用牛顿环测定透镜的曲率半径.
用牛顿环测量透镜的曲率半径
齿合前轻轻转动测微鼓轮读数有变化，而游标并没有移动。
消除方法：测量时只沿同一方向转动测微鼓轮。
实验方案
23 20 11 中心 11 20 左侧 右侧
左取内切点
右取外切点
D＝右外切点－左内切点
测量方案
干涉条纹数 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
左方条纹
第 读数
一 次 测
用牛顿环测透镜的曲率半径
上海师范大学天华学院
实验背景
白光下的肥皂膜
白光入射的牛顿环照片
白光下的水膜
牛顿环装置
单色光的牛顿环照片
实验背景
“牛顿环”是一种分振幅、等厚干涉现象，是光 的波动性的一种表现。 应用极广：测量光波波长、测量微小角度或薄膜 厚度、观测微小长度变化、检测光学表面加工质 量等。利用牛顿环还可以测量液体折射率。 本实验通过牛顿环研究光的干涉现象，测定透镜 的曲率半径，学习读数显微镜的使用等。
就可以测量其折射率n
n dm2 dk2
4(m k)R
实验内容
测量牛顿环直径，计算平凸透镜 曲率半径R。
计算公式：
R
2
Dm
2
Dn
4(m n)
实验装置 读数显微镜
读数标尺
目镜
显微镜筒 调焦旋钮
钠光灯
测微鼓轮
牛顿环
读数显微镜的空程误差
空程误差属系统误差，由螺母与螺杆间的间隙造成；
螺杆
测微鼓轮
(m n) 4(m n)
难点解说
实验中，如果用弦长取代牛顿环直径是否可以？
Dk2m Dk2 4(rk2m rk2 )
4(
l k2 m 4
h2 )
( lk2 4
用牛顿环干涉测透镜曲率半径
用牛顿环干涉测透镜曲率半径
牛顿环干涉法是一种测量透镜曲率半径的非常有用的技术。
透镜曲率半径是透镜曲率
的大小，是透镜形状的一个关键参数。
准确测量透镜曲率半径对于许多实际应用非常重要，如光学设计以及眼科手术。
牛顿环干涉法基于透镜表面上的干涉现象，通过测量干涉环的
半径，可以非常精确地推导出透镜的曲率半径。
牛顿环干涉法的原理是使用一束光经过准直器和透镜入射，以形成一个实物点P和一
束有相同波长的反射光。
透镜和反射镜之间的距离被控制在光的半波长，以产生一个干涉
图案，其中、光线的相位差通过反射镜的移动来操纵。
测量透镜曲率半径的过程中，需要使用一个光源和一对平行光邮差给透镜照射，这样
可以保证光线垂直于透镜表面。
透镜放置在光路中间的位置，反射镜放置在透镜另一侧的
光路中。
透镜的一个表面会产生干涉环，当反射镜移动了一个射程的距离时，干涉环会向
中心移动一个圈，因此测量圆形的干涉环可以确定透镜的曲率半径。
透镜曲率半径的计算基于下面的公式：
r = mλ / 2(n - 1)
在这个公式中，r表示透镜的曲率半径，m表示干涉环变化的次数（一圈等于一次变化），λ表示测量光的波长，n表示透镜的折射率。
当干涉环移动多个圆时，可以使用下面的公式进行计算：
牛顿环干涉法是一种非常有用的技术，可以用来确定透镜的曲率半径。
这种技术没有
直接接触透镜的需要，因此可以在不损坏透镜的情况下进行测量。
它还具有高精度和快速
的优点。
在光学设计和眼科手术中都需要准确测量透镜曲率半径，牛顿环干涉法为这些应
用提供了一种可靠的方法。
实验十用牛顿环测透镜曲率半径
实验十用牛顿环测透镜的曲率半径利用透明薄膜上下表面对入射光的依次反射，入射光的振幅将分解成有一定光程差的几部分。
若两束反射光在相遇时的光程差取决于产生反射光的薄膜厚度，则同一干涉条纹所对应的薄膜厚度相同。
这就是所谓的等厚干涉。
牛顿为了研究薄膜颜色，曾经用凸透镜放在平面玻璃上的方法做实验。
他仔细观察了白光在空气薄层上干涉时所产生的彩色条纹，从而首次认识了颜色和空气层厚度之间的关系。
1675年，他在给皇家学会的论文里记述了这个被后人称为牛顿环的实验，但是牛顿在用光是微粒流的理论解释牛顿环时却遇到困难。
