实验14 牛顿环和劈尖的等厚干涉
14-4-1等厚干涉(劈尖 牛顿环)(1)
2n
n
2
第 十四章 光学
4
14-4-1 劈尖 牛顿环
b
n1 n
(3)条纹间距
D L
D
n 2
b
n
n /2
L
b 2n
D
n1
n
2b
L
2nb
L
b
劈尖干涉
第 十四章 光学
5
(4 )干涉条纹的移动
14-4-1 劈尖 牛顿环
第 十四章 光学
6
14-4-1 劈尖 牛顿环
若因畸变使某处移动了一 个条纹的距离，k=1，则
设 上 表 面 平 整
e
【演示】光 洁度检测
2
ek ek 1
第 十四章 光学
k-1 k k+1 下表面凹陷
11
14-4-1 劈尖 牛顿环
(4)测细丝的直径
空气 n 1
d
n1 n1
L
L
2n b
n
d
b
第 十四章 光学
12
14-4-1 劈尖 牛顿环 小结：劈尖干涉条纹特点 1. 条纹级次 k 随着劈尖的厚度而变化，因此这种干涉 称为等厚干涉。条纹为一组平行于棱边的平行线。 2. 由于存在半波损失，棱边上为零级暗纹。
2
d
第 十四章 光学
15
14-4-1 劈尖 牛顿环
牛顿环实验装置
显微镜 T L S M 半透 半反镜
R
r
d
牛顿环干涉图样
第 十四章 光学
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14-4-1 劈尖 牛顿环
牛顿环的特点
•以平凸透镜与平面玻璃 板的接触点为圆心的明暗 相间的圆环； •对空气牛顿环中心为暗 点； •条纹间距不相等，且内 疏外密。 牛顿环干涉图样
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验，是由洪堡用他的牛顿环提出来的，它是细节最精确的光学实验中的一种，从1832年到今天依然使用着这种工具，用于测量光的波长。
与常见的牛顿环相比，劈尖干涉实验对更精确的波长测量更加具有优势，因此得到了广泛的应用。
等厚干涉实验由牛顿环和劈尖干涉组成。
牛顿环是带有镶边的圆形玻璃，其边缘处有两个凹痕，它们被锯齿状分割或尖锐的割边填充，形成镶边，这种特殊的凹痕可以将光线形成一个尖锐而密集的条状图案。
光线由镶边穿过时，产生干涉。
劈尖干涉则不依靠物理凹痕来实现，而是依靠使用两个平行的光纤，其中一根分成两端，由一个非激光的光源为源入射在第一根光纤上，然后从两端发出，分别穿过另外一端光纤，最后从E型探头出发，形成劈尖边缘，从而产生干涉。
等厚干涉实验的基本原理是，入射光有一定的空间图案，其条纹会与凹痕或劈尖边缘相互叠加，形成干涉。
在实际操作中，将该干涉实验用于波长测量时，只要将数据拟合到模型公式，便可以准确测量出光的波长。
等厚干涉实验的优势在于，操作简便，测量准确，同时具有较高的精度。
而缺点是，由于采用凹痕或劈尖边缘，光线会产生不可预测的多普勒效应，而且各种环境因素会对结果造成影响，所以并不能完全准确测量光的波长。
牛顿环和劈尖干涉实验报告
牛顿环和劈尖干涉实验报告
实验目的：
1.观察和研究牛顿环和劈尖干涉现象。
2.通过实验验证光的波动性和干涉现象。
实验原理：
1.牛顿环实验：当一块平行玻璃板接触在光源上方的凸透镜或光源上并与凸透镜或光源的平面接触很好且空间之间没有气泡时，光线会形成彩色的环，称为牛顿环。
