牛顿环法测曲率半径.docx
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牛顿环法测曲率半径
牛顿环法测曲率半径
2014年11月28日
牛顿环法测曲率半径
光的干涉现象表明了光的波动的性质，干涉现象在科学研究与计量技术中有着广泛的应用。
在干涉现象中，不论何种干涉，相邻干涉条纹的光程差的改变都等于相干光的波长，可见光的波长虽然很小，但干涉条纹间的距离或干涉条纹的数目是可以计量的因此，通过对干涉条纹数目或条纹移动数目的计量，可以得到以光的波长为单位的光程差。
利用光的等厚干涉可以测量光的波长，检验表面的平面度，球面度，光洁度，以及精确测量长度，角度和微小形变等
一•实验内容
图1
本实验的主要内容为利用干射法测量平凸透镜的曲率半径。
1.观察牛顿环
将牛顿环按图2所示放置在读数显微镜镜筒和入射光调节架下方，调节玻璃片的角度，使通过显微镜目镜观察时视场最亮。
调节目镜，看清目镜视场的十字叉丝后，使显微镜镜筒下降到接近牛顿环仪然后缓慢上升，直到观察到干涉条纹，再微调玻璃片角度和显微镜，使条纹清晰。
2.测牛顿环半径
使显微镜十字叉丝交点和牛顿环中心重合，并使水平方向的叉丝和标尺平行（）与显微镜移动方向平行）。
记录标尺读数。
转动显微镜微调鼓轮，使显微镜沿一个方向移动，同时数出十字叉丝竖丝移过的暗环数，直到竖丝与第N环相切为止（N根据实验要求决定）。
记录标尺读数。
3.重复步骤2测得一组牛顿环半径值，利用逐差法处理得到的数据，得到牛顿环半径R和R的标准差。
2.实验原理
图1
如图所示，在平板玻璃面DCF上放一个曲率半径很大的平凸透镜ACBC点为接触
点，这样在ACB和DCF之间，形成一层厚度不均匀的空气薄膜，单色光从上方垂直入射到透镜上，透过透镜，近似垂直地入射于空气膜。
分别从膜的上下表面反射的两条光线来自同一条入射光线，它们满足相干条件并在膜的上表面相遇而产生干涉，干涉后的强
度由相遇的两条光线的光程差决定，由图可见，二者的光程差△'等于膜厚度e的两倍,
即厶=2e
此外，当光在空气膜的上表面反射时，是从光密媒质射向光疏媒质，反射光不发生相位突变，而在下表面反射时，则会发生相位突变，即在反射点处，反射光的相位与入射光的相位之间相差，与之对应的光程差为/2，所以相干的两条光线还
具有/2的附加光程差，总的光程差为
A=A'-4-2/2=+
当△满足条件
（2）
（k=1,2,3…）
时，发生相长干涉，出现第K级亮纹，而当
A二（空十1）鮎厶（k二0,1,2…）
（3）
时，发生相消干涉，出现第k级暗纹。
因为同一级条纹对应着相同的膜厚，所以干涉条纹是一组等厚度线。
可以想见，干涉条纹是一组以C点为中心的同心圆，这就是所谓的
牛顿环。
如图所示，设第k级条纹的半径为rk，对应的膜厚度为ek，则
（4）
在实验中，R的大小为几米到十几米，而ek的数量级为毫米，所以R>>ek，相对
于2R是一个小量，可以忽略，所以上式可以简化为
r?
=2Ret
（5）
如果rk是第k级暗条纹的半径，由式
（1）和（3）可得
（6）
代入式（5）得透镜曲率半径的计算公式
对给定的装置，R为常数，暗纹半径
厂止=J孩艮
和级数k的平方根成正比，即随着k的增大，条纹越来越细
同理，如果rk是第k级明纹，则由式
（1）和
（2）得
吸=（氐一*）寺（9）
代入式（5），可以算出
R=塔
（2H）（10）
由式（8）和（10）可见，只要测出暗纹半径（或明纹半径），数出对应的级数k，
即可算出Ro
在实验中，暗纹位置更容易确定，所以我们选用式（8）来进行计算。
在实际问题中，由于玻璃的弹性形变及接触处不干净等因素，透镜和玻璃板之间不
可能是一个理想的点接触。
这样一来，干涉环的圆心就很难确定，rk就很难测准，而且
在接触处，到底包含了几级条纹也难以知道，这样级数k也无法确定，所以公式（8）不能直接用于实验测量。
在实验中，我们选择两个离中心较远的暗环，假定他们的级数为m和n,测出它们的
直径dm=2rm,dn=2rn,则由式（8）有
由此得出
从这个公式可以看出，只要我们准确地测出某两条暗纹的直径，准确地数出级数m
和n之差（m-n）（不必确定圆心也不必确定具体级数m和n），即可求得曲率半径R。
3.实验仪器
1.读数显微镜一一它由一个显微镜的镜筒和一个螺旋测微装置组成。
螺旋测微装置主要
包括标尺，读数准线，测微鼓轮。
测微鼓轮的圆周上刻有100格的分度，它旋转一周，
读数准线就沿标尺前进或后退1mm故测微鼓轮的分度值为0.01mm
2.钠光灯一一波长在5893A附近，具有光强，色纯的特点，使用时应注意：
（1）燃、灭一次对灯的寿命很有影响，故不得随便开，关。
（2）点燃时，不得受撞击或震动，以免损坏灯管。
