扩展牛顿环实验的研究
牛顿环实验的改进与优化提高测量精度

牛顿环实验的改进与优化提高测量精度牛顿环实验是一种基于干涉现象的光学测量方法,常用于测定透明物体的薄片厚度以及表面形状。
本文将介绍牛顿环实验的原理及其改进与优化方法,以提高测量的精度。
一、牛顿环实验原理牛顿环实验是基于干涉现象的一种测量方法。
当透过一均匀厚度的透明物体时,光线在物体表面与空气之间发生反射和干涉。
在实验环境中,通过调节外部光源的位置,观察到在透明物体与玻璃片或反射板的接触处会形成一系列均匀分布的亮暗环,这些环即被称为牛顿环。
二、改进与优化方法为了提高牛顿环实验的测量精度,可以从以下几个方面进行改进与优化。
1. 光源的选择与调节合适的光源对于牛顿环实验至关重要。
常用的光源有白炽灯、氢氘灯和激光等。
其中,激光具有高亮度、高直度和高单色性的特点,能够提供更稳定的光源,从而提高测量的精度。
此外,通过合理调节光源的位置和角度,可以使光线的入射与反射更加均匀,减少干涉的波动,从而提高测量的准确性。
2. 透镜的使用在牛顿环实验中,透镜的使用可以调节入射光线的聚焦程度,进而改善干涉图样。
通过合理选择透镜的焦距和位置,可以使干涉环的直径更大且均匀,进一步提高测量的精度。
3. 适当延长观察时间由于干涉现象的特性,牛顿环的亮暗环会不断变化,因此观察牛顿环需要一定的时间。
增加观察时间的长度可以提高测量的稳定性和准确性。
4. 优化观察装置观察牛顿环需要用到特殊的显微镜或目镜。
为了提高测量精度,可以优化观察装置,例如使用高放大倍率的显微镜或目镜,并合理调节焦距和清晰度,以获得更清晰的干涉图样。
5. 减小环境干扰环境因素对牛顿环实验的测量也会产生影响。
要提高测量的精度,需要减小环境中的震动和振动,保持实验环境的稳定性。
可以采取隔音、减振等措施,以减少环境干扰,使测量结果更加准确可靠。
6. 数据处理与分析在进行牛顿环实验时,需要对实验数据进行处理和分析。
通过数学方法,可以将实验测量结果与理论模型进行比较,并进行适当的修正和调整。
牛顿环实验结论与心得

牛顿环实验结论与心得
牛顿环实验是一种非常经典的实验,也是一个非常有趣的实验。
它通过研究光在不同介质中的传播速度和波长来研究光的性质,以帮助人们更好地理解光学原理。
在实验过程中,我们先将一块光洁玻璃放置在透镜下方,然后在玻璃上方放置一个透明平行光板,再用光源对着透镜进行照射。
当光线通过玻璃后反射到平行光板上时,因为光线与平行光板的表面产生干涉,从而产生一系列亮暗交替的环带,这就是牛顿环。
经过实验我们可以得出以下结论:
首先,牛顿环的大小与波长的平方成正比,与光线离透镜的距离呈反比。
这提示我们如果使用较短波长的光源,我们会得到更小的环带。
此外,如果我们将光源移动到透镜的不同位置,将会产生不同大小和颜色的环带。
其次,牛顿环的形状是由反射面的曲率决定的。
如果反射面是平坦的,牛顿环将会是圆形的;而如果反射面是球形的,牛顿环的形状看起来就像一条椭圆。
最后,牛顿环的实验可以帮助我们更好地理解相干形成的原理。
我们知道,当相位差为零时,会形成明亮的干涉条纹。
而当相位差为π(或2π)时,会形成暗条纹。
而牛顿环实验中的亮暗交替的环带就是由于相位差的变化导致的。
总之,牛顿环实验是一种非常有趣又富有启发性的实验,它使我们更好地理解了光的行为和原理。
对于理解光学原理的学生和科学爱好者来说,这是一种非常好的实验,它可以让我们更深入地了解光学的世界,并增加我们的知识储备。
牛顿环实验的分析与扩展研究

