等厚干涉牛顿环实验报告.doc

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等厚干涉——牛顿环
等厚干涉是薄膜干涉的一种。薄膜层的上下表面有一很小的倾角是，从光源发出的光经上下表面反射后在上表面附近相遇时产生干涉，并且厚度相同的地方形成同一干涉条纹，这种干涉就叫等厚干涉。其中牛顿环是等厚干涉的一个最典型的例子，最早为牛顿所发现，但由于他主张微粒子学说而并未能对他做出正确的解释。光的等厚干涉原理在生产实践中育有广泛的应用，它可用于检测透镜的曲率，测量光波波长，精确地测量微笑长度、厚度和角度，检验物体表面的光洁度、平整度等。
一. 实验目的
(1)用牛顿环观察和分析等厚干涉现象；
(2)学习利用干涉现象测量透镜的曲率半径；
二. 实验仪器
读数显微镜 钠光灯 牛顿环仪
三. 实验原理
牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸面放在一块光学玻璃平板（平镜）上构成的，如图。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，若以平行单光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的两光束存在光程差，他们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环，称为牛顿环。同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的，因此他属于等厚干涉。

图2 图3
由图2可见，若设透镜的曲率半径为R，与接触点O相距为r处空气层的厚度为d，其几何关系式为

由于，可以略去d2得
（1）
光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平玻璃上反射会有半波损失，，从而带来的附加程差，所以总光程差为
（2）
所以暗环的条件是
（3）
其中为干涉暗条纹的级数。综合（1）（2）（3）式可得第可k级暗环的半径为
（4）
由式（4）可知，如果单色光源的波长λ已知，测出第m级的暗环半径rm,,即可得出平图透镜的曲率半径R；反之，如果R已知，测出rm后，就可计算出入射单色光波的波长λ。但是用此测量关系式往往误差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触；接触压力会引起局部形变，使接触处成为一个圆形平面，干涉环中心为一暗斑。或者空气间隙层有了灰尘，附加了光程差，干涉环中心为一亮（或暗）斑，均无法确定环的几何中心。实际测量时，我们可以通过测量距中心较远的两个暗环半径rm和rn的平方差来计算曲率半径R。因为

两式相减可得

所以有
或
由上式可知，只要测出与（分别为第m与第n条暗纹的直径）的值，就能算出R或λ。这样就可避免实验中条纹级数难以确定的困难，利用后以计算式还可克服确定条纹中心位置的困难。
四. 实验内容
1. 调整牛顿环
借助日光灯灯光，用眼睛直接观察，均匀调节仪器的3个螺丝直至干涉条纹为圆环形且位于透镜的中心。然后将干涉条纹放在显微镜镜筒的正下方。
2.观察牛顿环
（1）接通汞灯电源。
（2）将牛顿环装置放置在读数显微镜镜筒下，镜筒置于读数标尺中央月5cm处。
（3）待汞灯正常发光后，调节读数显微镜下底座平台高度（底座可升降），使玻璃片正对汞灯窗口，并且同高。
（4）在目镜中观察从空气层反射回来的光，整个视场应较亮，颜色呈汞光的兰紫色，如果看不到光斑，可适当调节玻璃片的倾斜度（一般实验室事先已调节好，不可随意调节）及平台高度，直至看到反射光斑，并均匀照亮视场。
（5）调节目镜，在目镜中看到清晰的十字准线的像。
（6）转动物镜调节手轮，调节显微镜镜筒与牛顿环装置之间的距离。先将镜筒下降，使玻璃片接近牛顿环装置但不能碰上，然后缓慢上升，直至在目镜中看到清晰的十字准线和牛顿环像。
3．测量21~30环的直径
（1）粗调仪器，移动牛顿环装置，使十字准线的交点与牛顿环中心重合。
（2）放松目镜紧固螺丝（该螺丝应始终对准槽口），转动目镜使十字准线中的一条线与标尺平行，即与镜筒移动方向平行。
（3）转动读数显微镜读数鼓轮，镜筒将沿着标尺平行移动，检查十字准线中竖线与干涉环的切点是否与十字准线交点重合，若不重合，再按步骤（1）（2）仔细调节（检查左右两侧测量区域）。
（4）把十字准线移到测量区域中央（25环左右），仔细调节目镜及镜筒的焦距，使十字准线像与牛顿环像无视差。
（5）转动读数鼓轮，观察十字准线从中央缓慢向左（或向右）移至37环，然后反方向自37环向右移动，当十字准线竖线与30环外侧相切时，记录读数显微镜上的位置读数。然后继续转动鼓轮，使竖线依次与29,28,27,26,25,24,23,22,21环外侧相切，并记录读数。过了21环后继续转动鼓轮，并注意读出环的顺序，直到十字准线回到牛顿环中心，核对该中心是否为k=0。
（6）继续按原方向转动鼓轮，越过干涉圆环中心，记录十字准线与右边第21,22,23,24,25,26,27,28,29,30环内外切时的读数。注意：从37环移到另一侧30环的过程中鼓轮不能倒转。然后反向转动鼓轮，并读出反向移动时各暗环次序，并核对十字准线回到牛顿环中心时k是否为0。
（7）按上述步骤重复测量三次，将牛顿环暗环位置的读数填入自拟表中。
五. 数据处理
环数
(mm)
(mm)

