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等厚干涉实验1.doc

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等厚干涉实验
【实验目的】




【实验仪器】
读数显微镜、牛顿环、劈尖、钠光灯
【实验原理】

牛顿环属于分振幅等厚干涉现象。干涉现象在科学研究和工业技术中有着广泛的应用,如测量光波波长、精确测量微小物体的长度、厚度和角度,检查光学元件、精密机械表面的光洁度、平整度,研究机械零件内应力分布以及测量半导体器件上镀膜厚度等。
在一块平玻璃片B上,放一曲率半径R很大的平凸透镜A,在A、B间形成一从中间向四周渐渐加厚的空气薄膜,以接触点O为中心的圆周上空气膜的厚度相等。当单色平行光束垂直地射向平凸透镜时,在空气膜的上下表面(平凸透镜的下表面和平面玻璃的上表面)所反射的两束光因存在一定的光程差而相互干涉。从透镜上侧俯视,干涉图样是以两玻璃接触点
O为圆心的一系列明暗相间的同心圆环,称为牛顿环。它是等厚干涉图样,空气膜厚度相同的点都处于同一条纹上。
图1实验光路图及牛顿环
设第k级环的环半径为,该处空气膜厚度为e,波长为,显然有下列干涉条件成立:
(k=1,2,3,…) 明环(1)
(k=0,1,2,…) 暗环(2)
式中的是由于从空气膜的下表面反射的反射光有半波损失。中心处,形成中央暗斑。从图1(b)中的三角形得
因,所以,可以把上式中略去,于是
(3)
上式说明e与成正比,所以离开中心愈远光程差增加愈快,牛顿环也变得愈来愈密。
把(3)代入(2),求得暗环半径为:
(4)
如果测量第k级暗环的半径,必须确定环心的位置,也就是牛顿环中央暗斑的中心位置,实验中这一位置不易确定,于是第k级暗环的半径不易测准,为此,把(4)变成牛顿环直经表达式:

对m级和n级暗环有
二式相减,得:
(5)
由(5)式通过测量暗环直径计算出平凸透镜的曲率半径R,可克服测量暗环半径环心不容易确定的困难。

读数显微镜是用于精确测量直线长度的光学仪器。一般的显微镜只有放大物体的作用,不能测量物体的大小。如果在显微镜上装上十字叉丝,并把镜筒固定在一个可以左右或上下移动的托板上,而托板移动的距离由螺旋测微器读出来,则这样改装的显微镜称为读数显微镜。
JXD-Bb型读数显微镜的结构和调整方法图4-5-4读数显微镜结构
使用时,将待测物体用压板15固定在工作台面16上,通过大手柄10和小手柄12调节镜管20部分的升降及水平位置,使物镜18对准物体的待测部分。将大手柄和小手柄锁紧。
转动棱镜盒4至便于观察的位置,并用锁紧螺钉5固定。
调节目镜1进行视度调整,使分划板刻线成像清晰。
旋转调焦手轮6,上下调节镜管部分,从目镜中观察,使被测件成像清晰为止。旋转目镜座2,使分划板十字丝横线水平,然后用锁紧螺钉3锁紧固定。旋转反光镜调节手轮14调节反光镜方位。
调整被测件,使其被测部分的横面和显微镜移动方向平行。转动读数鼓轮17,使十字分划板的纵丝对准被测件的起点,记下此值(在主标尺7上读取整数,在读数鼓轮上读取小数,此二数之和即是此点的读数)D1,沿同方向转动读数鼓轮,使十字分划板的纵丝恰好停止于被测件的终点,记下此值D2,则所测之长度计算可得L=D2-D1,为提高测量精度,可采取多次测量,取其平均值。
若将支杆8改为竖直方向或旋转十字孔支杆9,可进行其它方位测量。
本仪器配备了45o半反镜附件,便于做牛顿环等实验。实验时将半反镜固定在物镜上。
测量时,将十字叉丝的纵丝对准被测物的一端,即可在标尺和测微鼓轮上读出数A,沿同方向转动测微鼓轮,使十字叉丝的纵丝对准被测物的终点,在标尺和测微鼓轮上读出数B,则被测物的直线长度为:|A-B|。
读数显微镜的左右横向移动是靠螺母丝杆的推动,所以一般采用单向测量的方法,以避免空程误差。
图2JXD-Bb型读数显微镜的结构
1目镜;2目镜座;3锁紧螺钉;4梭镜盒;5锁紧螺钉;6调焦手轮;7主标尺;8支杆;9十字孔支杆;
10大手柄;11定位套;12小手柄;13底座;14调节手轮;15压板;16工作台面;17读数鼓轮;18物镜;19主尺指标;20物镜;21副标尺;22副尺指标。

将两个光学平玻璃叠合在一起,并在其中一端垫入待测的薄片或者细丝,则在两玻璃片间形成一空气劈尖。当用一束单色平行光垂直照射时,在空气劈尖薄膜上、下两表面发射的两束光发生干涉,形成干涉条纹。其干涉条纹是一簇平行于棱边的,间距相等,宽度相等的明暗相间的直条纹。
设第k级条纹对应的劈尖厚度为e,由于从空气劈尖下表面反射的反射光有半波损失,故有
(k=0,1,2,…)暗条纹
(k=0,1,2,…)明条纹
可见相邻二明条纹或相邻二暗条纹的空气膜厚度差为。设条纹间距为l,玻璃片长度为L,薄片厚度为d,由几何关系可得

图4劈尖干涉
【实验内容和步骤】

(1)轻微调节牛顿环圆形框架上的三个螺丝,用肉眼观察,使牛顿环心在镜面中央,无畸变,且中心处暗斑较小。但应注意,调节时既要保持条纹的稳定,又不能将螺丝拧得过紧,以免透镜变形而损坏牛顿环装置。将牛顿环放在工作台上物镜下方。
(2)照明:点亮钠光灯,待其正常发光后,调整钠光灯和显微镜位置,使灯的光(最亮部分)大体水平射向镜筒最下端的45º反射玻璃片。调好后可在目镜中看到很亮的黄色视场。
(3)调焦:先调节读数显微镜的目镜,使十字叉丝清晰,再旋转调焦手轮,使干涉圆环清晰,并消除视差。
(4)对准:转动测微鼓轮,使显微镜位于水平标尺的中间位置。移动牛顿环装置,使牛顿环的环心尽量处于显微镜十字叉丝的中心。转动鼓轮,应看到叉丝中心沿直径方向移动(即十字叉丝的交点始终与各圆环相切),否则,应转动目镜镜筒,端正十字叉丝方向。
(5)测量:从中央暗斑开始,逆时针方向缓缓转动鼓轮,同时数环数(0,1,2……),直到第23环为止。缓缓顺时针转动鼓轮使十字叉丝的纵丝对准暗环第21环环纹弧线中央,读数记录环直径右端坐标。接着测读18、15、12、9、6暗环,继续沿此方向转动,跨过中心后读出另一侧的6、9、12、15、18、21