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南昌大学物理实验报告课程名称：南昌大学物理实验实验名称：光的等厚干涉学院：第四临床医学院专业班级学生姓名：学号：实验地点：基础实验大楼313教室座位号：22实验时间：第11周星期六下午4点开始一、实验目的：1.观察牛顿环和劈尖的干涉现象；2.了解形成等厚干涉现象的特点和条件；4.利用干涉原理测量平凸透镜的曲率半径和金属细丝的直径。5.学习读数显微镜的使用。二、实验原理：牛顿环测定透镜的曲率半径当一个曲率半径很大的平凸透镜的凸面放在一片平玻璃上时，两者之间就形成类似劈尖的劈形空气薄层，当平行光垂直地射向平凸透镜时，由于透镜下表面所反射的光和平玻璃片上表面所反射的光互相干涉，结果形成干涉条纹。如果光束是单色光，我们将观察到明暗相间的同心环形条纹；如是白色光，将观察到彩色条纹。这种同心的环形干涉条纹称为牛顿环。本实验用牛顿环来测定透镜的曲率半径。如图2。设在干涉条纹半径ｒ处空气厚度为ｅ,那么，在空气层下表面Ｂ处所反射的光线比在Ａ处所反射的光线多经过一段距离２ｅ。此外，由于两者反射情况不同：Ｂ处是从光疏媒质（空气）射向光密媒质（玻璃）时在界面上的反射，Ａ处则从光密媒质射向光疏媒质时被反射，因Ｂ处产生半波损失，所以光程差还要增加半个波长，即：δ=2ｅ＋λ/2（１）根据干涉条件，当光程差为波长整数倍时互相加强，为半波长奇数倍时互相抵消，因此：从上图中可知：r2=R2-(R-e)2=2Re-e2因Ｒ远大于ｅ，故ｅ2远小于２Ｒｅ，ｅ2可忽略不计，于是：ｅ＝ｒ2／2Ｒ（３）上式说明ｅ与ｒ的平方成正比，所以离开中心愈远，光程差增加愈快，所看到的圆环也变得愈来愈密。把上面（３）式代入（２）式可求得明环和暗环的半径：如果已知入射光的波长λ，测出第ｋ级暗环的半径ｒ，由上式即可求出透镜的曲率半径Ｒ。但在实际测量中，牛顿环中心不是一个理想的暗点，而是一个不太清晰的暗斑，无法确切定出ｋ值，又由于镜面上有可能存在微小灰尘，这些都给测量带来较大的系统误差。我们可以通过取两个半径的平方差值来消除上述两种原因造成的误差。假设附加厚度为ａ，则光程差为：δ＝2（ｅ＋ａ）＋λ/2=(2ｋ＋1)λ/2即ｅ＝ｋλ/2－ａ将（３）式代入得：ｒ2＝ｋＲλ－2Ｒａ（５）取ｍ、ｎ级暗环，则对应的暗环半径为ｒm，ｒｎ，由（５）式可得：ｒm２＝ｍＲλ－2Ｒａｒn２＝ｎＲλ－2Ｒａ由此可解得透镜曲率半径Ｒ为：采用(6)式比采用(4)式能得到更准确的结果，又由于环心不易准定，所以式(6)要改用直径ｄｍ，ｄｎ来表示：本实验即采用上式计算透镜的曲率半径。3.劈尖干涉测量薄片厚度如图3所示，其同一条纹是由劈尖相同厚度处的反射光相干产生的,其形状决定于劈尖等厚点的轨迹,所以是直条纹。与牛顿环类似,劈尖产生暗纹条件为2ｅ＋λ/2=(2ｋ＋1)λ/2与k级暗纹对应的劈尖厚度e=kλ/2设薄片厚度d,从劈尖尖端到薄片距离L,相邻暗纹间距ΔL,则有d=(L/ΔL)/(λ/2)三、实验仪器：1.牛顿环、劈尖；2.读数显微镜、钠光灯和电源四、实验内容和步骤：Ⅰ）、利用牛顿环测定透镜的曲率半径1、启动钠光灯电源，利用自然光或灯光调节牛顿环装置，均匀且很轻地调节装置上的三个螺丝，使牛顿环中心条纹出现在透镜正中，无畸变，且为最小。2、前后左右移动读数显微镜，轻轻转动镜筒上的４５°反光玻璃，使钠光灯正对45°玻璃。直至眼睛看到显微镜视场较亮，呈黄色。3、把牛顿环装置放在读数显微镜的物镜下，将显微镜筒放至最低，然后慢慢升高镜筒，看到条纹后，来回轻轻微调，直到在显微镜整个视场都能看到非常清晰的干涉条纹，观察并解释干涉条纹的分布特征。4、测量牛顿环的直径转动目镜看清目镜筒中的叉丝，移动牛顿环装置，使十字叉丝的交点与牛顿环中心重合，移动测微鼓轮，使叉丝交点都能准确地与各圆环相切，这样才能正确无误地测出各环直径。