大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)用牛頓環(huán)測(cè)量透鏡的曲率半徑 北京工業(yè)大學(xué) 王麗香內(nèi)容介紹1，引言2，實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，實(shí)驗(yàn)原理4，儀器介紹5，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容6，注意事項(xiàng)7，數(shù)據(jù)處理要求8，問(wèn)題討論9，相關(guān)知識(shí)一、引言牛頓環(huán)是一種光學(xué)器件，它的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)曲率半徑很大的平凸透鏡和一塊平玻璃板。當(dāng)單色平行光垂直入射到牛頓環(huán)時(shí)，可獲得等厚干涉條紋。這一原理在實(shí)際工作中有很多應(yīng)用，除了本實(shí)驗(yàn)用來(lái)測(cè)量透鏡的曲率半徑外，最典型的是在光學(xué)元件生產(chǎn)中用它來(lái)檢驗(yàn)光學(xué)表面的加工質(zhì)量，如光潔度和平面度等。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，可使學(xué)生從實(shí)驗(yàn)的角度加深了解等厚干涉原理。 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解等厚干涉原理2、掌握用牛頓環(huán)測(cè)量透鏡曲率半徑的方法3、學(xué)會(huì)使用讀數(shù)顯

2、微鏡以及鈉光燈三、實(shí)驗(yàn)原理光程差曲率半徑dhRO（暗條紋）（亮條紋）)21(22kkh)(422nmddRnm牛頓環(huán)干涉條紋的特點(diǎn)為一系列明暗相間的同心圓環(huán)。中央為零級(jí)暗斑。越往邊緣處，干涉級(jí)次越大，條紋越密。條紋定域在空氣薄膜表面。四、實(shí)驗(yàn)儀器讀數(shù)顯微鏡（分度值0.01mm）牛頓環(huán)（R855mm）鈉光燈牛頓環(huán)（R 855mm）牛頓環(huán)的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)曲率半徑很大（牛頓環(huán)的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)曲率半徑很大（R 855mm）的平凸透鏡和一的平凸透鏡和一塊平玻璃板，在平凸透鏡和平玻璃板之間產(chǎn)生空氣薄膜，當(dāng)單色平塊平玻璃板，在平凸透鏡和平玻璃板之間產(chǎn)生空氣薄膜，當(dāng)單色平行光垂直入射到牛頓環(huán)時(shí)，可獲得等厚干涉條紋

3、。行光垂直入射到牛頓環(huán)時(shí)，可獲得等厚干涉條紋。 平凸透鏡平玻璃板螺釘螺釘空氣薄膜讀數(shù)顯微鏡(分度值0.01mm)1 1、調(diào)節(jié)顯微鏡視場(chǎng)明亮。、調(diào)節(jié)顯微鏡視場(chǎng)明亮。2 2、目鏡調(diào)焦，使分劃板清晰。、目鏡調(diào)焦，使分劃板清晰。3 3、物鏡調(diào)焦，使象清晰、物鏡調(diào)焦，使象清晰 （用視差法判斷）。（用視差法判斷）。4 4、調(diào)整被測(cè)物件，使其被測(cè)的、調(diào)整被測(cè)物件，使其被測(cè)的位移同顯微鏡的移動(dòng)方向平行。位移同顯微鏡的移動(dòng)方向平行。5 5、沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪，、沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪，測(cè)量距離。測(cè)量距離。 鈉光燈鈉光燈是一種氣體放電光源，可發(fā)出波長(zhǎng)分別為588.966nm和589.593nm的黃色譜線。實(shí)驗(yàn)

4、中可取鈉光燈必須與鎮(zhèn)流器串聯(lián)、在額定電壓與額定電流下使用。鈉光燈要盡量連續(xù)使用。nm2 . 03 .589實(shí)驗(yàn)光路布置鈉光燈牛頓環(huán)NG五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、布置光路。2、點(diǎn)亮鈉光燈，照亮顯微鏡的視場(chǎng)。3、調(diào)節(jié)顯微鏡（目鏡調(diào)焦、物鏡調(diào)焦）。4、調(diào)節(jié)牛頓環(huán)的位置。5、轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪，依次對(duì)準(zhǔn)各環(huán)的位置，并記錄數(shù)據(jù)。6、根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算凸透鏡的曲率半徑R。六、注意事項(xiàng)1、在布置光路時(shí)，注意將顯微鏡底座中的反光鏡轉(zhuǎn)到背光一側(cè)。2、在測(cè)量過(guò)程中，鼓輪應(yīng)沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。3、對(duì)物鏡調(diào)焦時(shí)，應(yīng)使物鏡筒從最低點(diǎn)自下而上緩慢地調(diào)節(jié)，以免損壞儀器。4、調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)預(yù)先使顯微鏡筒標(biāo)尺位置處在可移動(dòng)范圍的中點(diǎn)，以避免在測(cè)量

