大學(xué)物理實驗報告

1、大學(xué)物理實驗用牛頓環(huán)測量透鏡的曲率半徑 北京工業(yè)大學(xué) 王麗香內(nèi)容介紹1，引言2，實驗?zāi)康?，實驗原理4，儀器介紹5，實驗內(nèi)容6，注意事項7，數(shù)據(jù)處理要求8，問題討論9，相關(guān)知識一、引言牛頓環(huán)是一種光學(xué)器件，它的結(jié)構(gòu)包括一個曲率半徑很大的平凸透鏡和一塊平玻璃板。當(dāng)單色平行光垂直入射到牛頓環(huán)時，可獲得等厚干涉條紋。這一原理在實際工作中有很多應(yīng)用，除了本實驗用來測量透鏡的曲率半徑外，最典型的是在光學(xué)元件生產(chǎn)中用它來檢驗光學(xué)表面的加工質(zhì)量，如光潔度和平面度等。通過本實驗，可使學(xué)生從實驗的角度加深了解等厚干涉原理。 二、實驗?zāi)康?、了解等厚干涉原理2、掌握用牛頓環(huán)測量透鏡曲率半徑的方法3、學(xué)會使用讀數(shù)顯

2、微鏡以及鈉光燈三、實驗原理光程差曲率半徑dhRO（暗條紋）（亮條紋）)21(22kkh)(422nmddRnm牛頓環(huán)干涉條紋的特點為一系列明暗相間的同心圓環(huán)。中央為零級暗斑。越往邊緣處，干涉級次越大，條紋越密。條紋定域在空氣薄膜表面。四、實驗儀器讀數(shù)顯微鏡（分度值0.01mm）牛頓環(huán)（R855mm）鈉光燈牛頓環(huán)（R 855mm）牛頓環(huán)的結(jié)構(gòu)包括一個曲率半徑很大（牛頓環(huán)的結(jié)構(gòu)包括一個曲率半徑很大（R 855mm）的平凸透鏡和一的平凸透鏡和一塊平玻璃板，在平凸透鏡和平玻璃板之間產(chǎn)生空氣薄膜，當(dāng)單色平塊平玻璃板，在平凸透鏡和平玻璃板之間產(chǎn)生空氣薄膜，當(dāng)單色平行光垂直入射到牛頓環(huán)時，可獲得等厚干涉條紋

3、。行光垂直入射到牛頓環(huán)時，可獲得等厚干涉條紋。 平凸透鏡平玻璃板螺釘螺釘空氣薄膜讀數(shù)顯微鏡(分度值0.01mm)1 1、調(diào)節(jié)顯微鏡視場明亮。、調(diào)節(jié)顯微鏡視場明亮。2 2、目鏡調(diào)焦，使分劃板清晰。、目鏡調(diào)焦，使分劃板清晰。3 3、物鏡調(diào)焦，使象清晰、物鏡調(diào)焦，使象清晰 （用視差法判斷）。（用視差法判斷）。4 4、調(diào)整被測物件，使其被測的、調(diào)整被測物件，使其被測的位移同顯微鏡的移動方向平行。位移同顯微鏡的移動方向平行。5 5、沿同一方向轉(zhuǎn)動測微鼓輪，、沿同一方向轉(zhuǎn)動測微鼓輪，測量距離。測量距離。 鈉光燈鈉光燈是一種氣體放電光源，可發(fā)出波長分別為588.966nm和589.593nm的黃色譜線。實驗

4、中可取鈉光燈必須與鎮(zhèn)流器串聯(lián)、在額定電壓與額定電流下使用。鈉光燈要盡量連續(xù)使用。nm2 . 03 .589實驗光路布置鈉光燈牛頓環(huán)NG五、實驗內(nèi)容和步驟1、布置光路。2、點亮鈉光燈，照亮顯微鏡的視場。3、調(diào)節(jié)顯微鏡（目鏡調(diào)焦、物鏡調(diào)焦）。4、調(diào)節(jié)牛頓環(huán)的位置。5、轉(zhuǎn)動測微鼓輪，依次對準(zhǔn)各環(huán)的位置，并記錄數(shù)據(jù)。6、根據(jù)所測數(shù)據(jù)計算凸透鏡的曲率半徑R。六、注意事項1、在布置光路時，注意將顯微鏡底座中的反光鏡轉(zhuǎn)到背光一側(cè)。2、在測量過程中，鼓輪應(yīng)沿同一方向轉(zhuǎn)動。3、對物鏡調(diào)焦時，應(yīng)使物鏡筒從最低點自下而上緩慢地調(diào)節(jié)，以免損壞儀器。4、調(diào)節(jié)時，應(yīng)預(yù)先使顯微鏡筒標(biāo)尺位置處在可移動范圍的中點，以避免在測量

