实验用牛顿环测透镜曲率半径.doc

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： （Ⅱ-13-1） 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 =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-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： 与环数差有关。 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： -，-。 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 暗环级数(n) 暗环位置 (mm2) 左 右 左 右 20 10 19