这是由于平行玻璃板和凸透镜或光源形成的薄膜导致光的干涉现象。
2.劈尖干涉实验：通过将一束单色光通过劈尖上的狭缝后，使光线呈现出明暗交替的条纹模式。
这是由于光的波动性导致光的干涉现象。
实验步骤：
1.牛顿环实验：
a)将凸透镜或光源放置在平台上，并调整到合适的高度。
b)在平行玻璃板上放置一滴水或一小滴云母溶液，并将平行玻璃板轻轻放在凸透镜或光源上方。
c)观察并记录形成的彩色环的数量和颜色。
根据环的半径和波长，可以计算出平行玻璃板的折射率。
2.劈尖干涉实验：
a)将劈尖放置在光源前方，并保持其垂直于光线。
b)使用狭缝光源发出一束单色光线并通过劈尖上的狭缝。
c)在屏幕上观察并记录明暗交替的条纹模式。
根据条纹的间距
和波长，可以计算出光的波长或劈尖的缝宽。
实验结果：
1.牛顿环实验：观察到形成的彩色环的数量和颜色。
2.劈尖干涉实验：观察到明暗交替的条纹模式，并记录条纹的间距。
实验结论：
1.牛顿环实验：根据计算得到的彩色环的半径和波长，可以计算出平行玻璃板的折射率。
2.劈尖干涉实验：根据条纹的间距和波长计算，可以得出光的波长或劈尖的缝宽。
通过以上两个实验，我们验证了光的波动性和干涉现象，并通过计算得到了相关参数。
指导书-14牛顿环和劈尖的等厚干涉
牛顿环和劈尖的等厚干涉光的干涉是指满足相干条件即频率相同、存在相互平行的振动分量、相位差恒定的两束光相互叠加时所出现的光强按空间周期性重新分布的一种重要的光学现象。
由于原子、分子的自发辐射具有随机性，一般来说，来自于不同光源或同一光源不同部分的两束光是不相干的。
在光的干涉实验中通常采用分波阵面法（将同一束光的波阵面分割为两部分，如杨氏双缝干涉）或分振幅法（将同一束光的振幅分解为若干部分，如薄膜干涉）来获取相干光。
本实验采用分振幅法来获取相干光。
利用两光学玻璃表面之间形成的厚度不均匀的空气层的上、下两个玻璃空气界面对入射光的反射将同一束光分解成几部分、经过不同的路径后再叠加。
由于相互叠加的反射子光束之间的光程差与反射处空气层的厚度有关，干涉条纹的分布与空气层厚度的分布相对应，所以这种干涉称为等厚干涉。
在实际生产中和科学研究中，人们不但利用等厚干涉来进行精密测量，而且还可以利用等厚干涉条纹的疏密和是否规则均匀来检验光学元件、精密机械表面加工光面的光洁度、平整度以及半导体器件上镀膜厚度的测量。
【实验目的】1、 掌握用牛顿环测透镜曲率半径的方法。
2、 掌握用劈尖干涉测劈角的方法。
3、 学习读数显微镜的使用。
【实验仪器】读数显微镜、牛顿环装置、钠光灯、劈尖装置。
【仪器介绍】1、仪器结构读数显微镜（如图1）是利用螺旋测微机构控制镜筒（或工作台）移动的一种测量长度的精密仪器，可分为测量架和底座两大部分。
在测量架上装有显微镜筒和移动镜筒的螺旋测微装置。
显微镜的目镜用锁紧圈和锁紧螺钉固紧于镜筒内。
物镜用螺纹与镜筒连接。
整体的显微镜筒可用调焦手轮调焦。
旋转测微鼓轮，显微镜镜筒能够沿导轨横向移动，初末两位置之差即所测长度。
测微鼓轮每旋转一周，显微镜筒移动1mm 。
测微鼓轮圆周均分100个刻度，所以测微鼓轮每转一格，显微镜筒移动0.01mm 。
测量架的横杆插入立柱的十字孔中，立柱可在底座内移动和升降，用旋手固紧。
2、使用方法使用前先调整目镜1，对分划板（叉丝）聚焦清晰后，再转动调焦手轮3，同时从目镜观察，使被观测物成像清晰，无视差。
