大学物理实验(用牛顿环测透镜曲率半径)报告怎么写
光的干涉是光的波动的一种表现。如果把同一个点光源发出的光分成两束，经过不同的路径后又相遇，当光程差小于光源的相干长度时，一般会发生干涉。干涉现象在科学研究和工业技术中有着广泛的应用，如测量光波的波长，精确测量长度、厚度和角度，测试试样的表面光洁度，研究机械零件内部应力的分布以及半导体技术中测量硅片上氧化层的厚度等。牛顿环和光楔就是非常典型的例子，属于振幅分割法产生的干涉现象，也是典型的等厚干涉条纹。
实验目的
1.观察和研究等厚干涉的现象和特征。
2.学会用等厚干涉法测量平凸透镜的曲率半径和膜厚。
3.熟练使用读数显微镜。
4.学习用逐步差分法处理实验数据的方法。
实验室仪器
测量显微镜、钠光源、牛顿环仪、牛顿环和楔形装置。
图1实验仪器物理图
实验原理
1.
牛顿环是一种用分数振幅法实现的等厚干涉现象，最早由牛顿发现。为了研究薄膜的颜色，牛顿仔细研究了由凸透镜和平面玻璃组成的实验装置。他最有价值的成果是，通过测量同心圆的半径，可以计算出凸透镜与平面玻璃板之间相应位置的空气层厚度。亮环对应的空气层厚度与1，3，5…成正比，暗环对应的空气层厚度与0，2，4…成正比。但他因为主张光的粒子说(光的干涉是光的波动的一种表现)而未能正确解释。直到19世纪初，托马斯·杨用光的干涉原理解释了牛顿环现象，并参考牛顿的测量结果计算出不同颜色光波对应的波长和频率。
牛顿环装置由曲率半径较大的平凸透镜组成，其凸面放置在光学玻璃板(平板晶体)上，如图2所示。在平凸透镜的凸面和玻璃板之间形成空气膜，其厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。如果平行单色光垂直照射在牛顿环上，空气层上下表面反射的两束光会有光程差，在平凸透镜的凸面上相遇就会发生干涉。其干涉图样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗交替的同心圆环(如图3)，称为牛顿环。由于同一干涉环上各处空气层厚度相同，故称为等厚干涉。
图2牛顿环装置图3干涉环
对应于水平条纹的两个相干光束之间的光程差为
(1)
是一级条纹对应的空气膜厚度；半波损失。
根据干扰条件，当= (2k+1) (k = 0，1，2，3，...)，干涉条纹较暗，即。
得到
(2)
设透镜的曲率半径为R，距离接触点O为R处的空气层厚度为D，这可以从图2所示的几何关系中得到。
由于R & gt& gtd，d2可以省略。
(3)
根据等式(23-2)和(23-3)，K级暗环的半径为:
(4)
根据公式(4)，如果已知单色光源的波长，只需测量第一个暗环的半径rm就可以计算出平凸透镜的曲率半径r；另一方面，如果已知R，则可以在测量rm之后计算入射单色光波的波长。但是，由于平凸透镜的凸面与光学平板玻璃的平面不能理想点接触；接触压力会引起局部弹性变形，使接触点为圆形平面，干涉环中心为暗斑；或者空气隙层中灰尘的存在使得一个光程差加到了暗环公式中，假设有灰尘时附加厚度为(a0，a
通过暗条纹条件
得到
用上面的公式代替(4)
上面的公式不能直接测量，但是可以通过取两个暗环半径的平方差来消除，比如去掉第一个环和第二个环，对应的半径为
-
-
可以获得两个表达式的减法
所以镜片的曲率半径是
(5)
因为暗环的中心不容易确定，所以计算暗环的直径。
(6)
从上式可以看出，只要测出Dm和Dn(分别为第m个和第n个暗环的直径)的值，就可以计算出R或。
平分小费
当两块光学平板玻璃叠放在一起，在一端垫上一片要测试的薄片(或细丝)时，在两块玻璃板之间形成一个空气楔。当用单色光垂直照射时，像牛顿环一样，空气楔上下表面反射的两束相干光相互干涉，干涉条纹是一簇等间距、等宽的平行明暗条纹，平行于两块玻璃板的交线(即楔的边缘)，如图4所示。
图4空气楔干扰
通过暗条纹条件
(=0,1,2,...)