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牛顿环测平凸透镜实验分析研究及其拓展

哈尔滨学院本科毕业论文<设计)题目:用牛顿环干涉测透镜的曲率半径实验研究院<系)理学院专业物理学年级2009级姓名但维义学号09041104指导教师梁红职称副教授2018年 6月16日承诺书本人但维义,哈尔滨学院理学院,物理学专业 091 班学生,学号:09041104 。
本人郑重承诺:本人撰写的毕业论文:《用牛顿环干涉测透镜的曲率半径实验研究》,是个人的研究成果,数据来源真实可靠,无剽窃行为。
承诺人年月日毕业论文<设计)评语及成绩目录摘要1ABSTRACT2前言3第一章牛顿环干涉原理及其装置结构51.1 牛顿环干涉实验原理51.2 牛顿环实验装置61.2.1实验仪器61.2.2光路原理61.2.3牛顿环装置的调节71.2.4牛顿环装置调节注意事项81.2.5干涉圆环视场中的几个常见问题以及解决办法8第二章牛顿环实验数据记录以及数据处理92.1 牛顿环实验数据记录92.2 牛顿环数据处理92.2.1数据处理方法一92.2.2数据处理方法二11第三章牛顿环测平凸透镜曲率半径的影响因素123.1 牛顿环装置拧得太紧对实验的影响123.2 读数显微镜的刻度线不经过圆心对所测曲率半径的影响133.3 接触点为亮斑对所测曲率半径的影响143.4 牛顿环的形变对所测曲率半径的影响153.5 光的相干性以及光强对干涉条纹的影响163.5.1光的相干性对干涉条纹的影响163.5.2光强对干涉图样的影响183.6 理想牛顿环干涉图样特点18第四章牛顿环干涉实验的拓展194.1 改造牛顿环仪测平凸透镜的焦距194.2 利用牛顿环装置测定液体折射率194.2.1测量原理194.2.2牛顿环测液体折射率数据记录及处理204.2.3用牛顿环测液体折射率折射率测量方法214.3 利用牛顿环干涉条纹测定薄膜厚度214.4 用牛顿环测透镜表面的凹凸性224.5 用牛顿环测光学零件的标准性23后记24参考文献25致谢26附录A 干涉牛顿环半径与平凸透镜曲率半径关系的推导27附录B 液体折射率与干涉牛顿环半径之间的关系推导29摘要在大学物理实验中,牛顿环实验是分振幅干涉中等厚干涉的一个重要实例,本文结合等厚干涉原理,全面剖析了牛顿环的成像原理以及成像图样。
牛顿环实验报告数据

牛顿环实验报告数据引言牛顿环实验是光学实验中的经典实验之一,通过观察和测量干涉环的直径,我们可以推导出材料的透明度和薄片的厚度等物理参数。
本文将介绍牛顿环实验的实验原理以及我们进行的实验过程和数据分析。
实验原理牛顿环实验基于干涉现象,即光波的叠加和相消干涉。
当一束平行光垂直入射到一个平凸透镜和平凸透镜上的薄透镜组成的薄层处时,由于光的波长特性,入射光在透镜和薄片之间反射,产生反射光束和透射光束。
当反射光束和透射光束再次相遇时,它们会发生干涉,形成一系列环状的明暗交替的干涉环,即牛顿环。
实验过程我们首先需要准备一套实验装置。
将一块光学平凸透镜倒置在平凹透镜上,以保证两个透镜之间的空气夹层非常薄。
其次,将光源对准透镜组的中心,并通过一个半透镜来从反射光到达我们的观察屏幕上。
最后,使用显微镜观察屏幕上形成的牛顿环。
在实验过程中,我们测量了牛顿环的直径,并将数据记录下来。
我们在不同厚度的薄片上进行了多组实验,以探究厚度和透明度之间的关系。
数据分析通过实验测量得到的牛顿环直径可以用来计算薄片的厚度。
