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1、牛顿环实验,实验原理,在一块水平的玻璃片B上，放一曲率半径 R 很大的平凸透镜 A，把它们装在框架 DC 中，这样就组成了牛顿环仪。框架上有三个螺旋H，用来调节A和B的相对位置，以改变牛顿环的形状和位置。,牛顿环仪的结构,牛顿环仪,在牛顿环仪里，A、B之间形成了一轴对称劈形空气薄膜。当平行单色光垂直照射牛顿环仪时，由于透镜下表面所反射的光和平面玻璃片上表面所反射的光发生干涉，在透镜上表面将呈现干涉条纹。这些干涉条纹都是以平凸透镜和平面玻璃片的接触点O为中心的一系列明暗相间的同心圆环。这种干涉现象最早于1675年由牛顿发现并描述，故称为牛顿环。,干涉原理和牛顿环,设透镜的曲率半径为 R，与接触点
2、 O 距离为r处的空气薄膜的厚度为 e，由于平面玻璃片上的反射光线有“半波损失”，所以空气薄膜上下表面反射光之间的光程差。,仪器介绍,读数显微镜钠灯平凸透镜,读数显微镜,返回,目镜,物镜,上下移动旋钮,水平移动旋钮,读数标尺,读数盘,钠灯,返回,钠光灯是一种气体放电灯。在放电管内充有金属钠和氩气。开启电源的瞬间，氩气放电发出粉红色的光。氩气放电后金属钠被蒸发并放电发出黄色光。钠光在可见光范围内两条谱线的波长分别为589.59nm和589.00nm。这两条谱线很接近，所以可以把它视为单色光源，并取其平均值589.30nm为波长。,平凸透镜,返回,平凸透镜与平板玻璃组合成牛顿环实验样品。,实验内容
3、,实验公式,测量牛顿环直径，计算平凸透镜曲率半径R。,实验公式,返回,在空气厚度为e的地方，上下表面反射的光的光程差为2e+/2，其中后一项是“半波损失”。光程差为(2k+1)/2处为干涉暗条纹，得到曲率半径计算公式：,实验步骤,(1)调节牛顿环仪。在眼睛细心观察的同时，反复耐心地调节牛顿环仪的三个螺丝，使牛顿环面上出现清晰细小的同心圆环且位于圆框中心。(2)通过转动调焦螺丝，使显微镜下降，将牛顿环仪置于工作台面上，使其正对着显微镜。也就是说，牛顿环仪上那些同心圆环的中心应尽可能与物镜的中心处于同一条垂直线上。这要求显微镜与牛顿环仪比较接近时才容易做到。然后提升显微镜，用弹簧片把牛顿环仪轻轻压
4、住。,(3)把钠灯放在显微镜正前方约20cm处。打开钠灯开关，预热10 min。待发出明亮的黄光后，调节物镜下方的反光镜方向。当在读数显微镜的视场中看到一片明亮的黄光时，就表明有一束平行单色光垂直照射到牛顿环仪上。(4)缓缓旋动目镜，使镜筒内的十字叉丝清晰见。(5)一边通过目镜观察牛顿环仪形成的牛顿环，一边缓缓转动调焦螺丝，使干涉条纹清晰(不要让物镜触及待测物，以免压坏反光镜)。若看到的牛顿环中心与十字叉丝中心不重合，可轻轻移动牛顿环仪，使二者重合。,(6)转动读数鼓轮，使十字叉丝向右移动，直到十字叉丝竖线对准第25暗环线的中心为止(即相切)。然后反转读数鼓轮，使十字叉丝竖线对准第20暗环线的