牛顿环和尖劈的干涉条纹的异同
牛顿环和尖劈的干涉条纹的异同
牛顿环和尖劈的干涉条纹的相同点是它们都属于等厚干涉条纹。
然而，它们在形状和结构上存在显著的差异。
牛顿环的干涉条纹呈明暗相间的同心圆，相邻条纹间距不等。
这些条纹是牛顿环上厚度相同点的轨迹，其形状为圆。
尖劈的干涉条纹则是明暗相间的直条纹，且相邻条纹间距相等。
这些条纹是尖劈上厚度相同点的轨迹，其形状为直线。
这是因为在尖劈处，垂直入射的光会有半波损失，导致亮纹的光程差为半波长的偶数倍，暗纹的光程差为半波长的奇数倍。
由于尖劈处的厚度为零，此处是零级暗纹。
随着厚度的增加，级数也会增加。
综上所述，牛顿环和尖劈的干涉条纹虽然都属于等厚干涉条纹，但它们的形状和结构有所不同。
牛顿环的条纹呈同心圆，尖劈的条纹则是直条纹。
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉
等厚干涉实验—牛顿环和劈尖干涉要观察到光的干涉图象，如何获得相干光就成了重要的问题，利用普通光源获得相干光的方法是把由光源上同一点发的光设法分成两部分，然后再使这两部分叠如起来。
由于这两部分光的相应部分实际上都来自同一发光原子的同一次发光，所以它们将满足相干条件而成为相干光。
获得相干光方法有两种。
一种叫分波阵面法，另一种叫分振幅法。
1．实验目的（1）通过对等厚干涉图象观察和测量，加深对光的波动性的认识。
（2）掌握读数显微镜的基本调节和测量操作。
（3）掌握用牛顿环法测量透镜的曲率半径和用劈尖干涉法测量玻璃丝微小直径的实验方法（4）学习用图解法和逐差法处理数据。
2．实验仪器读数显微镜，牛顿环，钠光灯3．实验原理我们所讨论的等厚干涉就属于分振幅干涉现象。
分振幅干涉就是利用透明薄膜上下表面对入射光的反射、折射，将入射能量(也可说振幅)分成若干部分，然后相遇而产生干涉。
分振幅干涉分两类称等厚干涉，一类称等倾干涉。
用一束单色平行光照射透明薄膜，薄膜上表面反射光与下表面反射光来自于同一入射光，满足相干条件。
当入射光入射角不变，薄膜厚度不同发生变化，那么不同厚度处可满足不同的干涉明暗条件，出现干涉明暗条纹，相同厚度处一定满足同样的干涉条件，因此同一干涉条纹下对应同样的薄膜厚度。
这种干涉称为等厚干涉，相应干涉条纹称为等厚干涉条纹。
等厚干涉现象在光学加工中有着广泛应用，牛顿环和劈尖干涉就属于等厚干涉。
下面分别讨论其原理及应用：（1）用牛顿环法测定透镜球面的曲率半径牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜和一块光学平玻璃片(又称“平晶”)相接触而组成的。
相互接触的透镜凸面与Rer (a ) (b)图9-1 牛顿环装置和干涉图样平玻璃片平面之间的空气间隙，构成一个空气薄膜间隙，空气膜的厚度从中心接触点到边缘逐渐增加。
如图9-1（a ）所示。
当单色光垂直地照射于牛顿环装置时(如图9-1)，如果从反射光的方向观察，就可以看到透镜与平板玻璃接触处有一个暗点，周围环绕着一簇同心的明暗相间的内疏外密圆环，这些圆环就叫做牛顿环，如图9-1（b ）所示．在平凸透镜和平板玻璃之间有一层很薄的空气层，通过透镜的单色光一部分在透镜和空气层的交界面上反射，一部分通过空气层在平板玻璃上表面上反射，这两部分反射光符合相干条件，它们在平面透镜的凸面上相遇时就会产生干涉现象。