根据光的相位差和波长之间的关系,可以得到以下公式:厚度d = (m * λ) / (2 * n)其中,d为薄片的厚度,m为牛顿环的顺序数,λ为波长,n为薄片的折射率。
我们可以通过多组实验数据来验证这个公式。
根据实验中测量得到的牛顿环直径,并通过已知的波长值以及透明材料的折射率,我们可以计算出薄片的厚度。
通过比较计算结果和实际测量的厚度,我们可以评估该公式的准确性。
但需注意,实验中可能存在一些误差来源,如仪器的测量误差、光源的稳定性等。
在进行数据分析时,应对这些误差进行合理的修正和考虑。
结论通过牛顿环实验,我们得到了一系列数据,并用这些数据验证了计算薄片厚度的公式的准确性。
实验结果与理论相符合,说明我们的实验方法和数据分析是可靠的。
牛顿环实验作为光学实验中的重要内容,不仅可以帮助我们理解干涉现象,还可以应用于实际生活中,如光学元件的制造、光学设备的校正等。
牛顿环实验原理

牛顿环实验原理
牛顿环实验原理是通过光的干涉现象来研究透明薄片的厚度和折射率。
实验中,通过一个凹透镜将透射光束汇聚,使其在一平滑透明板(例如玻璃片)上形成环状的光干涉区域。
在干涉区域上观察到的彩色环纹,可以用来推导薄片的厚度和折射率。
原理是基于光的干涉现象:当平行光波通过透明介质界面时,会发生一系列干涉和反射现象。
在牛顿环实验中,光波经过凹透镜汇聚后,射向平滑透明板的表面。
由于光的反射和折射,光波在薄片和空气之间形成干涉现象。
当光波从平滑透明板上反射时,由于观察点到板的距离因为曲率的不同而有所差异。
根据光程差的原理,光的波峰与波谷的相位差会导致不同的光干涉效果。
在观察区域的中心,光程差为零,所以出现暗环。
随着距离观察区域中心距离的增加,光程差逐渐增大,形成具有不同颜色的同心圆环。
利用基本的光的干涉原理,我们可以得到牛顿环实验的数学表达式,其中包含了薄片的厚度和折射率。
通过测量干涉环的半径,我们可以利用这些公式来计算出薄片的性质。
因此,牛顿环实验原理是通过观察和分析光的干涉现象来研究透明薄片的厚度和折射率。
这一实验为物理学家们提供了了解光的性质和物质特征的重要工具。
牛顿环探究实验报告

一、实验目的1. 观察和分析牛顿环的等厚干涉现象;2. 学习利用干涉现象测量透镜的曲率半径;3. 理解光的干涉原理及其在实际应用中的价值。
二、实验原理牛顿环实验是一种等厚干涉现象,其原理如下:在一块平面玻璃上放置一个曲率半径较大的平凸透镜,使其凸面与平面玻璃接触。
在接触点附近,形成一层厚度不等的空气膜。
当单色光垂直照射到牛顿环上时,空气膜上、下表面反射的光束在空气膜上表面相遇,发生干涉。
由于空气膜厚度相同的地方形成相同的干涉条纹,因此这种现象称为等厚干涉。
根据波动理论,两束相干光的光程差为:ΔL = 2dλ/2k其中,d为空气膜厚度,λ为入射光的波长,k为干涉级数。
当光程差满足以下条件时:ΔL = kλ(k=0, 1, 2, ...)时,产生明环;ΔL = (2k+1)λ/2(k=0, 1, 2, ...)时,产生暗环。
三、实验仪器与材料1. 平面玻璃板;2. 平凸透镜;3. 单色光源(如钠光灯);4. 读数显微镜;5. 移动平台;6. 记录纸和笔。
四、实验步骤1. 将平面玻璃板放在移动平台上,确保其水平;2. 将平凸透镜放在平面玻璃板上,使凸面与平面接触;3. 将单色光源放置在实验装置的一侧,调整光源方向,使光线垂直照射到牛顿环上;4. 使用读数显微镜观察牛顿环,调整显微镜位置,使干涉条纹清晰可见;5. 记录牛顿环的干涉条纹,包括明环和暗环的位置;6. 利用干涉条纹的间距,根据公式计算透镜的曲率半径。