5、時(shí)超出標(biāo)尺的測(cè)量范圍。5、測(cè)量過(guò)程中，不要碰動(dòng)牛頓環(huán)和震動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以免影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。 七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)nm2 . 03 .589， 0 .30nm 1 . 0nm 環(huán)的級(jí)別 m 50 49 48 47 46 45 平均值 右 環(huán)的位置 (mm) 左 環(huán)的直徑 (mm) md 環(huán)的級(jí)別 n 20 19 18 17 16 15 右 環(huán)的位置 (mm) 左 環(huán)的直徑 (mm) nd 2md 直徑的平方 (mm2) 2nd )(22nmdd (mm2) 不確定度的估算相對(duì)不確定度 222)(2222221nmddnmRddnmRnm 其中，nm2 . 03 .589 ，1 . 0nm，30 nm， n

6、inminmddddddnnm122222)(1122 數(shù)據(jù)處理舉例用牛頓環(huán)測(cè)量透鏡的曲率半徑 牛頓環(huán)編號(hào)：5# nm2 .03 .589， 30 nm 1 . 0nm 環(huán)的級(jí)別 m 50 49 48 47 46 45 平均值 右 18.892 18.929 18.977 19.029 19.082 19.128 環(huán)的位置 (mm) 左 29.175 29.131 29.069 29.019 28.967 28.924 環(huán)的直徑 (mm) md 10.283 10.202 10.092 9.990 9.885 9.796 環(huán)的級(jí)別 n 20 19 18 17 16 15 右 20.665 20

7、.749 20.825 20.910 20.989 21.075 環(huán)的位置 (mm) 左 27.389 27.300 27.228 27.147 27.060 26.982 環(huán)的直徑 (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 數(shù)據(jù)處理舉例 ）（2222222122222)(22. 090.6007.6190.6086.6090.6090.6090.6085.609

8、0.6016.6190.6053.601611122mmddddnninminmddnm 0060. 01031. 11022. 21015. 190.6022. 01 . 01 . 00 .3013 .5892 . 0155722222222)(222222 nmddnmRddnmRnm ）（mmRRRR60060. 0861 mmRRR）（6861 八、問(wèn)題討論1、本實(shí)驗(yàn)是用什么方法處理數(shù)據(jù)的？此法有何優(yōu)點(diǎn)？答：是用逐差法處理數(shù)據(jù)的。優(yōu)點(diǎn)為：可以充分利用數(shù)據(jù)，體現(xiàn)出多次測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，減小了測(cè)量誤差。Rmd42 問(wèn)題討論2、實(shí)驗(yàn)中，如何避免螺紋的空程差？答：在測(cè)量過(guò)程中，顯微鏡的鼓輪應(yīng)沿同一方

9、向轉(zhuǎn)動(dòng)，中途不可倒轉(zhuǎn)，以便消除螺紋的間隙誤差。 螺紋間隙空程螺紋正向旋轉(zhuǎn)螺紋反向旋轉(zhuǎn)問(wèn)題討論3、在測(cè)量各個(gè)直徑時(shí)，如果顯微鏡的叉絲交點(diǎn)沒(méi)有通過(guò)牛頓環(huán)的中心，因而測(cè)量的是弦而非真正的直徑，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否有影響？為什么？ 答：對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。因?yàn)閮蓚€(gè)同心圓的直徑的平方差等于弦的平方差 。問(wèn)題討論4、透射光產(chǎn)生的牛頓環(huán)與反射光產(chǎn)生的牛頓環(huán)有何不同？答：透射光產(chǎn)生的牛頓環(huán)也是明暗相間的同心圓環(huán)，但是中央為零級(jí)暗斑，條紋的明暗正好與反射光產(chǎn)生的牛頓環(huán)的明暗互補(bǔ)，且條紋的明暗對(duì)比度差。問(wèn)題討論5、若牛頓環(huán)中心是亮斑而不是暗斑，可能是什么原因造成的？對(duì)測(cè)量結(jié)果有無(wú)影響？6、牛頓環(huán)的中心一定是目鏡視場(chǎng)中所

10、觀察到的零級(jí)暗斑的中心嗎？為什么？7、若把光源換成白光，將會(huì)看見(jiàn)什么樣的條紋？8、測(cè)量中應(yīng)如何避免顯微鏡視差的影響？九、相關(guān)知識(shí)激光干涉測(cè)量技術(shù) 測(cè)量在工業(yè)中是不可缺少的，如長(zhǎng)度的測(cè)量，位移的測(cè)量，速度的測(cè)量等等。不同的應(yīng)用，要求的測(cè)量精度不同，因而需要用不同的手段去實(shí)現(xiàn)。以長(zhǎng)度或位移的測(cè)量為例，當(dāng)測(cè)量精度要求為毫米量級(jí)時(shí)，用普通米尺就足夠了，而卡尺的測(cè)量精度則可達(dá)到百分之一毫米，最大量程為幾十厘米。對(duì)較大尺度進(jìn)行更精密的測(cè)量，特別是，對(duì)快速運(yùn)動(dòng)物體的位置或位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，傳統(tǒng)方法就有些力不從心了。而激光則為精密測(cè)量提供了最強(qiáng)有力的工具。 日本計(jì)量研究所與東京精密儀器公司組成的聯(lián)合研究組，推出一種測(cè)定三維運(yùn)動(dòng)物體位置的方法，系統(tǒng)包括4臺(tái)干涉儀，所用光源為波長(zhǎng)632.8納米的氦-氖激光器，被測(cè)物體上裝有光的反射體。在該研究組進(jìn)行的一次實(shí)驗(yàn)中，高2米的機(jī)器人手臂以50厘米