大学物理实验牛顿环.ppt

大学物理实验用牛顿环测量透镜的曲率半径 内容介绍1，引言2，实验目的3，实验原理4，仪器介绍5，实验内容6，注意事项7，数据处理要求8，问题讨论9，相关知识一、引言牛顿环是一种光学器件，它的结构包括一个曲率半径很大的平凸透镜和一块平玻璃板。当单色平行光垂直入射到牛顿环时，可获得等厚干涉条纹。这一原理在实际工作中有很多应用，除了本实验用来测量透镜的曲率半径外，最典型的是在光学元件生产中用它来检验光学表面的加工质量，如光洁度和平面度等。通过本实验，可使学生从实验的角度加深了解等厚干涉原理。 二、实验目的1、了解等厚干涉原理2、掌握用牛顿环测量透镜曲率半径的方法3、学会使用读数显微镜以及钠光灯三、实验原理光程差曲率半径dhRO（暗条纹）（亮条纹）)21(22kkh)(422nmddRnm牛顿环干涉条纹的特点为一系列明暗相间的同心圆环。中央为零级暗斑。越往边缘处，干涉级次越大，条纹越密。条纹定域在空气薄膜表面。四、实验仪器读数显微镜（分度值0.01mm）牛顿环（R855mm）钠光灯牛顿环（R 855mm）牛顿环的结构包括一个曲率半径很大（牛顿环的结构包括一个曲率半径很大（R 855mm）的平凸透镜和一的平凸透镜和一块平玻璃板，在平凸透镜和平玻璃板之间产生空气薄膜，当单色平块平玻璃板，在平凸透镜和平玻璃板之间产生空气薄膜，当单色平行光垂直入射到牛顿环时，可获得等厚干涉条纹。行光垂直入射到牛顿环时，可获得等厚干涉条纹。 平凸透镜平玻璃板螺钉螺钉空气薄膜读数显微镜(分度值0.01mm)1 1、调节显微镜视场明亮。、调节显微镜视场明亮。2 2、目镜调焦，使分划板清晰。、目镜调焦，使分划板清晰。3 3、物镜调焦，使象清晰、物镜调焦，使象清晰 （用视差法判断）。（用视差法判断）。4 4、调整被测物件，使其被测的、调整被测物件，使其被测的位移同显微镜的移动方向平行。位移同显微镜的移动方向平行。5 5、沿同一方向转动测微鼓轮，、沿同一方向转动测微鼓轮，测量距离。测量距离。 钠光灯钠光灯是一种气体放电光源，可发出波长分别为588.966nm和589.593nm的黄色谱线。实验中可取钠光灯必须与镇流器串联、在额定电压与额定电流下使用。钠光灯要尽量连续使用。nm2 . 03 .589实验光路布置钠光灯牛顿环NG五、实验内容和步骤1、布置光路。2、点亮钠光灯，照亮显微镜的视场。3、调节显微镜（目镜调焦、物镜调焦）。4、调节牛顿环的位置。5、转动测微鼓轮，依次对准各环的位置，并记录数据。6、根据所测数据计算凸透镜的曲率半径R。六、注意事项1、在布置光路时，注意将显微镜底座中的反光镜转到背光一侧。2、在测量过程中，鼓轮应沿同一方向转动。3、对物镜调焦时，应使物镜筒从最低点自下而上缓慢地调节，以免损坏仪器。4、调节时，应预先使显微镜筒标尺位置处在可移动范围的中点，以避免在测量时超出标尺的测量范围。5、测量过程中，不要碰动牛顿环和震动实验台，以免影响测量的准确性。 七、实验数据nm2 . 03 .589， 0 .30nm 1 . 0nm 环的级别 m 50 49 48 47 46 45 平均值 右 环的位置 (mm) 左 环的直径 (mm) md 环的级别 n 20 19 18 17 16 15 右 环的位置 (mm) 左 环的直径 (mm) nd 2md 直径的平方 (mm2) 2nd )(22nmdd (mm2) 不确定度的估算相对不确定度 222)(2222221nmddnmRddnmRnm 其中，nm2 . 03 .589 ，1 . 0nm，30nm， ninminmddddddnnm122222)(1122 数据处理举例用牛顿环测量透镜的曲率半径 牛顿环编号：5# nm2 . 03 .589， 30 nm 1 . 