3•入射光调节架一一架上嵌有一个可以转动的玻璃片，玻璃片调到大约时，可使平行
光垂直射到牛顿环玻璃表面。
4.牛顿环仪一一由一块待测曲率半径的平凸透镜，以其凸面放在一块光学平板玻璃上
构成，外由一金属圆框固定。
4.实验步骤
1•如图所示，摆放所需仪器。
仿真实验中仪器已摆放到位，只需要您将牛顿环仪摆放到显微镜下即可。
2.打开钠光灯。
点击钠光灯在开、关状态间切换。
3•调节45°玻璃片，使钠光灯射出的光线大体垂直入射到牛顿环装置上。
先点击区域打开目境观察窗口，这时候窗口显示是昏暗模糊的。
用鼠标点区域的入射光调节架，按住鼠标左键不放，调节架作顺时针旋转（从观察者角度），点右键则作相反动作。
如图所示，目镜观察窗中的条纹最明亮（未必清晰）时结束调整。
4•调节牛顿环仪周围的三个螺丝，使在牛顿环中心出现一组同心干涉环
5•调节读数显微镜：
先调节目镜到清楚看到叉丝，再调节显微镜的筒身，为避免损坏目镜，先让物镜靠近牛顿装置的上表面，然后用眼睛看着显微镜，同时由下向上调节筒身，直至在显微镜内能看到清晰的干涉条纹的像，再进行消视差调节：
两眼前后左右移
动，叉丝和干涉条纹之间无相对移动，如果干涉环的亮度不够，可以略微调节45°玻璃
板，以便获得最大的照度。
6•移动牛顿环装置，使干涉条纹的中央暗区在显微镜叉丝的正下方；
首先用鼠标双击图示区域1的牛顿环，打开载物台窗口。
在载物台窗口中您可以用鼠标拖住牛顿环在平面小范围内移动，主要是作上下方向的调整，当目镜观察窗中的横向叉丝经过牛顿环圆心时（纵向叉丝与牛顿环相切），可以结束操作。
当然，这一步可以和下一步（横向调整）交替进行。
这一步作的是横向调整：
先用鼠标双击图示区域1的横向调整手轮，打开标尺窗口。
用鼠标点击标尺窗口右侧的区域2所示部分可以调整镜身的横向移动，左键点击时镜
身向左移动（所以目镜观察窗口中牛顿环向右移），右键则相反。
当配合上一步操作将牛顿环中心移到目镜观察窗口中的叉丝交叉点时，调整结束（不要关闭标尺窗口）。
此时记下标尺的读数
7.在式（11）中，R为待测半径，为光波的波长，均为常量，如果取m-n为
22
一确定值（例如定为m-n=25），则dm-dn也为一常数，就是说，凡是
级数相隔25的两环（例如第50环和第25环，第49环和第24环……），它们的直径的平方差应该不变。
据此，为了测量方便和提高测量准确度，可以
相继测出各环的直径，再用逐差法来处理数据。
本实验要求测出10个dm2-dn2的值，取其平均值，再计算出R。
仿真实验中通过横向调整手轮（标尺窗口中）来将叉丝交叉点定位到第N环（移动时要注
意数着），在纵向叉丝和第N环相切时，记下标尺的读数。
这和上一步的读数之差就是dN。
5.实验数据及数据处理
滾长5893wdtm-n=
环的级数n
50
49
46
47
4G
45
44
43
4-2
41
环的位這医］
63723
63666
63.606
63L527
63.452
63.375
63.301
63.235
63.1&1
63062
环的位養右〕
E0191
50.355
E0319
50.395
50.456
50.53F
50.£10
50LGS9
50.7&2
5QS25
宜径dm（mm]
13.538
13.^13
13.288
13132
12.995
1264
12.S91
1Z547
12.399
1Z257
克径平方
193.277^179.906517E.570^7244^
1GS.BSGCI&4365C161.0£1；157.427；151735；15O.234C
环的级数“
25
24
23
22
21
20
19
18
17
IE
环的位這医］
61.700
61610
614$&
61.406
51.291
61J90
61078
eaaso
60.8X
60.707
环的泣置眉］
52185
52296
52375
52.479
52.577
5ZS92
52.7S3
52.911
59.031
51137
SSdmlmn]
3.515
9324
S121
8.33
a714
8.438
3.255
6.039
73U4
7.57
直径平方
90.5352；9G93G97
S3192&79.7449
75,9337^722160d68.W12：
G4.G2E5；GO.90241'57.3049
直徨方羡
32.742Z1929715=533783[92.7045^929622；3264355324202E32.6016f928327E92329U
半径平方差书乙84鋼）R=1.575［m］
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