5、時超出標(biāo)尺的測量范圍。5、測量過程中，不要碰動牛頓環(huán)和震動實驗臺，以免影響測量的準(zhǔn)確性。 七、實驗數(shù)據(jù)nm2 . 03 .589， 0 .30nm 1 . 0nm 環(huán)的級別 m 50 49 48 47 46 45 平均值 右 環(huán)的位置 (mm) 左 環(huán)的直徑 (mm) md 環(huán)的級別 n 20 19 18 17 16 15 右 環(huán)的位置 (mm) 左 環(huán)的直徑 (mm) nd 2md 直徑的平方 (mm2) 2nd )(22nmdd (mm2) 不確定度的估算相對不確定度 222)(2222221nmddnmRddnmRnm 其中，nm2 . 03 .589 ，1 . 0nm，30 nm， n

6、inminmddddddnnm122222)(1122 數(shù)據(jù)處理舉例用牛頓環(huán)測量透鏡的曲率半徑 牛頓環(huán)編號：5# nm2 .03 .589， 30 nm 1 . 0nm 環(huán)的級別 m 50 49 48 47 46 45 平均值 右 18.892 18.929 18.977 19.029 19.082 19.128 環(huán)的位置 (mm) 左 29.175 29.131 29.069 29.019 28.967 28.924 環(huán)的直徑 (mm) md 10.283 10.202 10.092 9.990 9.885 9.796 環(huán)的級別 n 20 19 18 17 16 15 右 20.665 20

7、.749 20.825 20.910 20.989 21.075 環(huán)的位置 (mm) 左 27.389 27.300 27.228 27.147 27.060 26.982 環(huán)的直徑 (mm) nd 6.724 6.551 6.403 6.237 6.071 5.907 )(22nmdd (mm2) 60.53 61.16 60.85 60.90 60.86 61.07 60.90 ）（mmnmddRnm8613 .5890 .30490.60)(422 數(shù)據(jù)處理舉例 ）（2222222122222)(22. 090.6007.6190.6086.6090.6090.6090.6085.609

8、0.6016.6190.6053.601611122mmddddnninminmddnm 0060. 01031. 11022. 21015. 190.6022. 01 . 01 . 00 .3013 .5892 . 0155722222222)(222222 nmddnmRddnmRnm ）（mmRRRR60060. 0861 mmRRR）（6861 八、問題討論1、本實驗是用什么方法處理數(shù)據(jù)的？此法有何優(yōu)點？答：是用逐差法處理數(shù)據(jù)的。優(yōu)點為：可以充分利用數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出多次測量的優(yōu)點，減小了測量誤差。Rmd42 問題討論2、實驗中，如何避免螺紋的空程差？答：在測量過程中，顯微鏡的鼓輪應(yīng)沿同一方

9、向轉(zhuǎn)動，中途不可倒轉(zhuǎn)，以便消除螺紋的間隙誤差。 螺紋間隙空程螺紋正向旋轉(zhuǎn)螺紋反向旋轉(zhuǎn)問題討論3、在測量各個直徑時，如果顯微鏡的叉絲交點沒有通過牛頓環(huán)的中心，因而測量的是弦而非真正的直徑，對實驗結(jié)果是否有影響？為什么？ 答：對實驗結(jié)果沒有影響。因為兩個同心圓的直徑的平方差等于弦的平方差 。問題討論4、透射光產(chǎn)生的牛頓環(huán)與反射光產(chǎn)生的牛頓環(huán)有何不同？答：透射光產(chǎn)生的牛頓環(huán)也是明暗相間的同心圓環(huán)，但是中央為零級暗斑，條紋的明暗正好與反射光產(chǎn)生的牛頓環(huán)的明暗互補，且條紋的明暗對比度差。問題討論5、若牛頓環(huán)中心是亮斑而不是暗斑，可能是什么原因造成的？對測量結(jié)果有無影響？6、牛頓環(huán)的中心一定是目鏡視場中所

10、觀察到的零級暗斑的中心嗎？為什么？7、若把光源換成白光，將會看見什么樣的條紋？8、測量中應(yīng)如何避免顯微鏡視差的影響？九、相關(guān)知識激光干涉測量技術(shù) 測量在工業(yè)中是不可缺少的，如長度的測量，位移的測量，速度的測量等等。不同的應(yīng)用，要求的測量精度不同，因而需要用不同的手段去實現(xiàn)。以長度或位移的測量為例，當(dāng)測量精度要求為毫米量級時，用普通米尺就足夠了，而卡尺的測量精度則可達到百分之一毫米，最大量程為幾十厘米。對較大尺度進行更精密的測量，特別是，對快速運動物體的位置或位移進行實時測量，傳統(tǒng)方法就有些力不從心了。而激光則為精密測量提供了最強有力的工具。 日本計量研究所與東京精密儀器公司組成的聯(lián)合研究組，推出一種測定三維運動物體位置的方法，系統(tǒng)包括4臺干涉儀，所用光源為波長632.8納米的氦-氖激光器，被測物體上裝有光的反射體。在該研究組進行的一次實驗中，高2米的機器人手臂以50厘米