1
2
3
平均
1
2
3
平均
30
26.590
26.570
26.570
26.577
18.710
18.680
18.700
18.697
29
26.520
26.495
26.510
26.418
18.760
18.752
18.745
18.752
28
26.450
26.445
25.455
26.450
18.820
18.815
18.815
18.817
27
26.400
26.385
26.385
26.390
18.890
18.890
18.880
18.887
26
26.340
26.315
26.315
26.323
18.945
18.950
18.930
18.942
25
26.265
26.240
26.240
26.248
19.030
19.010
19.020
19.020
24
26.200
26.185
26.185
26.190
19.070
19.075
19.070
17.072
23
26.130
26.120
26.120
26.123
19.150
19.145
19.130
19.142
22
26.060
26.040
26.040
26.047
19.230
19.230
19.210
19.223
21
25.990
25.960
25.960
25.970
19.285
19.300
19.28
18.288
环数
m
(mm)
(mm)
(mm)
环数
n
(mm)
(mm)
(mm)
30
26.577
18.697
7.88
25
26.248
19.020
7.228
29
26.418
18.752
7.666
24
26.190
17.072
7.17
28
26.450
18.817
7.633
23
26.123
19.142
6.981
27
26.390
18.887
7.503
22
26.047
19.223
6.824
26
26.323
18.942
7.381
21
25.970
18.288
6.682
1． 用逐差法处理数据。

2． 由公式计算平凸透镜的半径R。

3． 根据实验室给出的R的标准值计算出百分误差。
理论值=1m,实验值R=0.98m

误差分析：
1、 观察暗斑时，肉眼不能达到准确读数，产生读数误差；
2、 鼓轮倒转导致回程差；
3、 在实验操作中,由于中心不可能达到点接触,在重力和螺钉压力下,透镜会变形,中心会形成暗斑,造成测量结果偏差；
4、 平凸透镜与平面玻璃接触点有灰尘,引起附加光程差；
5、 读数带来的误差
六. 注意事项
1. 为保护实验仪器，聚焦前，应先使物镜接近被测物，然后使镜筒慢慢向上移，直至聚焦。
2. 测量读数时，目镜中十字叉丝的横丝应与读数标尺相平行，纵丝应与各暗环相切。
3. 测量读数时，为避免转动部件螺纹间隙产生的空程误差，测微鼓轮只能向一个方向旋转。
七. 思考题
牛顿环干涉条纹一定会成为圆环形状吗?其形成的干涉条纹定域在何处？
答:牛顿环是一各薄膜干涉现象。光的一种干涉图样，是一些明暗相间的同心圆环。
从牛顿环仪透射出的环底的光能形成干涉条纹吗？如果能形成干涉条纹，则与反射光形成的条纹有何不同？
答：可以的，透射光干涉条纹与反射光干涉条纹，正好相反。
夹层内折射率不是介于透镜和玻璃板折射率之间，在透镜凸表面和玻璃 的接触点上，空气层厚度为0，两反射光的光程差为λ/2，因此反射光方向上牛顿环中心为暗点。透射光方向与反射光条纹相反，因此透射光牛顿环中心是一亮点。 
如果夹层内折射率正好介于透镜和玻璃板折射率之间，反射光牛顿环中心为亮点，透射光牛顿环为暗点。
实验中为什么要测牛顿环直径，而不测其半径？
答：因为半径R只与测定各环的环数差有关，无须确定各环级数。显微镜是用来读环数的，在计算中可将零误差消去。
实验中为什么要测量多组数据且采用多项逐差法处理数据？
答：避免系统误差对实验的影响。
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