光的等厚干涉--牛頓環(huán)doc

1、 實驗九 光的等厚干涉牛頓環(huán)等厚干涉是薄膜干涉的一種。當薄膜層的上下表面有一很小的傾角時，從光源發(fā)出的光經(jīng)上下表面反射后在上表面附近相遇時產(chǎn)生干涉，并且厚度相同的地方形成同一干涉條紋，這種干涉就叫等厚干涉。其中牛頓環(huán)是等厚干涉的一個最典型的例子，最早為牛頓所發(fā)現(xiàn)，但由于他主張的微粒學(xué)說而未能對它做出正確的解釋。光的等厚干涉原理在生產(chǎn)實踐中具有廣泛的應(yīng)用，它可用于檢測透鏡的曲率，測量光波波長，精確地測量微小長度、厚度和角度，檢驗物體表面的光潔度、平整度等。【實驗?zāi)康摹?.觀察光的等厚干涉現(xiàn)象，了解等厚干涉的特點。2.學(xué)習(xí)用干涉方法測量平凸透鏡的曲率半徑。3. 掌握讀數(shù)顯微鏡的使用方法。4.學(xué)習(xí)用

2、逐差法處理數(shù)據(jù)?！緦嶒炘怼颗ｎD環(huán)是由一塊曲率半徑較大的平凸玻璃，以其凸面放在一塊光學(xué)平板玻璃上構(gòu)成的，這樣平凸玻璃的凸面和平板玻璃的上表面之間形成了一個空氣薄層，其厚度由中心到邊緣逐漸增加，當平行單色光垂直照射到牛頓環(huán)上，經(jīng)空氣薄膜層上、下表面反射的光在凸面處相遇將產(chǎn)生干涉。其干涉圖樣是以玻璃接觸點為中心的一組明暗相間的同心圓環(huán)(如圖9-2所示)。這一現(xiàn)象是牛頓發(fā)現(xiàn)的，故稱這些環(huán)紋為牛頓環(huán)。 圖 9-1 產(chǎn)生牛頓環(huán)的光路示意圖圖 9-2 牛頓環(huán) 如圖9-1所示，設(shè)平凸玻璃面的曲率半徑為R，與接觸點O相距為r處的空氣薄層厚度為e，那么由幾何關(guān)系：R2 = (R-e)2 + r2 = R2 2R

3、e + e2 + r2因Re ，所以e2 項可以被忽略，有 (9-1)現(xiàn)在考慮垂直入射到r處的一束光，它經(jīng)薄膜層上下表面反射后在凸面處相遇時其光程差d = 2e + l/2其中 l/2 為光從平板玻璃表面反射時的半波損失，把(9-1)式代入得： (9-2)由干涉理論，產(chǎn)生暗環(huán)的條件為 (K=0，1，2，3，¼) (9-3)從(9-2)式和(9-3)式可以得出，第K級暗紋的半徑： (K=0，1，2，3，¼) (9-4)由上式可知，如果已知光波波長，只要測出rk，即可求出曲率半徑R，反之，已知R也可由(9-4)式求出波長。但由于接觸點處機械壓力引起玻璃的形變，使得接觸點不可能是

4、一個理想點，而是一個明暗不清的模糊圓斑?；蛘呓佑|點處不十分干凈，空氣間隙層中有了塵埃，附加了光程差，干涉環(huán)中心為一亮(或暗)斑。無法確定環(huán)的幾何中心，因此我們通常取兩個暗環(huán)直徑的平方差來計算R。根據(jù)(9-4)式，第m環(huán)暗紋和第n環(huán)暗紋的直徑可表示為： (9-5) (9-6)把(9-5)式和(9-6)式相減得到：則曲率半徑 (9-7)864572311目鏡；2調(diào)焦手輪；3物鏡；4450玻璃片；5牛頓環(huán)儀；6測微鼓輪；7鈉燈；8支架圖9-3 測量牛頓環(huán)裝置圖上式說明，兩暗環(huán)直徑的平方差只與它們相隔幾個暗環(huán)的數(shù)目(m-n)有關(guān)，而與它們各自的級別無關(guān)。因此我們測量時，只要測出第m環(huán)和第n環(huán)直徑以及數(shù)

5、出環(huán)數(shù)差m-n，即可計算出透鏡的曲率半徑R。用環(huán)數(shù)代替級數(shù)，而無須確定各環(huán)的級數(shù)，并且避免了圓心無法準確確定的困難。由于接觸點處玻璃有彈性形變，因此在中心附近的圓環(huán)將發(fā)生移位，故擬利用遠離中心的圓環(huán)進行測量?！緦嶒瀮x器】讀數(shù)顯微鏡，鈉光燈(單色光源，=589.3nm)，牛頓環(huán)儀。讀數(shù)顯微鏡是一種測量微小尺寸或微小距離變化的儀器。其結(jié)構(gòu)見圖9-3，它是有一個帶十字叉絲的顯微鏡和一個螺旋測微裝置所構(gòu)成。顯微鏡包括目鏡、十字叉絲和物鏡。整個顯微系統(tǒng)與套在測位螺感得螺母管套相固定。旋轉(zhuǎn)測微鼓輪，就能使測微螺桿轉(zhuǎn)動，它就帶著顯微鏡一起移動，移動的距離可由主尺和測微鼓輪讀出。顯微鏡絲桿的螺距為1mm,測微