在测量过程中，为了避免转动部件的螺纹间隙产生的空程误差，要求转动测微鼓轮使叉丝超过右边第３３环，然后倒回到第３０环开始读数（在测量过程中也不可倒退，以免产生误差）。在转动鼓轮过程中，每一个暗环读一次数，记下各次对应的标尺数据X，第２０环以下，由于条纹太宽，不易对准，不必读数。这样，在牛顿环两侧可读出２０个位置（环中心两侧各10个）数据，由此可计算出从第２１环至第３０环的十个直径，即：ｄｉ＝│X1－X2│，X1，X2分别为同一暗环直径左右两端的读数。这样一共１０个直径数据，按ｍ－ｎ＝５配成５对直径平方之差：即：（ｄm2－ｄn2）。（Ⅱ）、利用劈尖干涉测定微小厚度或细丝直径将叠在一起的两块平板玻璃的一端插入一个薄片或细丝，则两块玻璃板间即形成一空气劈尖，当用单色光垂直照射时，和牛顿环一样，在劈尖薄膜上下两表面反射的两束光也将发生干涉，呈现出一组与两玻璃板交接线平行且间隔相等、明暗相间的干涉条纹，这也是一种等厚干涉。1、将被测薄片或细丝夹于两玻璃板之间，用读数显微镜进行观察劈尖干涉的图象。2、测量10个暗纹间距,进而得出两暗纹的间距L。3、测量劈尖两块玻璃板交线到待测薄片或细丝的间距L。测量次数至少五次。五、实验数据与处理：1.牛顿环装置的曲率半径已知钠光波长λ＝5.893×10-5cm，MnX1(cm)X2(cm)dI=x1-x2(cm)di210（-1）(cm)2dm2-dn2(cm)2R(cm)302520.15928.1540.79956.39200.2443207.28020.51026.7940.62843.9487292420.23428,0640.78306.1300.2346199.05020.57026.7220.61523.7847282320.31528.0490.77345.98150.2360200.23820.64026.6660.60183.6216272220.38627.9350.75495.69870.2287194.04320.72926.5700.58413.4117262120.44627.0880.66424.41160.2254191.04320.80026,5190.57193.2707平均值0.2338198.371绝对误差为E=ΔR\R=6.182\(198.371±6.182)注明：牛顿环以最中间的暗环为零开始数起。2.薄片厚度或细丝直径暗纹间距L、劈尖两块玻璃板交线到待测薄片或细丝的间距L要进行多次测量，然后求平均值，再代入公式求出薄片厚度或细丝直径d。△X=X（i+1）-Xi单位：mm次数012345Xi5.3356.0466.8317.6298.4229.221△X0.7110.7850.7980.7930.799L始9.2319.1659.14512.67812.700L末33.77133.73433.76937.00236.981L24.54024.56924.62424.32324.287di*10^(-2）1.0140.89440.88090.90920.9024因为测了七组数据，而实验只需六组，第一组误差相对较大舍去，具体请看原始数据。结果表达式为：d的平均值为9.201*10^(-3)mm;六、误差分析：1、仪器不准或精度不够,制作粗糙(干涉环)所造成的系统误差等；2、由于牛顿环的暗纹很细，视野不是很明亮叉丝难以对准，内切外切很难对到，造成误差。3、劈尖干涉条纹也很细，不易测量，存在误差。4、条纹太多，可能存在数错的情况。七、思考题：1、牛顿环干涉条纹一定会成为圆环形状吗？不一定。若不是等厚干涉，就不一定成圆环形。2、实验中为什么要测牛顿环直径，而不测其半径？因为无法确定牛顿环的圆心在哪里，难以测出其半径。3、实验中为什么要测量多组数据且采用逐差法处理数据？减少实验的偶然误差。八、附上原始数据：