19世纪初，托马斯.杨用光的干涉原理解释了牛顿环。
一、实验目的1、观察牛顿环产生的等厚干涉现象，加深对等厚干涉原理的理解。
2、掌握用牛顿环测量透镜曲率半径的方法。
二、实验仪器牛顿环，钠光灯，测微目镜。
三、实验原理1、牛顿环“牛顿环”是一种用分振幅方法实现的等厚干涉现象，最早为牛顿所发现。
为了研究薄膜的颜色，牛顿曾经仔细研究过凸透镜和平面玻璃组成的实验装置。
他的最有价值的成果是发现通过测量同心圆的半径就可算出凸透镜和平面玻璃板之间对应位置空气层的厚度；对应于亮环的空气层厚度与1、3、5…成比例，对应于暗环的空气层厚度与0、2、4…成比例。
但由于他主张光的微粒说（光的干涉是光的波动性的一种表现）而未能对它作出正确的解释。
直到十九世纪初，托马斯．杨才用光的干涉原理解释了牛顿环现象，并参考牛顿的测量结果计算了不同颜色的光波对应的波长和频率。
牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，将其凸面放在一块光学平板玻璃（平晶）上构成的，如图10.1所示。
平凸透镜的凸面与玻璃平板之间形成一层空气薄膜，其厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。
若以平行单色光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的二光束存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。
其干涉图样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的同心圆环（如图10.3所示），称为牛顿环。
用牛顿环干涉测透镜曲率半径
（折射率为n）厚度为e。单色光垂直射向空气劈
尖A点，经空气劈尖空气层的上表面反射的光线１
与空气层下表面反射的光线２相遇，如果光程差
满足，则由干涉条件可得：
：
2k
2
（K=1,2,3,…) 明纹
（1）
(2k1)
2
（ K=0,1,2,…)
暗纹
（2） 20
将入射点A放大，实际
上e非常小，两束光几
乎在A点相遇
π，光程差为λ/2，即产生了半波损失。对光波说，来
自大折射率介质的反射具有半波损失。
。
9
两束光在空间相遇（在观察点P相遇）产生干
涉的条件是什么？
P r1
两束光要满 足条件之一
⑴振动的频率相同； S1 ⑵振动的方向大致相同；
r2
⑶位相差恒定。
S2
光程差 ∆=r2-r1
两束光要满 足条件之二
两束光要有光程差∆，并且光程差不 能太大（波长的数量级）：
35环，并使十字叉丝的纵丝与第35环的外环相切，记下读
数。继续向右移动镜筒，依次测量第34、第33、第32、第
31，以及第15条到第11条的暗环外侧位置。仍继续向右移
动镜筒，越过牛顿环中心到另一侧，依次测出该侧的第11
条至15条以及第31条到35条暗环内侧的位置读数。
⑵由左、右两侧的读数算出个暗环的直径。为了提高测量
显微镜纵向叉丝
显微镜纵向叉丝
错误
正确
显微镜移动方向
显微镜移动方向
5.干涉环两侧的序数不要数错，实验完毕应将牛顿环仪上的三个螺旋松
开，以免牛顿环变形;
；
6.实验中钠光灯打开后，不要随意关闭，经常开、关将影响灯的寿命；
用牛顿环测透镜的曲率半径
2.25用牛顿环测透镜的曲率半径牛顿不仅对力学有伟大的贡献，对光学也有十分深入的研究。
17世纪初，在考察肥皂泡及其他薄膜干涉现象时，他把一个玻璃三棱镜压在一个曲率已知的透镜上，偶然发现干涉圆环，并对此进行了实验观测和研究。
牛顿发现，用一个曲率半径很大的凸透镜和一个平面玻璃相接触，用白光照射时，出现明暗相间的同心彩色圆圈，用单色光照射，则出现明暗相间的单色圆圈。
这是由于光的干涉造成的，这种光学现象被称为“牛顿环”。
牛顿环用光的波动学说可以很容易解释，也是光的干涉现象的极好演示。