6、鼓輪的圓周刻有100分格，分度值為0.01mm，讀數(shù)可估計到0.001mm?！緦嶒瀮?nèi)容】1.觀察牛頓環(huán)的干涉圖樣 (1) 調(diào)整牛頓環(huán)儀的三個調(diào)節(jié)螺絲，把自然光照射下的干涉圖樣移到牛頓環(huán)儀的中心附近。注意調(diào)節(jié)螺絲不能太緊以免中心暗斑太大甚至損壞牛頓環(huán)儀。把牛頓環(huán)儀置于顯微鏡的正下方(如圖9-3所示)，調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡上45°角半反射鏡的位置 ，直至從目鏡中能看到明亮的均勻光照。(2) 調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡的目鏡，使十字叉絲清晰，自下而上調(diào)節(jié)物鏡直至觀察到清晰的干涉圖樣。移動牛頓環(huán)儀，使中心暗斑(或亮斑)位于視域中心，調(diào)節(jié)目鏡系統(tǒng)，使叉絲橫絲與讀數(shù)顯微鏡的標尺平行，消除視差，并觀測待測的各環(huán)左右

7、是否都在讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)范圍之內(nèi)。2.測量牛頓環(huán)的直徑(1) 選取要測量的m和n各五個條紋，如取m為30、29、28、27、26五個環(huán)，n為20、19、18、17、16五個環(huán)。(2) 轉(zhuǎn)動鼓輪，先使鏡筒向左移動，順序數(shù)到35環(huán)，再向右轉(zhuǎn)到30環(huán)，使叉絲盡量對準干涉條紋的中心，記錄讀數(shù)。然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動測微鼓輪，使叉絲依次與30、29、28、27、26、20、19、18、17、16環(huán)對準，順次記下讀數(shù)。再繼續(xù)轉(zhuǎn)動測微鼓輪，使叉絲依次與圓心右16、17、18、19、20、26、27、28、29、30環(huán)對準，也順次記下各環(huán)的讀數(shù),求得各環(huán)的直徑：(D30=d30左-d30右)注意在一次測量過程中，測微鼓

8、輪應(yīng)沿一個方向旋轉(zhuǎn)，中途不得反轉(zhuǎn)，以免引起回程差?！咀⒁馐马棥繄D9-4 讀數(shù)顯微鏡1.牛頓環(huán)儀、透鏡和顯微鏡的光學(xué)表面不清潔，要用專門的擦鏡紙輕輕揩拭。2.測量顯微鏡的測微鼓輪在每一次測量過程中只能向一個方向旋轉(zhuǎn)，中途不能反轉(zhuǎn)。3.當用鏡筒對待測物聚焦時，為防止損壞顯微鏡物鏡，正確的調(diào)節(jié)方法是使鏡筒移離待測物(即提升鏡筒)。 附：讀數(shù)顯微鏡1、用途和構(gòu)造 讀數(shù)顯微鏡是將顯微鏡和螺旋測微計組合起來，作為長度測量的精密儀器。主要用來精確測量微小且不能用夾持儀器（如游標尺、千分尺）測量的物體，如金屬桿的線膨脹量、狹縫或干涉條紋的寬度等。讀數(shù)顯微鏡的型號很多，常見的一種立式讀數(shù)顯微鏡如圖1-6所示。讀數(shù)顯微鏡由一個帶十字叉絲的顯微鏡和一個螺旋測微裝置所組成。顯微鏡包括目鏡、十字叉絲和物鏡。整個顯微鏡系統(tǒng)與套在測微螺桿的螺母套管相固定。旋轉(zhuǎn)測微鼓輪，即轉(zhuǎn)動測微螺桿，就可帶動顯微鏡左右移動。2.讀數(shù)方法如圖1-6所示的讀數(shù)顯微鏡，它的光學(xué)部分是一個長焦距的顯微鏡，通過上下移動可以調(diào)節(jié)聚焦。轉(zhuǎn)動鼓輪能夠使固定在測微輪桿套管上的顯微鏡沿滑動臺左右平移，即沿標尺移動，移動距離可由毫米標尺和測微鼓輪上讀出。常用的讀數(shù)顯微鏡其測微螺桿螺距為1mm, 與其連接的測微鼓輪圓周上刻有100個分格，分度值為0.01mm，因而也能讀到千分之一位，讀數(shù)方法同螺旋測微計相同。