牛顿环测曲率半径.ppt

牛顿环测曲率半径宁夏大学基础物理实验中心光学实验室引言光的干涉现象是光的波动性的一种表现。物质发光是由于原子或分子的能级跃迁产生的,它们每次发光的时间平均约为10-8秒。因此每束光在空间上也是有限长的,通常称为光波列,其波列长度又称为相干长度。当一束光被分成两束,分别经过不同路径再相遇时,如果光程差小于该束光的相干长度,将会在迭加区产生干涉现象。波是物质的一种形式。波的干涉现象是波的特有表现形式之一。产生干涉称为相干波。(上图水波的干涉现象)阳光照射下皂膜上的彩色花纹和水面油膜上的彩色花纹是我们最常见的光的干涉现象。(下图皂膜上的干涉现象)预习提示牛顿环产生干涉现象的原理及测量曲率半径的理论公式推导。移测显微镜的结构及使用方法。设计用逐差法处理原始数据记录表。实验目的熟悉光路调整观察反射式牛顿环的干涉图样测量平凸透镜的曲率半径实验仪器————光路示意图光线经半反射镜M反射后,将改变方向,垂直向下照射在牛顿环上,在牛顿环上产生干涉条纹,此干涉条纹作为物再经半反射镜透射进入读数显微镜。再经读数晃微镜的物镜成像在叉平面上,经目镜放大成像在人的视网膜上。实验仪器——读数显微镜(a)(b)-7读数显微镜A—测微鼓轮;B—显微镜筒;C—目镜;D—调焦手轮;E1、E2—准线;F标尺;G工作台;H反光镜读数显微镜的结构和原理读数显微镜是用于精确测量微小长度的专用显微镜,它主要由用于螺旋测微装置和用于观察的显微镜两部分组成。-7是实验室常用的读数显微镜之一。测微鼓轮A的周边上刻有100个分格。鼓轮旋转一周,显微镜筒水平移动1mm,每转一分格,,它的量程一般是50mm。水平移动的距离(毫米)由水平标尺F上读出,小于1mm的数,由测微鼓轮读出,两者之和就是此时读数显微镜的位置坐标值。-7(b)是读数显微镜的螺旋测微装置,它包括标尺F、读数准线和、测微鼓轮A。读数显微镜的操作方法:Ⅰ调整目镜C,看清十字叉丝。Ⅱ将待测物安放在测量工作台上,转动反光镜H,以得到适当亮度的视场。Ⅲ旋动调焦手轮D,使镜筒B下降到接近物体的表面,然后逐渐上升,直到看清待测物为止。测量时,显微镜筒的移动方向和被测两点间的连线平行。为了防止螺距差,测量时应向同一方向转动鼓轮,若不小心超过了被测目标,就要退回,再重新测量。实验仪器——反射式牛顿环牛顿环仪是由一块曲率半径较大的平凸透镜放在光学平玻璃上构成,平玻璃表面与凸透镜球面之间形成一楔形的空气间隙。当用平行光照射牛顿环仪时,在球面与平玻璃接触点周围就形成了同心圆干涉环——牛顿环。反射式牛顿环的特点:1、条纹形状:干涉条纹是以平凸透镜与平面玻璃板的接触点为圆心,明暗相间的同心圆环,中心为暗点(实际上由于磨损、尘埃等因素影响,中央常模糊不清)2、暗环半径:r=(kRλ)1/2(k=1,2,3,…)明环半径:r=[(2k-1)Rλ/2]1/2(k=1,2,3,…)3、条纹不等间距,内疏外密。返射式牛顿环干涉图透射式牛顿环干涉图实验原理当一曲率半径很大的平凸透镜的凸面与一磨光平面玻璃相接触时,在透镜的凸面与平玻璃板之间将形成一空气膜,离接触点等距离的一方,厚度相同。如图(1)所示,若以波长为λ的单色平行光投到这种装置上,则由空气膜上下表面反射的光波将互相干涉,形成的干涉条纹为膜的等厚各点的轨迹,这种干涉是一种等厚干涉。在反射方向观察时,将看到一组以接触点为中心的明暗相间的圆环形干涉条纹,而且中心是一暗斑,如图2(a)所示;如果在透射方向观察,则看到的干涉条纹与反射光的干涉条纹的光强分布恰成互补,中心是亮斑,原来的亮环处变为暗环,暗环处变为亮环,如果图2(b)所示。这种干涉现象最早为牛顿所发现,故称为牛顿环。图1图2(a)图2(b)实验原理设透镜L的曲率半径为R,形成的m级干涉条纹的半径为rm,m级干涉亮条纹的半径为r’m,不难证明(1) (2)以上两式表明,当λ已知时,只要测出第m级暗环(或亮环)的半径,即可算出透镜的曲率半径R,相反,当R已知时,即可算出λ。但由于两接触镜面之间难免附着尘埃,并且在接时难免发生弹性形变,因而接触处不可能是一个几何点,而是一个圆斑,所以近圆心处环纹比较模糊和粗阔,以致难以确切判定环纹的干涉级数m,即干涉环纹的级数和序数不一定一致。这样,如果只测量一个环纹的半径,计算结果可能有较大的误差。为了减少误差,提高测量精度,必须测量距中心较远的、比较清晰的两个环纹的半径,。如测量出第m1和第m2个暗环(或亮环)的半径(这里的m1、m2均为环的序数,不一定是干涉级数),因而(1)式应修正为(3)式中m为环序数,(m+j)为干涉级数(j级修正值),于是上式表明,任意两环的半径平方差和干涉级以及