牛顿环干涉实验的相关问题及研究

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1、牛顿环干涉实验的相关问题及研究第一作者：王梓兆学号：14051134院系：航空科学与工程学院第二作者：左冉东学号：14051132院系：航空科学与工程学院【摘要】在判断透镜表面凸凹、精确检验光学元件表面质量、测量透镜表面曲率半径和液体折射率等方面，牛顿环干涉是一种非常常用的方法。通过观察牛顿环并进行计算，可以较为准确地得出结果，但同时，现实中是无法达到完美的理想效果的，所以实验中一定会出现一系列问题，本文对牛顿环干涉实验中出现的若干问题进行了研究。【关键词】牛顿环、光的干涉、一元线性回归【实验原理】牛顿环是一种光的干涉图样。是牛顿在1675年首先观察到的。将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一

2、块玻璃平板上，用单色光照射透镜与玻璃板，就可以观察到一些明暗相间的同心圆环。圆环分布是屮间疏、边缘密，圆心在接触点0。从反射光看到的牛顿环中心是暗的，从透射光看到的牛顿环中心是明的。若用白光入射.将观察到彩色圆环。牛顿环是典型的等厚薄膜干涉。凸透镜的凸球面和玻璃平板之间形成一个厚度均匀变化的圆尖劈形空气簿膜，当平行光垂直射向平凸透镜时，从尖劈形空气膜上、下表血反射的两束光相互叠加而产生干涉。同一半径的圆环处空气膜厚度相同，上、下表面反射光程差相同，因此使干涉图样呈圆环状。这种由同一厚度薄膜产生同一干涉条纹的干涉称作等厚干涉。分析光路：将一大曲率半径的平凸玻璃透镜A放在平板玻璃上即构成牛顿环

3、仪。光源S通过透镜L产生平行光束，再经倾角为450的平板玻璃M反射后，垂直照射到平凸透镜上。入射光分别在空气层的两表面反射后，穿过M进入读数显微镜下，在显微镜中可以观察到以接触点为中心的圆环形干涉条纹一一牛顿环。推导公式：根据光的干涉条件，在空气厚度为d的地方，冇2d+二k入(k=l,2,3...)明条纹22XX2d+=(2k+l)(k=l,2,3...)暗条纹2入式中左端的。令r为条纹半径，由右图可知：2XR2=r2+(R?d)2化简后得r2=2Re?d2当R>>d时，上式中的d2可以略去，因此r2d二将此式代入上述干涉条件，并化简，得r2=2k?lRk=l,2,3—明环2入

4、r2二k入R(k=123…)暗环由上式可以看岀，若测出了明纹或暗纹的半径r,就可定出平凸透镜的曲率半径R。在实际测量中，暗纹比明纹更容易对准，故以测量暗纹为宜，另外通常测量直径D比较方便，于是可将公式变形为D2=4kXR（k=04,2—）上式即为测透镜焦距的公式。【实验仪器】牛顿环仪、读数显微镜（附450玻璃片）、钠光灯。【主耍步骤】1、干涉条纹的调整按图1所示放置仪器，光源S发出的光经平板玻璃M的反射进入牛顿环仪。调节目镜清晰地看到十字叉丝，然后由下到上移动显微镜镜筒（为防止压坏被测物体和物镜，不得由上向下移动），看清牛顿环干涉条纹。2、牛顿环直径的测量连续测出10个以上干涉条纹的直径。

5、①测量前先定性观察条纹是否都在显微镜的读数范围内；②由于接触点附近存在形变，故中心附近的圆环不宜用来测量；③读数前应使叉丝中心和牛顿环的屮心重合；④为了有效地消除空程带来的误差，不仅要保证单方向转动鼓轮，而且要在叉丝推进一定的距离以后才开始读数。3、数据处理%1自行设计原始数据列表；%1由D2=4kXR（k=0丄2・・・）用一元线性回归方法计算平凸透镜的曲率半径；【实验现象观测】【数据处理】原始数据第一种数据处理方法：由几何关系:D2=4XRk,令:D2=y,k=x,b=4XR,则原式变为y=bx.x=14.5y=31.989522=218.5xyx=463.84804=480.59543

6、98xyy2=1057.356则b=r=?xyxyx?x=2.0370xl0?6m2线性非常好?x2y?y22x2不确定度计算:A类不确定度：11uab=b?1=2.161537681X10?8mB类不确定度可忽略不计合成不确定度：ub=uab=2.161537681xl0?8m又己知钠光灯的波长为X=589.3nmbR==0.86460mubuR==0.0089154m则R=0.871±0.009m分析：几何关系:D2二4入Rk,则使用一元线性回归所得函数应为止比例函数，函数图像为过原点的直线，而由已知计算结果可以看到所得线性回归函数并非正比例函数，而且有一段相对而言很大的截距，使之不能

7、简单地近似为正比例函数，故可知一定存在某种原因导致了这种结果的出现。现实条件下，无法达到实验所希望的理想条件，误差无论如何也不可能避免，不仅仅是在计算之中，实验仪器本身也有误差存在。我们所观察的牛顿环仪由一片弧面玻璃与一面平面玻璃制成，制作过程中工艺水准的限制以及制作完成后的保存条件都会对其有非常大的影响，弧面玻璃和平面玻璃的接触点处可能会产生形变，也就意味着，我们所观察到的牛顿环屮心级数k不易确定，计算所得D值也会与理