2.通過“6.1測量松緊程度改變對(duì)牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)的影響”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

28、可以知道，牛頓環(huán)儀的松緊程度改變會(huì)造成所測透鏡曲率發(fā)生較大變化，分析原因，平凸透鏡L和磨光的平玻璃板P在緊壓時(shí)，平凸透鏡L發(fā)生形變，故所測得的曲率半徑變大，而二者剛剛接觸時(shí)，二者幾乎沒有形變?？芍ｎD環(huán)儀中的透鏡和平玻璃板的接觸狀態(tài)對(duì)牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)有很大影響。</p><p>　　3.通過利用牛頓環(huán)弦長求透鏡曲率半徑的公式推導(dǎo)可知，測量弦長對(duì)測量透鏡曲率半徑無影響，但“6.3”中求得的結(jié)果與牛頓環(huán)儀中兩鏡剛接觸時(shí)所測

29、得的結(jié)果很相近，可以分析，差距主要來源于牛頓環(huán)儀的松緊程度不同，在測量弦長實(shí)驗(yàn)中，牛頓環(huán)儀的螺旋H扭得比較緊，故造成了兩個(gè)結(jié)果有一些差距。</p><p>　　4.根據(jù)“6.2”求得的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該結(jié)果與兩鏡剛接觸時(shí)所測得結(jié)果差距較大，牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的原理為等厚干涉，當(dāng)牛頓環(huán)儀中存在異物時(shí)，異物的折射率一般大于空氣的折射率，因此引起了附加光程差，使得干涉條紋發(fā)生變化，但根據(jù)其原理，干涉條紋發(fā)生變化，不再是同心圓，但是各

30、個(gè)閉合曲線的干涉級(jí)數(shù)仍然沒有改變，且是以統(tǒng)一的光程差計(jì)算，所以不會(huì)影響測量結(jié)果，出現(xiàn)比較大差距的原因應(yīng)該是由于螺旋的松緊程度不同，引起透鏡的彈性形變不同。</p><p><b>　　9 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 楊述武,趙立竹,沈國土.普通物理實(shí)驗(yàn)（光學(xué)部分）[M].第四版.北京：高等教育出版社,2007:60-65.</p>