5、中心，读记该环直径的右端坐标S20。读数方法是，在标尺上，读取整毫米数(单位为mm)，在读数鼓轮上读取小数，此两数之和即为S20。鼓轮边一周分为100小格，它转动一周，螺纹测杆带动显微镜平移l mm，故鼓轮每旋转1小格，显微镜平移0.0lmm。再估计出十分之一小格，故可以估读出0.001mm。,(7)沿相同方向，继续转动读数鼓轮，使十字叉丝竖线依次对准第19，18，17，16，15，10，9，8，7，6，5暗环线的中心，读记各环直径的右端坐标S19，S18，S5。(8)沿相同方向继续转动读数鼓轮，使十字叉丝通过环心后，依次对准第5，6，7，8，9，10，15，16，17，18，19，20暗环线
6、的中心，读记各环直径左端的L5，L6，L7，L20。,(9)求出各暗环直径：Di=Li-Si 如：D20=L20 S20 D19=L19 S19(10)用逐差法，求相距10个暗环的6个D 2的值，即 D12=D202-D102,D22=D192-D92,：再取它们的平均值代入(4)式，计算透镜的曲率半径的平均值。(11)计算出的标准误差和相对误差E。,模拟演示,操作要点,仪器布置观测牛顿环测量直径,仪器布置,返回,观测牛顿环,返回,光源对准目镜筒上的45平板玻璃，调节平板玻璃方向，使光垂直照在平凸透镜装置上。此时通过目镜可以看到明亮的黄色背景。调节目镜清晰地看到十字叉丝，然后由下向上移动显微镜
7、镜筒（为防止压坏被测物体和物镜，不得由上向下移动！），看清牛顿干涉环。,测量牛顿环直径,返回,横向改变显微镜筒位置，使叉丝由左第20圈外向第20圈移动直至叉丝交点与之重合，读出第20环的读数，继续朝同一方向移动叉丝顺序读数至左第11环；仍按原方向移动叉丝（为防止产生空程差），越过中央暗环，按同样方法读取右第11、至右第20环。计算出第20、第19、第11环直径。用逐差法处理数据，公式中（m-n）为5。,数据处理,数据记录曲率半径计算不确定度评定,数据记录表格,返回,单位：mm,曲率半径计算,返回,不确定度评定,返回,先分别计算u(D15)和u(D5),其中B类不确定度均可取。由传递关系计算R的
8、不确定度。不确定度有效数字取1位。,常识介绍,(1)回程误差 移动读数显微镜，使其从左右两个方向对准同一目标的两次读数，似乎应该相同，但实际上由于螺杆和螺套不可能完全密切接触，螺旋转动方向改变时它们的接触状态也将改变，两次读数将不同，由此产生的测量误差称为回程误差。为了避免回程误差，使用读数显微镜时，应沿同一方向移动读数显微镜，使叉丝对准各个目标。,(2)钠灯 钠灯是实验室中最重要的单色光源之一。钠灯分低压和高压两种，其工作原理与汞灯相似，都是金属蒸气弧光放电。钠灯工作时，在可见光区发射出两条极强的黄色谱线(又称D双线)，它们的波长分另为589.0nm和89.6nm，通常取它们的平均值589.
9、3nm作为黄光的标准参考波长，许多光学常数常以它作为基准。,问题思考,(1)试述牛顿环的干涉原理。(2)实验中为什么要测量多组数据?采用什么方法处理这些数据?(3)在反射光中牛顿环中央是暗点还是亮点?各级条纹粗细是否一致?条纹间隔是否相同?为什么靠近中心的相邻两暗条纹之间的距离比边缘的大?,(4)如果在反射光中观察到牛顿环中央不是暗斑，而是亮斑，这种现象如何解释?(提示：从平凸透镜与平面玻璃之间的接触情况及接触处有无灰尘等情况考虑)。这对实验有无影响?,有了坚定的意志，就等于给双脚添了一对翅膀。一个人的价值在于他的才华，而不在他的衣饰。生活就像海洋，只有意志坚强的人，才能到达彼岸。读一切好的书，就是和许多高尚的人说话。最聪明的人是最不愿浪费时间的人。,