光的干涉技术应用极广，例如：测量光波波长、测量微小角度或薄膜厚度、观测微小长度变化、检测光学表面加工质量等。
牛顿环在检验光学元件表面质量和测量球面的曲率半径及测量光波波长方面得到广泛应用，利用牛顿环还可以测量液体折射率。
本实验要求学生从实验中观察光的干涉现象、了解光的干涉原理，并用牛顿环测量光学元件的曲率半径，学习测量微小长度，学习读数显微镜的使用等。
【实验目的】（1）观察光的等厚干涉现象，了解等厚干涉特点。
（2）掌握用牛顿环测量凸透镜曲率半径的方法。
（3）学习使用读数显微镜【实验原理】牛顿环是把一个曲率半径较大的平凸透镜的凸面放在一块光学平玻璃板上构成的，如图ｌ所示。
平凸透镜与平板玻璃间形成以接触点为对称中心厚度逐渐增加的空气薄膜，平行单色光垂直照射到透镜上，通过透镜，近似垂直地人射到空气层中，经过上下表面反射的两束光存在着光程差，在反射方向就会观察到干涉花样，干涉花样是以接触点为中心的一系列明暗相间的同心圆，称为牛顿环，如图2所示。
图1牛顿环装置图2牛顿环牛顿环是典型的分振幅干涉法产生的等厚干涉，它的特点是：明暗相间的同心圆环；级次中心低、边缘高；间隔中心疏、边缘密；同级干涉，波长越短,条纹越靠近中心。
设透镜半径为Ｒ，与接触点Ｏ的距离为ｒ处的薄膜厚度为ｄ，从图1可得出其几何关系：(1)2222222)(r d Rd R r d R R ++−=+−=因为，式（1）中可略去二阶小量，有：r R >>2d(2)Rr d 22=考虑到光从平板玻璃上反射会有半波损失，则光程差为：(3)22λδ+=d 产生第ｍ级暗纹的条件为：(4)2)12((λδ+=m 由式（2），式（3）和式（4），可得出第ｍ级暗纹的半径为(5)λmR r m =同理，也可以得出第ｍ级明纹的半径为：(6)λR m r m )12(−=由式（5）或式（6），如果已知光波波长，只要测出暗纹半径或明纹半径，数出对应的级数，可求出由率半径。
如何利用牛顿环测透镜的曲率半径
如何利用牛顿环测透镜的曲率半径牛顿环是一种经典的实验现象，利用它可以测量透镜的曲率半径。
透镜的曲率半径是衡量透镜曲率的一个重要参数，对于透镜的制造和应用有着重要的指导意义。
本文将介绍如何利用牛顿环测量透镜的曲率半径，并详细解释实验步骤和原理。
1. 实验准备首先，我们需要准备一块平整的硬表面，如玻璃板或金属板，并在其上放置一块透明平面透镜。
此外，还需要一定数量的平行光源，可以是自然光源或者光源发射器，以及一块显微镜。
2. 实验操作将平行光源对准透镜的一侧，使光线垂直入射到透镜上，并通过显微镜观察镜面反射的光线。
观察到的现象是在透镜和平面硬表面的接触区域，形成一系列交替明暗相间的环，即牛顿环。
3. 实验原理牛顿环的产生是由于透镜与平面硬表面之间的空气薄膜成为光的干涉介质。
这种干涉是由于透镜曲率引起的薄膜的厚度在不同位置上存在差异，从而导致光程差。
在透镜和平面硬表面的接触区域，从中心点开始，依次出现明暗交替的环。
4. 实验计算根据牛顿环的几何关系，可以计算出透镜的曲率半径。
在透镜的曲率半径较大的情况下，牛顿环可以近似为一组同心圆。
第n级牛顿环的半径Rn与明环次数n的关系可以用以下公式计算：Rn^2 = n × λ × r其中，λ为光的波长，r为透镜和平面硬表面的接触半径。
通过测量不同级别的牛顿环半径Rn，即可计算出透镜的曲率半径。
根据计算公式，绘制出曲率半径与明环次数的关系曲线，从而得到透镜的曲率半径。
5. 实验注意事项在进行牛顿环实验时，需要注意以下几点：- 确保实验环境足够暗，以提高观察的清晰度。
- 记录每个明环的半径时，需要尽可能减小误差，以获取准确的测量结果。
- 实验过程中，避免触摸透镜和硬表面，以防止指纹或灰尘对实验结果的影响。
综上所述，牛顿环可以用来测量透镜的曲率半径。