五、实验结果与分析1. 观察到牛顿环为明暗相间的同心圆环,且中心接触点附近为暗环,向外逐渐变为明环;2. 根据干涉条纹间距,计算透镜的曲率半径,并与理论值进行比较;3. 分析实验误差,如光路调整误差、读数误差等。
六、实验结论1. 通过观察和分析牛顿环的等厚干涉现象,验证了光的干涉原理;2. 利用干涉现象测量透镜的曲率半径,实验结果与理论值基本吻合;3. 通过实验,加深了对光学干涉现象及其应用的理解。
牛顿环实验报告总结

牛顿环实验报告总结牛顿环实验是一项经典的光学实验,通过观察干涉环的形态和颜色变化,可以研究透明薄片的厚度、光的波长和折射率等性质。
在本次实验中,我们利用了牛顿环干涉仪,进行了一系列观测和测量,得到了一些有意义的结果。
本文将对实验过程和结果进行总结和分析。
首先,我们调整了干涉仪的光源和透镜,使得在显微镜的目镜中可以清晰地观察到牛顿环。
然后,我们逐步调整了透镜与玻璃片的距离,观察了牛顿环的变化。
在实验过程中,我们发现了一些有趣的现象,随着透镜与玻璃片距离的变化,牛顿环的颜色发生了周期性的变化,从暗红色到暗蓝色再到暗红色,呈现出明显的交替规律。
通过测量不同位置处的牛顿环直径,我们得到了一组数据。
利用这些数据,我们绘制了牛顿环直径随位置的变化曲线图。
曲线图显示出一系列明显的峰值和谷值,这与我们在实验中观察到的颜色变化规律相吻合。
通过对曲线的分析,我们可以得出结论,牛顿环的直径随位置的变化呈现出周期性的震荡,这与光的干涉现象密切相关。
在实验过程中,我们还测量了玻璃片的厚度,并利用测得的数据计算了光的波长。
通过对实验结果的分析,我们发现了一些与理论预期相符的规律,也发现了一些与理论存在偏差的现象。
这些偏差可能是由于实验条件的限制或测量误差所致,需要进一步的研究和探讨。
总的来说,本次牛顿环实验取得了一些有意义的结果,验证了光的干涉现象和透明薄片的性质。
通过对实验结果的分析,我们对光学现象有了更深入的理解,也为进一步的研究和实验提供了一定的参考。
希望本次实验的结果能够为光学领域的研究和应用提供一些有益的信息和启发。
在今后的实验和研究中,我们将继续深入探讨光的干涉现象和透明薄片的性质,不断完善实验方法和提高测量精度,为光学领域的发展做出更大的贡献。
感谢各位老师和同学的支持和帮助,也希望我们能够在光学研究中取得更多的成果和突破。
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第18卷 第4期
长 春 大 学 学 报Vol .18 No .4 2008年8月JO URNAL OF CHANG CH UN UN I VE R SITY Aug .2008 文章编号:1009-3907(2008)04-0026-04
收稿日期2623
作者简介张颖(632),女,吉林省长春市人,长春大学理学院副教授,硕士,主要从事凝聚态物理方向研究。
扩展牛顿环实验的研究
张 颖
(长春大学 理学院,吉林 长春 130022)
摘 要:将牛顿环实验扩展为一个综合性实验。
该实验包括牛顿环法、测量环法和激光球面干涉仪法测量透镜的曲率半径三个内容。
关键词:曲率半径;综合性实验;测量
中图分类号:O43311 文献标识码:A
0 引 言
用牛顿环测量透镜的曲率半径是大学物理实验中一个基础光学实验,该实验用牛顿环产生的等厚干涉条纹来测量透镜的曲率半径,这种测量方法适用于测量很大的曲率半径。
但在实际工作中我们需要对各种大小的透镜曲率半径进行测量,因此为了扩展学生的视野,结合生产实际,我们将透镜曲率半径的测量设计为综合性实验。
