光的等厚干涉--牛頓環(huán)doc

1、 實(shí)驗(yàn)九 光的等厚干涉牛頓環(huán)等厚干涉是薄膜干涉的一種。當(dāng)薄膜層的上下表面有一很小的傾角時(shí)，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(shí)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(gè)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(shuō)而未能對(duì)它做出正確的解釋。光的等厚干涉原理在生產(chǎn)實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用，它可用于檢測(cè)透鏡的曲率，測(cè)量光波波長(zhǎng)，精確地測(cè)量微小長(zhǎng)度、厚度和角度，檢驗(yàn)物體表面的光潔度、平整度等?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.觀察光的等厚干涉現(xiàn)象，了解等厚干涉的特點(diǎn)。2.學(xué)習(xí)用干涉方法測(cè)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?shí)驗(yàn)原理】牛頓環(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(gè)空氣薄層，其厚度由中心到邊緣逐漸增加，當(dāng)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(diǎn)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(diǎn)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(xiàng)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(shí)其光程差d = 2e + l/2其中 l/2 為光從平板玻璃表面反射時(shí)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(jí)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(zhǎng)，只要測(cè)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(zhǎng)。但由于接觸點(diǎn)處機(jī)械壓力引起玻璃的形變，使得接觸點(diǎn)不可能是

4、一個(gè)理想點(diǎn)，而是一個(gè)明暗不清的模糊圓斑?；蛘呓佑|點(diǎn)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(wú)法確定環(huán)的幾何中心，因此我們通常取兩個(gè)暗環(huán)直徑的平方差來(lái)計(jì)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(cè)微鼓輪；7鈉燈；8支架圖9-3 測(cè)量牛頓環(huán)裝置圖上式說(shuō)明，兩暗環(huán)直徑的平方差只與它們相隔幾個(gè)暗環(huán)的數(shù)目(m-n)有關(guān)，而與它們各自的級(jí)別無(wú)關(guān)。因此我們測(cè)量時(shí)，只要測(cè)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(jì)算出透鏡的曲率半徑R。用環(huán)數(shù)代替級(jí)數(shù)，而無(wú)須確定各環(huán)的級(jí)數(shù)，并且避免了圓心無(wú)法準(zhǔn)確確定的困難。由于接觸點(diǎn)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(yuǎn)離中心的圓環(huán)進(jìn)行測(cè)量?！緦?shí)驗(yàn)儀器】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(cè)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(gè)帶十字叉絲的顯微鏡和一個(gè)螺旋測(cè)微裝置所構(gòu)成。顯微鏡包括目鏡、十字叉絲和物鏡。整個(gè)顯微系統(tǒng)與套在測(cè)位螺感得螺母管套相固定。旋轉(zhuǎn)測(cè)微鼓輪，就能使測(cè)微螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，它就帶著顯微鏡一起移動(dòng)，移動(dòng)的距離可由主尺和測(cè)微鼓輪讀出。顯微鏡絲桿的螺距為1mm,測(cè)微

6、鼓輪的圓周刻有100分格，分度值為0.01mm，讀數(shù)可估計(jì)到0.001mm?！緦?shí)驗(yàn)內(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(gè)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(dòng)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(biāo)尺平行，消除視差，并觀測(cè)待測(cè)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(cè)量牛頓環(huán)的直徑(1) 選取要測(cè)量的m和n各五個(gè)條紋，如取m為30、29、28、27、26五個(gè)環(huán)，n為20、19、18、17、16五個(gè)環(huán)。(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，先使鏡筒向左移動(dòng)，順序數(shù)到35環(huán)，再向右轉(zhuǎn)到30環(huán)，使叉絲盡量對(duì)準(zhǔn)干涉條紋的中心，記錄讀數(shù)。然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪，使叉絲依次與30、29、28、27、26、20、19、18、17、16環(huán)對(duì)準(zhǔn)，順次記下讀數(shù)。再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)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(duì)準(zhǔn)，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(cè)量過程中，測(cè)微鼓

8、輪應(yīng)沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，中途不得反轉(zhuǎn)，以免引起回程差?！咀⒁馐马?xiàng)】圖9-4 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(cè)量顯微鏡的測(cè)微鼓輪在每一次測(cè)量過程中只能向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，中途不能反轉(zhuǎn)。3.當(dāng)用鏡筒對(duì)待測(cè)物聚焦時(shí)，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(cè)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(cè)微計(jì)組合起來(lái)，作為長(zhǎng)度測(cè)量的精密儀器。主要用來(lái)精確測(cè)量微小且不能用夾持儀器（如游標(biāo)尺、千分尺）測(cè)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(hào)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(gè)帶十字叉絲的顯微鏡和一個(gè)螺旋測(cè)微裝置所組成。顯微鏡包括目鏡、十字叉絲和物鏡。整個(gè)顯微鏡系統(tǒng)與套在測(cè)微螺桿的螺母套管相固定。旋轉(zhuǎn)測(cè)微鼓輪，即轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微螺桿，就可帶動(dòng)顯微鏡左右移動(dòng)。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(gè)長(zhǎng)焦距的顯微鏡，通過上下移動(dòng)可以調(diào)節(jié)聚焦。轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪能夠使固定在測(cè)微輪桿套管上的顯微鏡沿滑動(dòng)臺(tái)左右平移，即沿標(biāo)尺移動(dòng)，移動(dòng)距離可由毫米標(biāo)尺和測(cè)微鼓輪上讀出。常用的讀數(shù)顯微鏡其測(cè)微螺桿螺距為1mm, 與其連接的測(cè)微鼓輪圓周上刻有100個(gè)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(cè)微計(jì)相同。