文档介绍：用牛顿环测透镜的曲率半径
实验目的
观察和研究等厚干涉现象和特点。
学****用等厚干涉法测量平凸透镜曲率半径和薄膜厚度。
熟练使用读数显微镜。
学****用逐差法处理实验数据的方法。
实验仪器
测量显微镜,钠光光源,牛顿环仪,牛顿环和劈尖装置。
实验原理
“牛顿环”是一种用分振幅方法实现的等厚干涉现象,最早为牛顿所发现。为了研究薄膜的颜色,牛顿曾经仔细研究过凸透镜和平面玻璃组成的实验装置。他的最有价值的成果是发现通过测量同心圆的半径就可算出凸透镜和平面玻璃板之间对应位置空气层的厚度;对应于亮环的空气层厚度与1、3、5…成比例,对应于暗环的空气层厚度与0、2、4…成比例。但由于他主张光的微粒说(光的干涉是光的波动性的一种表现)而未能对它作出正确的解释。直到十九世纪初,,并参考牛顿的测量结果计算了不同颜色的光波对应的波长和频率。
牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜,将其凸面放在一块光学玻璃平板(平晶)上构成的,如图2所示。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间形成一层空气薄膜,其厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。若以平行单色光垂直照射到牛顿环上,则经空气层上、下表面反射的二光束存在光程差,它们在平凸透镜的凸面相遇后,将发生干涉。其干涉图样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的同心圆环(如图3所示),称为牛顿环。由于同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的,因此称为等厚干涉。
图2 牛顿环装置
图3 干涉圆环
与级条纹对应的两束相干光的光程差为
(1)
为第级条纹对应的空气膜的厚度;为半波损失。
由干涉条件可知,当=(2k+1) (k=0,1,2,3,...) 时,干涉条纹为暗条纹,即
得
(2)
设透镜的曲率半径为R,与接触点O相距为r处空气层的厚度为d,由图2所示几何关系可得
由于R>>d,则 d2可以略去
(3)
由(23-2)和(23-3)式可得第k级暗环的半径为:
(4)
由(4)式可知,如果单色光源的波长已知,只需测出第级暗环的半径rm,即可算出平凸透镜的曲率半径R;反之,如果R已知,测出rm后,就可计算出入射单色光波的波长。但是由于平凸透镜的凸面和光学平玻璃平面不可能是理想的点接触;接触压力会引起局部弹性形变,使接触处成为一个圆形平面,干涉环中心为一暗斑;或者空气间隙层中有了尘埃等因素的存在使得在暗环公式中附加了一项光程差,假设附加厚度为(有灰尘时a > 0,受压变形时a < 0),则光程差为:
由暗纹条件
得
将上式代人(4)得
上式中的不能直接测量,但可以取两个暗环半径的平方差来消除它,例如去第环和第环,对应半径为-
-
两式相减可得
所以透镜的曲率半径为
(5)
又因为暗环的中心不易确定,故取暗环的直径计算
(6)
由上式可知,只要测出Dm与Dn(分别为第m与第n条暗环的直径)的值,就能算出R或。
实验内容及步骤
利用牛顿环测平凸透镜曲率半径
将牛顿环放置在读数显微镜工作台毛玻璃中央,并使显微镜镜筒正对牛顿环装置中心,点燃钠光灯,使其正对读数显微镜物镜的反射镜。
调节读数显微镜
(1)调节目镜:使分划板上的十字刻线清晰可见,并转动目镜,使十字刻线的横刻线与显微镜筒的移动方向平行。
(2)调节反射镜:是显