可以得到对应于一阶暗线的空气楔的厚度为
对应于+1暗纹理的空气楔厚度为
减去这两个表达式
上式表明，任意两相邻干涉条纹对应的空气楔厚度差为。还可以得出结论，对应于由条纹分开的两个干涉条纹的空气楔的厚度差为
根据几何相似性条件，待测板的厚度可以如下获得
其中是两块玻璃板的交线与被测玻璃板边缘之间的距离(即楔尖的有效长度)和条纹之间的距离，可以用读数显微镜测量。
实验仪器介绍
1.读数显微镜
如图5所示，读数显微镜的主要部分是用于放大待测物体的显微镜和用于读数的主尺和辅助尺。旋转千分尺手轮可以使显微镜左右移动。显微镜由物镜、目镜和十字准线组成。使用时，将被测物体放在工作台上，用压片固定。调整目镜调整能见度，使叉丝清晰。转动调焦手轮，从目镜观察，使被测物体图像清晰。调整被测物体，使被测零件的横向平面平行于显微镜的移动方向。转动千分尺手轮，使十字准线的纵线对准被测物体的起点，并进行读数(读数是主尺和千分尺手轮读数之和)。读数尺标有0-50mm的线，每格数值为1mm，读数筒圆周等分为100格。鼓每旋转一周，刻度尺移动一格，即1mm，那么鼓上每个格的值为0.01 mm，为了避免回程误差，应采用单向移动测量。
1.目镜2。锁环3。锁紧螺钉4。聚焦手轮5。镜头筒支架6。目标7。弹簧压力8。桌面玻璃9。转动手轮10。镜像11。基数12。转手13。
2.钠光源
灯管内有两层玻璃灯泡，内含少量氩和钠。灯丝加热时，氩气发出淡紫色的光，钠加热后汽化，逐渐发出589.0和589.3两条强谱线，通常称为钠双线。由于两条谱线非常接近，在实验中可以认为是较好的单色光源，通常取589.3的平均值作为单色光源的波长。因为强度高，颜色简单，所以是最常用的单色光源。
使用钠灯时应注意:
(1)钠灯必须和扼流圈串联使用，否则会烧坏。
(2)灯点燃后，需要等待一段时间才能正常使用(点燃时间约为5-6)。
(3)每一次开关对灯的寿命都有影响，不要轻易开关。另外正常使用下有一定消耗，使用寿命只有500，要做好准备，集中使用时间。
(4)开机时应垂直放置，不得撞击、震动。使用后一定要冷却后才能倒着摇，以免金属钠流动，影响性能。
实验内容和步骤
1.用牛顿环测量平凸透镜的曲率半径。
1.将牛顿环放在读数显微镜工作台毛玻璃的中心，使显微镜镜筒朝向牛顿环装置的中心，点亮钠灯，使其朝向读数显微镜物镜的反射镜。
2.调整读数显微镜
(1)调整目镜:使十字线在分划板上清晰可见，旋转目镜，使十字线与显微镜镜筒移动方向平行。
(2)调整镜面:在显微镜的视场内亮度最大，基本满足入射光垂直于被测透镜的要求。
(3)转动手轮15:将镜筒移动到标尺中间，调节调焦手轮4，使物镜靠近牛顿环装置表面。
(4)读数显微镜调焦:缓慢转动调焦手轮4，使镜筒自下而上移动进行调焦，直至从目镜视场中清晰看到牛顿环干涉条纹，误差忽略不计；然后移动牛顿环装置，使目镜中十字线的交点大致与牛顿环的中心重合。
3.观察条纹的分布特征。各级条纹粗细是否一致，条纹间距是否相同，并说明。观察牛顿环中心是亮还是暗。如果是亮的，怎么解释？
4.测量暗环的直径。转动读数显微镜的读数筒，同时在目镜中观察，使十字准线从牛顿环中心缓慢移动到第23环再回到第22环，并从第22环开始单向移动十字准线，每次移动到13环时记录相应读数，然后从同侧第10环开始记录到第1环；通过中央暗点，从另一侧的1环数至10环，再从13环数至第22环。并将测量数据记录在数据表中。
第二，用一个楔子测量薄片的厚度
1.从读数显微镜工作台上取下牛顿环，换上一个楔子，使两块玻璃片的相交处和片的边缘都在可测区域内。
2.聚焦显微镜，从目镜中可以看到清晰的干涉条纹。如果干涉条纹与两块玻璃板的交线不平行，可能是压紧螺钉不够紧，或者板上有灰尘。适当调整压紧螺钉的松紧或清洁薄片，使干涉条纹平行于两块玻璃的交线。
3.调整工作台上分裂尖端的位置，使干涉条纹平行于十字准线的纵线。
4.转动鼓轮15，将镜筒移动到标尺的一端后反转，测量劈尖的有效L(即两块玻璃的交线到板材边缘的距离)。
5.在楔形中间条纹清晰的地方，从第一条暗条纹开始数，然后每隔五条暗条纹数一次，记录12读数，记录在自制数据表中。用差分法处理数据。
需要注意的事项
1.牛顿环仪器、光楔、镜头、显微镜的光学表面不干净，用专用擦镜纸轻轻擦拭。
2.读数显微镜的测微鼓在每次测量时只能向一个方向旋转，中途不能反转。
3.用镜筒对被测物体调焦时，为了防止显微镜物镜损坏，正确的调整方法是将镜筒移离被测物体(即抬起镜筒)。
数据记录和处理
一.数据处理
根据计算公式，是的，分别测量n次，那么可以得到n个Ri值，所以有，我们想得到的测量结果是。下面将简要介绍的计算。根据不确定性的定义
组分a在哪里
b分量是(单次测量的b分量)
测量精度可以从显微镜的读数机构获得(mm)。
所以有
二、数据记录表
1.用牛顿环测量透镜曲率半径
分组I 1 23455 6789 10
等级编号mi 22 21 20 19 17 16 15 14 13。
向左设置
正确
直接直径Dmi
等级编号ni 1211109876543
向左设置
正确
直接直径Dni
直径平方差D-D
透镜曲率半直径r