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等厚干涉現(xiàn)象與應(yīng)用,物理實(shí)驗(yàn)示范中心 主講:王德法,目錄,實(shí) 驗(yàn) 目 的 實(shí) 驗(yàn) 原 理 實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容 注 意 事 項(xiàng),實(shí) 驗(yàn) 目 的,觀察等厚干涉現(xiàn)象。 學(xué)習(xí)用牛頓環(huán)測量球面曲率半徑的原理和方法。 學(xué)會(huì)使用鈉光燈及熟煉使用讀數(shù)顯微鏡。,實(shí) 驗(yàn) 原 理,一. 等厚干涉 當(dāng)光源照到一塊由透明介質(zhì)做的薄膜上時(shí),光在薄膜的上表面被分割成反射和折射兩束光(分振幅),折射光在薄膜的下表面反射后,又經(jīng)上表面折射,最后回到原來的媒質(zhì)中,在這里與反射光交迭,發(fā)生相干。只要光源發(fā)出的光束足夠?qū)?,相干光束的交迭區(qū)可以從薄膜表面一直延伸到無窮遠(yuǎn)。 薄膜厚度相同處產(chǎn)生同一級(jí)的干涉條紋,厚度不同處產(chǎn)生不同級(jí)的干涉條紋。這種干涉稱為等厚干涉。,S,二.用牛頓環(huán)測透鏡的曲率半徑 牛頓環(huán)儀是由一個(gè)曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與一個(gè)平面玻璃接觸在一起構(gòu)成,平凸透鏡的凸面與玻璃片之間的空氣層厚度從中心接觸點(diǎn)到邊緣逐漸增加。,C,O,R,e,k,r,k,q,牛頓環(huán)儀,當(dāng)用平行單色光垂直照射到牛頓環(huán)儀上時(shí),一部分光線在空氣層的下表面反射,一部分光線在空氣層的上表面反射,這兩部分光有光程差,它們?cè)谄酵雇哥R的凸面附近相遇而發(fā)生干涉。當(dāng)我們用顯微鏡來觀察時(shí),便可清楚地看到中心是一暗圓斑,而周圍是許多明暗相間、間隔逐漸減小的同心環(huán),稱為牛頓環(huán)。它屬于等厚干涉條紋。,k級(jí)干涉圓環(huán)對(duì)應(yīng)的兩束相干光的光程差為: 由干涉條件可知: ,R為透鏡的曲率半徑,rk為第k級(jí)干涉環(huán)的半徑,由幾何關(guān)系可得 : 所以 ,由于 , 可忽略, 因此得到:,(此式說明: 與 成正比,即離開中心愈遠(yuǎn),光程差增加愈快,因此,干涉環(huán)愈密。),整理后得: 上式若已知 ,測出第k級(jí)暗條紋的半徑rk ,便可算出透鏡的曲率半徑R。,在實(shí)驗(yàn)中不能直接用 公式,原因有二: 實(shí)際觀察牛頓環(huán)時(shí)發(fā)現(xiàn),牛頓環(huán)的中心不是一個(gè)點(diǎn),而是一個(gè)不甚清晰的暗或亮的圓斑。其原因是透鏡與平板玻璃接觸時(shí),由于接觸壓力引起形變,使接觸處為一圓面,而圓面的中心很難定準(zhǔn),因此rk不易測準(zhǔn); 鏡面上可能有灰塵等存在而引起一個(gè)附加厚度,從而形成附加的光程差,這樣,絕對(duì)級(jí)數(shù)也不易定準(zhǔn)。,為了克服這些困難, 對(duì) 進(jìn)行處理,首先取暗環(huán) 直徑Dk 來替代半徑rk , ,則可寫成: 或 再采用逐差法,以消除附加光程差帶來的誤差,若m與n級(jí)暗環(huán)直徑分別Dm與Dn, 則: 兩式相減得: 上式只出現(xiàn)相對(duì)級(jí)數(shù)(m-n),無需知道待測暗環(huán)的絕對(duì)級(jí)數(shù),而且由于分子是 ,通過幾何分析可知,即使牛頓環(huán)中心無法定準(zhǔn),也不會(huì)影響R的準(zhǔn)確度。,實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容,用牛頓環(huán)測定透鏡的曲率半徑 1.熟悉讀數(shù)顯微鏡的使用方法,目鏡,調(diào)焦手輪,測微鼓輪,鎖緊手輪,標(biāo)尺,450可調(diào)式半反鏡,2 .調(diào)整測量裝置。 1).調(diào)整半反鏡,使讀數(shù)顯微鏡的目鏡中看到均勻明亮的光場。 2). 調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡的目鏡,使十字叉絲清晰、無視差。調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡的物鏡調(diào)節(jié)螺釘,置鏡筒于最低位置,然后,邊觀察邊升高物鏡,直至在目鏡中觀察到清晰的牛頓環(huán)。 3 .測量牛頓環(huán)的直徑使干涉圓環(huán)中心在視場中央,仔細(xì)觀察干涉條紋的特點(diǎn)。,4 .讀數(shù)顯微鏡的讀數(shù)方法 主尺的分度值為1mm,測微鼓輪共有100個(gè)刻度,其份度值為0.01mm,可估讀到0.001mm。,主尺,測微鼓輪,15mm,0.506mm,最后讀數(shù)為:15.506mm,注 意 事 項(xiàng),1.在測量時(shí),讀數(shù)顯微鏡的測微鼓輪應(yīng)沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)
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