0nm 环的级别 m 50 49 48 47 46 45 平均值 右 18.892 18.929 18.977 19.029 19.082 19.128 环的位置 (mm) 左 29.175 29.131 29.069 29.019 28.967 28.924 环的直径 (mm) md 10.283 10.202 10.092 9.990 9.885 9.796 环的级别 n 20 19 18 17 16 15 右 20.665 20.749 20.825 20.910 20.989 21.075 环的位置 (mm) 左 27.389 27.300 27.228 27.147 27.060 26.982 环的直径 (mm) nd 6.724 6.551 6.403 6.237 6.071 5.907 )(22nmdd (mm2) 60.53 61.16 60.85 60.90 60.86 61.07 60.90 ）（mmnmddRnm8613 .5890 .30490.60)(422 数据处理举例 ）（2222222122222)(22. 090.6007.6190.6086.6090.6090.6090.6085.6090.6016.6190.6053.601611122mmddddnninminmddnm 0060. 01031. 11022. 21015. 190.6022. 01 . 01 . 00 .3013 .5892 . 0155722222222)(222222 nmddnmRddnmRnm ）（mmRRRR60060. 0861 mmRRR）（6861 八、问题讨论1、本实验是用什么方法处理数据的？此法有何优点？答：是用逐差法处理数据的。优点为：可以充分利用数据，体现出多次测量的优点，减小了测量误差。Rmd42 问题讨论2、实验中，如何避免螺纹的空程差？答：在测量过程中，显微镜的鼓轮应沿同一方向转动，中途不可倒转，以便消除螺纹的间隙误差。 螺纹间隙空程螺纹正向旋转螺纹反向旋转问题讨论3、在测量各个直径时，如果显微镜的叉丝交点没有通过牛顿环的中心，因而测量的是弦而非真正的直径，对实验结果是否有影响？为什么？ 答：对实验结果没有影响。因为两个同心圆的直径的平方差等于弦的平方差 。问题讨论4、透射光产生的牛顿环与反射光产生的牛顿环有何不同？答：透射光产生的牛顿环也是明暗相间的同心圆环，但是中央为零级暗斑，条纹的明暗正好与反射光产生的牛顿环的明暗互补，且条纹的明暗对比度差。问题讨论5、若牛顿环中心是亮斑而不是暗斑，可能是什么原因造成的？对测量结果有无影响？6、牛顿环的中心一定是目镜视场中所观察到的零级暗斑的中心吗？为什么？7、若把光源换成白光，将会看见什么样的条纹？8、测量中应如何避免显微镜视差的影响？九、相关知识激光干涉测量技术 测量在工业中是不可缺少的，如长度的测量，位移的测量，速度的测量等等。不同的应用，要求的测量精度不同，因而需要用不同的手段去实现。以长度或位移的测量为例，当测量精度要求为毫米量级时，用普通米尺就足够了，而卡尺的测量精度则可达到百分之一毫米，最大量程为几十厘米。对较大尺度进行更精密的测量，特别是，对快速运动物体的位置或位移进行实时测量，传统方法就有些力不从心了。而激光则为精密测量提供了最强有力的工具。 日本计量研究所与东京精密仪器公司组成的联合研究组，推出一种测定三维运动物体位置的方法，系统包括4台干涉仪，所用光源为波长632.8纳米的氦-氖激光器，被测物体上装有光的反射体。在该研究组进行的一次实验中，高2米的机器人手臂以50厘米每秒的速度运动，系统对其臂端反射体的位置进行了测量，测量精度达到1微米。 宇宙引力波的测量 激光干涉仪最令人感兴趣的应用之一也许是对引力波的测定。爱因斯坦曾推测，诸如星体爆炸，黑洞撞击和宇宙“最初”的大碰撞之类的强烈天文事件可能形成引力波。但由于这种波如果存在的话也非常弱，因此，几十年来从未能探测到，也无法确定其是否存在。