通过观察和测量牛顿环的半径，可以得到透镜的曲率半径，从而对透镜的性质有更深入的了解。
这是一种简单而有效的实验方法，有助于加深对光学原理的理解和应用。
3.2利用牛顿环测定透镜的曲率半径
人射光波的波长 。
实验仪器及其描述：
牛顿环是由一平凸透镜 L 和精磨的平玻璃板 P 叠合装在金属框架中构成的，如图三所 示，框架边上有三个螺钉 H 用以调节 L 和 P 之间接触点，以改变干涉圆环的形状和位置，
中的集合关系可得：
R 2 R d2 r 2 R 2 2Rd d 2 r 2
因 R>>d，故可略去 d2 而得
r2 2Rd 或 d r 2
①
2R
入射光
当光线垂直人射时，在平凹透镜的上下缘面
上反射光线的光程差为： 2n0d
②
R
式中 n0 为透镜折射率，由于光在平凹透镜上下缘面
n0r 2 m R
化简得
r 2 mR
⑤
n0
式中 r 为第 m 个亮圈的半径，同理可导出暗圈的半径为
r 2m 1R
⑥
n0
2
例如，选取第 m 个和第 n 个清楚的干涉亮环(或暗环)，测量第 m 个第 n 个亮环(或暗环)
的半径，由这两个差值来计算 R 或 。由⑤式或⑥式可得：
上反射光线的光程差为：
2d
(2)
2
式中 是因为光在平面玻璃面上反射时有 2
半波损失，将(1)式代入（2)式就得到以 O
r
d
图二
为圆心，半径为 r 的圆周上各点处的光程差为：
r2
(3)
R2
当 m 时，对应亮环
当 2m 1 时，对应暗环
2 式中 m 为干涉级数， m 可为 0、1、2……
1．用分振幅的方法实现双光束干涉。 2．通过实验加深对等厚干涉原理的理解和现象的认识。 3．掌握用牛顿环测定透镜曲率半径的方法。 4．学会调节和使用读数显微镜。 5. 观察等厚干涉现象。
用牛顿环测定透镜的曲率半径课件
03
实验结果分析
数据处理与误差分析
数据处理
将实验中测得的数据进行整理，绘制 出牛顿环干涉图样，并标出各环的半 径。
误差分析
对实验中可能产生的误差来源进行分 析，如测量工具精度、环境温度和湿 度变化等。
曲率半径的计算
方法一
根据干涉图样，利用公式$r = frac{klambda}{2pi}sqrt{frac{D}{d}}$计算透镜的曲率半径， 其中$k$为干涉级数，$lambda$为光波长，$D$为干涉图样 的直径，$d$为两玻璃间的缝隙。
步骤四
使用测微器测量透镜 的直径，并记录数据 。
步骤五
根据干涉条纹间距公 式和已知的波长计算 透镜的曲率半径。
数据记录与处理
表格1
记录不同干涉条纹间距的数据 。
表格2
记录透镜直径的测量数据。
计算
根据干涉条纹间距公式和已知 波长计算曲率半径。
误差分析
分析实验过程中可能产生的误 差来源，如测量误差、环境因 素等，并评估其对实验结果的
实验操作复杂
实验操作过程较为复杂， 需要专业人员指导。
实际应用与展望
光学仪器制造
透镜曲率半径的精确测量 对于光学仪器制造具有重 要意义。
科学研究
在光学、物理学等领域， 透镜曲率半径的精确测量 有助于推动相关研究的发 展。
技术创新
随着科技的发展，新的测 量技术和方法将不断涌现 ，有望提高透镜曲率半径 的测量精度和效率。
方ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ二
利用公式$R = frac{nd}{t}$计算透镜的曲率半径，其中$R$为 透镜曲率半径，$n$为折射率，$d$为透镜中心厚度，$t$为 透镜外径。
结果的讨论与结论
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牛顿环测透镜曲率半径的原理 dA1 Dk Dk+m
dA2
d d R 4(m n)
2 m 2 n
测量时不用
rk2 kR
原因：
Dk n d B1 d B 2
Dk m d A1 d A2
