实验13 用牛顿环测透镜曲率半径

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1、实验13用牛顿环测透镜曲率半径实验13用牛顿环测透镜曲率半径当频率相同、振动方向相同、相位差恒定的两束简谐光波相遇时，在光波重叠的区域，某些点合成的光强大于分光强之和，某些点合成光强小于分光强之和，合成光波的光强在空间形成强弱相间的稳定分布，这种现象称为光的干涉。实验中获得相干光的方法一般有两种：分波阵面法和分振幅法。“牛顿环”属于分振幅法产生的等厚干涉现象，它在光学加工中有着广泛的应用，例如测量光学元件的曲率半径等。这种方法适用于测量大的曲率半径。本实验用牛顿环测量薄凸透镜的曲率半径。【实验目的】1．观察牛顿环等

2、厚干涉现象，加深对光的波动性的认识；2．学会使用读数显微镜；3．学会使用牛顿环测透镜曲率半径的方法。【实验原理】如图Ⅱ-13-1所示，把一块曲率半径很大的平凸透镜的凸面放在一块光学平板玻璃上，在透镜的凸面和平板玻璃间形成一个上表面是球面，下表面是平面的空气薄层，其厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。离接触点等距离的地方，厚度相同，等厚膜的轨迹是以接触点为中心的圆。若一单色光近乎垂直地射到平凸透镜上，光线经空气薄层上下两个面反射后相遇于P点，两相干光的光程差为：入射光P图Ⅱ-13-1产生牛顿环的光路示意图（Ⅱ-13-1）

3、式（Ⅱ-13-1）中，为光在平面玻璃上反射时因有相位跃变而产生的附加光程差。当光程差满足-89-实验13用牛顿环测透镜曲率半径=1，2，3，…时，为明条纹=0，1，2，3，…时，为暗条纹可见，在厚度相同的地方为同一级干涉条纹，干涉条纹是明暗相间的同心圆环，称为牛顿环。透镜和平面玻璃的接触点处=0，对应的是零级暗环。根据牛顿环的暗条纹（暗环）条件，当空气厚度满足如下条件：（Ⅱ-13-2）时得到暗条纹。又由图Ⅱ-13-1的几何关系可得（Ⅱ-13-3）因为>>，略去，再把式（Ⅱ-13-2）代入（Ⅱ-13-3），得出暗环半

4、径为（=0，1，2，3，……）（Ⅱ-13-4）式（Ⅱ-13-4）表明，只要测出第级牛顿环的半径和已知入射光的波长，就可以计算出透镜的曲率半径；相反，当已知时，可以算出。观察牛顿环时将会发现，牛顿环中心不是一个点，而是一个不甚清晰的暗圆斑。其原因是透镜和平玻璃接触时，由于接触压力引起变形，使接触处为一圆面；又因镜面上可能有微小的灰尘等存在，从而引起附加光程差。这都会给测量带来较大的系统错误。我们可以通过测量距中心较远，比较清晰的两个暗环的半径的平方差来清除附加光程差带来的误差。取第和两级暗纹，则对应的半径，根据式（Ⅱ

5、-13-4）为：将两式相减，得可以证明与附加的光程差无关。由于暗环圆心不易确定，故取暗环的直径替换，因而透镜的曲率半径为（Ⅱ-13-5）由式（Ⅱ-13-5）可以看出：-89-实验13用牛顿环测透镜曲率半径（1）与环数差有关。（2）对于，由几何关系可以证明，两同心圆直径的平方差等于对应弦的平方差。因此，测量时无须准确确定环心的位置，只要测出同心暗环对应的弦长即可。本实验中使用的光源为钠光灯，入射光波波长=589.3nm，只要测出和，就可求得透镜的曲率半径。【实验仪器】JXD-C型读数显微镜，钠光灯，牛顿环装置，45度

6、平面反射玻璃片。【实验内容】用牛顿环测量透镜的曲率半径图Ⅱ-13-2读数显微镜结构图1．调节读数显微镜图Ⅱ-13-2为读数显微镜结构图。调节过程如下：先调节目镜到清楚地看到叉丝，且分别与X，Y轴大致平行，然后将目镜固定紧。调节显微镜的镜筒使其下降。（注意，应该从显微镜外面看，而不是从目镜中看。）靠近牛顿环时，再自下而上缓慢上升，直到从目镜中看清楚干涉条纹，且与叉丝无视差。2．测量牛顿环直径转动测微鼓轮使载物台移动，并使主尺读数准线居主尺中央。旋转读数显微镜控制丝杆的螺旋，使叉丝的交点由暗斑中心向左移动，同时读出移过

7、去的暗环数（中心暗斑环序为0）。当数到23环时，再反向转动鼓轮。（注意：使用读数显微镜时，为了避免引起螺距差，移测时必须向同一方向旋转，中途不可倒退。）使竖直叉丝依次对准牛顿环左半部条纹暗环，分别记下相应要测环的位置：，，，，，再测，，，，（下标为暗环序号）。当竖直叉丝移到环心另一侧后，继续测出右半部相应暗环位置读数：-，-。-89-实验13用牛顿环测透镜曲率半径将测量数据记录在表Ⅱ-13-1中，用逐差法处理数据。表Ⅱ-13-1实验数据记录表格钠光波长=589.3nm环数差=10单位：mm暗环级数(m)暗环位置暗环

8、级数(n)暗环位置(mm2)左右左右2010199188177166计算出凸透镜的曲率半径的算术平均值和测量的不确定度。不计类不确定度，则测量的不确定度为式中，=5，查表Ⅰ-3-1可得修正因子=2.78。最后，测量结果表达式表示为%【思考题】1．理论上牛顿环中心是个暗点，实际看到的往往是个忽明忽暗的斑，造成的原因是什么？对透镜曲率半径的测量有无影响？为什么？