它包括三个方面的内容:牛顿环法、测量环法和激光球面干涉仪法。
1 三种测量方法
111 牛顿环法测透镜的曲率半径
(1)当透镜的曲率半径较大,但在读数显微镜的视场中能够看到完整的明暗相间的同心圆环时,就可以
用公式R =r 2m -r 2n (m -n )λ提供的实验方法进行测量。
(具体操作可参看各实验教材、讲义)。
(2)当球面曲率半径非常大时,在读数显微镜的视场内就有可能看不到完整的明暗相间的同心圆环,而
且看到的亮度也有些不均匀,这时测量暗环的曲率半径就遇到了困难,从而无法用公式R =
r 2m -r 2n (m -n )λ的实验
方法进行测量。
图1 非常大曲率半径干涉条纹
当视场内看不到完整的牛顿环时,我们可以将被测的平凸透镜微微倾斜,使干涉条纹变成同心圆弧的一:200800:19
部分,如图1所示,其中O 点是同心圆弧的圆心,r m 是第m 级暗条纹的半径,l 是相邻的两暗条纹(
第m -1级和第m 级暗条纹)的间距,S 是第m 级暗条纹在显微镜视场内圆弧的弧长,与之对应的矢高为h (即弓形高)。
设有第k 级(非整数级)条纹与弦相切,其半径为r k 则由图1的几何关系和比例关系可得:
r 2m -r 2k =(s /2)2,
(1)m -k =h /l 。
(2)
将(1)式和(2)式代入牛顿环实验中的曲率半径公式得:
R =r 2m -r 2n (m -n )λ=(s /2)2(h /l )λ=S 2l 4h λ。
(3)
实验中,第m 级暗条纹在显微镜视场内圆弧的弧长S,矢高h,相邻两暗条纹的间距l 均可直接测量,加上已知光源的波长λ,通过式(3)可计算出非常大球面曲率半径。
牛顿环法采用的是间接的实验方法计算曲率半径,不需要知道干涉条纹的真实级数,同时测量时数过的圆环级数差m -n 越大,对准误差(显微镜中分划板上“十字丝”目视对准被测暗环条纹中心时所产生的误差)越小,因而提高了测量精度。
112 测量环法测透镜的曲率半径
由图2的几何关系中可以得出
:
图2 牛顿环原理
R 2=(R -h )2+r 2
,
R =r 2+h 22h 。
上式可见,只要测出球面上的某一测量点所对应的r (即测量环口径,如待测透镜为凸透镜则对应内径;如待测透镜为凹透镜则对应外径)、h (对应于r 的矢高),即可求出R 。
为完成r 、h 的测量,需要千分表一块,平晶一块,测量环一个,为了培养学生的能力,也可准备多个直径不同的测量环,供学生合理选择。
实验时,根据待测透镜的直径选取合适的测量环(一般选择略小于透镜直径3~10mm 的测量环),将测
图3 测量环结构
72第4期 张 颖:扩展牛顿环实验的研究
量环固定在千分表测杆上,注意测杆端部适当露出如图3。
然后将固定在千分表上的测量环小心平稳地放在平晶上,记下千分表读数h 1(可多次求平均)。
将平晶换为待测透镜,重复同样操作,记下千分表读数h 2。
矢高h =h 2-h 1,最后计算出R 。
用测量环法测量很简单,但精度并不是太高。
因为选择的测量环太大,则不便或无法测量;选择的测量环太小,就会误差过大,因而对待测透镜的直径有一定的限制,通常选择略小于透镜直径3~10mm 的测量环。
113 激光球面干涉仪法测透镜的曲率半径
激光球面干涉仪以He 、Ne 激光器为光源,是用来检查光学零件球面曲率半径大小和球形表面局部误差的仪器。
在球面干涉仪上测量透镜的曲率半径,实际上就是测量球面球心到顶点的距离。