①透镜凸面与平板玻璃表面间并非理 想的点接触，难以准确判断干涉级次 k及环的圆心位置； ②读数显微镜目镜中的‘十字叉丝’ 不易做到与干涉条纹严格相切。
牛顿环的应用
◎牛顿环等厚干涉条纹的形状反映了两个光学表 明间距变化情况。利用牛顿环可以检测光学球面 （或平面）的加工质量。 ◎根据本实验原理，已知曲率半径的牛顿环可测 定单色光的波长。 ◎在牛顿环仪的镜面充满透明的液体光学介质， 就可以测量其折射率n
dm dk n 4(m k ) R
2、叉丝不平的影响（系统误差） 显微镜叉丝与显微镜移动方向不 平行产生的误差。
解决办法：改直径测量为弦长测量。
3、平凸透镜的不稳定性（偶然误差 /系统误差） 由固定螺丝的松紧度不同造成。
解决办法：镜间加很薄的环形垫圈进行固 定。
仪器实物
预习与思考
1.用移测显微镜测量牛顿环直径时，若测量的不是干涉环的直径，而是 干涉环的同一直线上的弦长，对实验是否有影响？为什么？ 2.透射光能否形成牛顿环？它和反射光形成的牛顿环有什么区别？ 3.用同样的方法能否测定凹透镜的曲率半径？ 4.有时牛顿环中央会出现亮斑，这是为什么？ 5.实验中，若平板玻璃上有微小的凸起，则凸起处的干涉条纹发生变化。 此时干涉条纹如何变化？
光程差： 由干涉条件:
2e
k
2
明环
(2k 1)
由图可见:
2
暗环
r 2 R 2 ( R e) 2 2 Re e2
r2 e 2R
第k级暗条纹的半径为: 2
r kR
牛顿环干涉条纹的特点
1.分振幅、等厚干涉； 2.明暗相间的同心圆环； 3.级次中心低、边缘高； 4.间隔中心疏、边缘密； 5.同级干涉，波长越短, 条纹越靠近中心。
读数显微镜
目 镜
读数标尺 读数显微镜由显微镜 与移动测量装置组成
上下移动旋钮 物镜
显微镜由目镜、分划板 和短焦距物镜组成
读数盘
水平移动旋钮
读数显微镜的成像光路
L
F2
F2
明 视 距 离
物镜
叉目镜 丝 平 面 视角放大率： M = 0.25△／f1 f2
显微镜调焦第一步：旋转目镜
2
2
实验内容
1、调节读数显微镜，找出牛顿环干涉条纹。 2、按书中数据记录表格，从左到右移动目镜，读出从外到内若干环的位置读数。 3、用逐差法计算被测透镜的曲率半径。
误差的主要来源与分析
1、条纹的定位精度（偶然误差） 定位误差的大小在条纹宽度的 1/5~1/10。
解决办法：取级次较高的环进行测量。
使十字叉丝成象在明视距离处
F1
F1
FF 2F 22
FF 2F 22
明 视 距 离
物镜
叉 目镜 丝 平 面
显微镜调焦第二步：调节升降螺旋
使物成象在与叉丝象相同的平面上 明 叉 视 丝 物镜 距 平 目镜 离 面
F1 F2 F2
成虚象范围
F1
读数显微镜的视差
视差
无视差
叉丝像平面 物像平面
共面
成因：叉丝与物的象不共面 消除方法：仔细调焦
用牛顿环测定透镜的曲率半径
五邑大学物理实验中心 2010.9
光的等厚干涉——牛顿环
实验目的要求： 1. 理解牛顿环干涉条纹的成因及特点 2.读数显微镜的调整和使用 3. 学习用等厚干涉法测量透镜的曲率半径； 4. 学会用逐差法处理实验数据。
实验原理
17世纪初，物理学家牛顿在考察肥皂泡及其他薄膜干涉现象时，把一个玻璃 三棱镜压在一个曲率已知的透镜上，偶然发现 干涉圆环，并对此进行了实验 观测和研究。 发现，用一个曲率半径大的凸透镜和一个平面玻璃相接触，用白光照射时， 其接触点出现明暗相间的同心彩色圆圈，用单色光照射，则出现明暗相间的 单色圆圈。这是由于光的干涉造成的，这种光学现象被称为“牛顿环”。
托马斯· 杨是波动光学的奠基者之一。 他发现利用透明物质薄片同样可以观察到 干涉现象，进而引导他对牛顿环进行研究， 他用自己创建的干涉原理解释牛顿环的成 因和薄膜的彩色，并第一个近似地测定了 七种色的光的波长，从而完全确认了光的 周期性，为光的波动理论找到了又一个强 有力的证据。
牛顿环干涉条纹的成因