等厚干涉——劈尖牛顿环实验参考答案
一、选择题1. 在等厚干涉实验中，设牛顿环的空气薄层厚度为e，则当2eA：为入射光波长的整数倍时产生暗条纹，为入射光半波长的奇数倍时产生明条纹 B：为入射光波长的整数倍时产生暗条纹，为入射光波长的奇数倍时产生明条纹 C：为入射光波长的整数倍时产生明条纹，为入射光半波长的奇数倍时产生暗条纹 D：为入射光波长的整数倍时产生明条纹，为入射光波长的奇数倍时产生暗条纹请选择:Ａ２．两束光在空间相遇产生干涉的条件是A：频率相等B：振动方向相同C：相位差恒定，且满足一定条件D：abc都是请选择:Ｄ３．牛顿环实验中，读数显微镜的视场中亮度不均匀，其原因是A：显微镜的物镜有问题B：反光玻璃片放反了C：入射单色光方向不正D：显微镜的目镜有问题请选择:Ｃ４．牛顿环是一种A：不等间距的衍射条纹B：等倾干涉条纹C：等间距的干涉条纹D：等厚干涉条纹请选择：Ｄ５．牛顿环实验中，单向测量的目的是为了消除A：视差B：读数显微镜测微鼓轮的仪器误差C：测微螺距间隙引起的回程误差D：ABC都不是请选择:Ｃ６．劈尖干涉实验中，若测得20个劈尖干涉条纹间隔L1，劈尖条纹的总长为L，则其包含的干涉暗条纹总数为A：20L/L1 B：20L1/L C：L/(20L1) D：L1/(20L)请选择:Ａ７．牛顿环实验中有如下步骤：①调节读数显微镜的反光片和纳光灯的位置，使其视场明亮均匀②调节目镜使叉丝像清晰③将牛顿环放于载物台，由下向上调节镜筒，得到清晰的干涉条纹④调节牛顿环的位置和叉丝方向，使牛顿环中某环在纵向叉丝沿主尺方向移动时始终于横向叉丝相切⑤测量。
则正确的实验顺序是A：a b c d e B：b c a d e C：a b d c e D：d a c b e请选择：Ａ８．在牛顿环实验中，读数显微镜的调节要求是A：叉丝清晰B：显微镜内视场均匀明亮C：图象清晰D：abc都是请选择:Ｄ９．牛顿环实验中，若已知凸透镜的曲率半径R，选出下列说法中正确的（）A：可通过它测单色光的波长B：可通过它测平板玻璃的厚度C：可用之测牛顿环中平板玻璃的折射率D：可用它测凸透镜的折射率请选择:Ａ１０．牛顿环实验中，暗环半径边缘与平板玻璃的垂直距离为e=kλ/2,暗环半径满足r^2=kRλ，其成立的条件是A：R>e D：R>>e请选择:Ｄ１１．牛顿环装置的平面玻璃上表面是标准平面，而平凸透镜的凸表面加工后发现某处有擦伤（凹痕），用这一装置观察反射的牛顿环时，对应擦伤的干涉条纹应向_____弯曲A：环外B：环心C：环心和环外都有D：以上都不对请选择:Ｂ二、判断题1. 牛顿环和劈尖分别属于等厚干涉和等倾干涉。
14-实验十四 光的等厚干涉图文模板
m ：32 30 28 26 24
注意事项 n：22 20 18 16 14
注意：鼓轮应沿一个方向旋转，中途不得反转，以免引起回程 误差！
感谢
谢谢，精品课件
资料搜集薄Leabharlann 等厚干涉光路示意图肥皂膜 油膜
牛顿环
劈尖
L —玻璃片交线(劈棱)到细丝的距离 L10—10条条纹的间距
—单色光源的波长
读数显微镜 钠光灯 牛顿环 劈尖 细丝
实验仪器
显微镜上 下调节旋
钮 反射透明 玻璃片
显微镜 目镜
目镜 固定螺钉
毫米刻度 尺
螺旋测微 计
微分筒