测量时首先将被测件的球面曲率中心调整到和标准面的球心相重合,即光束的会聚点严格重合。
如果能看到如图4(a )所示条纹则该两点在同一个垂直光轴的平面内,但不重合;如果看到如图4(b)所示条纹则被测面的球心在光轴上,但前后不重合;如果看到如图4(c )所示条纹则该两点在垂直于光轴的平面内和前后都有偏差;当调整到被测面球心与标准球心严格重合时,应看不到干涉条纹,但为便于判断,当出现如图4(d )条纹时,虽在垂直于光轴的平面内有极少量的偏移,但前后严格重合,此时我们认为两会聚点已经重合,记下该位置读数l 1。
图4 激光球面干涉条纹
(1)若待测面是凹面(且标准镜头的球心在玻璃尺量程内),旋转手轮使待测面顶点移动到和标准面球心重合,此时,应再次看到直条纹,记下该位置读数l 2。
于是,待测面的曲率半径R 测=|l 2-l 1|
(2)若待测面是凸面,旋转手轮使待测面顶点和标准面顶点刚好接触,旋转过程中玻璃尺刻线随着移动,当刻线恰好不再移动时,此时两顶点恰好接触,记下该位置读数l 3。
如图所示R 标-R 测=|l 3-l 1|
则:R 测=R 标-|l 3-l 1|。
图5 激光球面干涉仪原理
1—标准物镜 2—被测透镜
激光球面干涉仪法与牛顿环法和测量环法比较而言,测量更精确、应用更广泛。
2 结 语
完成这样的一个综合性实验,当待测球面曲率半径较大时,采用牛顿环法测量;当测量精度要求不太高时,采用测量环法;当要求精度较高时,采用激光球面干涉仪法。
牛顿环法和激光球面干涉仪法属于光学法测量;测量环法属于机械法测量。
学生完成一次这样的实验,既可以多熟悉一些基本的测量工具,又可以多掌握一些测量手段,从而提高分析问题、解决问题的能力。
参考文献[] 曹天宇,周鹏飞光学零件制造工艺学[M ]北京机械工业出版社,355382长 春 大 学 学 报 第18卷:
1..:198:12-1.
[2] 诸葛向彬.干涉法测量球面曲半径的误差分析[J ].物理实验,1993,13(6):257-260.
[3] 李全臣,夏亮.干涉数据处理的一种方法[J ].计量技术,1999(3):3-5.
[4] 虞仲博,屠全良.牛顿环实验等精度测量及其不确定度的评定与表示[J ].物理实验,2000(5),17-18.
[5] 王玉平.用牛顿环产生的干涉条纹测量液体的折射率[J ].大学物理,2001(10):30-31.
[6] 朱竹青.牛顿环实验数据的采集与处理[J ].物理实验,2002(7):10-13.
[7] 慎训,张连芳.物理实验教程[M ].北京:清华大学出版社,2002:215.
[8] 张爱珍,业宁.基于图象模式识别技术的牛顿环检测[J ].物理实验,2003(8):33-35.
[9] 曹春梅.简析变形牛顿环[J ].大学物理实验,2004(1):35-36.
[10] 陈洪叶.由牛顿环实验展开的探究教学尝试[J ].物理实验,2005(6):29-31.
[11] 宋淑珍,张永利,王教方.牛顿环中心暗斑大小对测量结果的影响[J ].大学物理实验,2006(3):36-38.责任编辑:王晓阳
Extend r esearch of Newton R i n g exper i m en t
ZHANG Ying
(Sc ience I nstitute,Changchun Unive rsity,Changchun 130022,China)
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第4期 张 颖:扩展牛顿环实验的研究。