显微镜 水平方向 移动鼓轮
实验目的
➢ 了解等厚干涉的原理和特点。 ➢ 学习测量平凸透镜的曲率半径和微小待测物的厚度。 ➢ 掌握读数显微镜的原理和使用。
实验原理
等厚干涉
是光干涉的一种。当薄 膜层的上、下表面有一很小 的倾角时，由同一光源发出 的光，经薄膜的上、下表面 反射后在上表面附近相遇时 产生干涉，并且厚度相同的 地方形成同一干涉条纹，这 种干涉叫等厚干涉。
实验十四 光的等厚干涉
➢ 频率相同的两列波叠加，使某些区域的振动加强，某些 区域的振动减弱，而且振动加强的区域和振动减弱的区 域相互隔开，这种现象叫做波的干涉。
➢ 等厚干涉：厚度相同的地方形成同一干涉条纹，例如牛 顿环和劈尖。
➢ 光的等厚干涉在生产实践中广泛应用，用于检测透镜的 曲率，测量光波波长，精确测量微小长度、厚度和角度， 检验平整度等。
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m n
U(R )不确定度计算
劈尖角计算
数据沿红线分成两组，绿框 和篮筐各一组，对应相减得 到20L，然后求平均，再除 以20，得到相邻暗纹距离。
代入公式计算
2L
六 思考题
1、牛顿环的干涉条纹是如何形成的？其条纹特征
是什么？
2、在牛顿环数据计算中为什么要采用m-n=30环？
这样处理有什么优点？ 3、实验中观察劈尖干涉的等厚条纹有时是倾斜的， 其影响因素有哪些？
版权归实验中心所有，禁止转载
2
P
r2 d 2R
d
暗环 ( 2m 1)
2
Rd
R
得(2m 1)
2
2
r R 2
2
r 2 mR
r
O
P
d
rm mR
2
rn nR
2
2 2 2
牛顿环等厚干涉示意图
rm rn Dm Dn R (m n) 4(m n)
实验原理
产生暗纹的条件： Δ 2d k
左侧第70暗环位置： 17.179mm
依次记下右侧第60~20暗环 沿着红色箭头方向，依次 记下左侧第20~70暗环位置。 位置，然后叉丝又过圆心。
（四） 劈尖实验步骤
注意：测量的条纹 应选远离头发丝或 纸条的一端，否则 误差太大。 1、镜筒置于 25mm位置。 0 1 234
· · · · · · · ·
2
(2k 1)
2
l 相邻暗纹距离
任意相邻暗纹对应的空 气层的厚度差： Δd k
因为 Δd k l sin , 所以 l sin
2
l
dk
2
由于 很小，所以sin
dk
dk 1
劈尖等厚干涉示意图
2l
四 实验内容与步骤
（一） 读数显微镜的读数方法
2、测量过程沿着同一方向转动测微手轮，防止空程误差。
3、数暗环时要仔细，容易数错，每到读数的时候要慢慢
转动手轮，防止转过。 4、劈尖条纹要先调平行，选择劈角附近的条纹测量，因 为头发丝或纸片一端条纹测量误差偏大。 5、整理仪器，填写实验运行记录本。
五 数据记录与处理
逐差法:数据沿红 线分成上下两组， 保证m-n=30
螺尺读数基准线
滑动部件
主尺读数基准线
50
测 微 手 轮
0
10
20主尺 30
固定支架
40
50
40
读数： 27+0.01 × 48.5=27.485 mm
（二） 空程误差
空程误差表现为：
当测微手轮反向
转动时，镜筒或 目镜中的十字叉
滑动螺母
旋转螺杆
丝不会立即跟着
移动，而是过一 会再移动。
空程误差
（三） 牛顿环实验步骤
2、镜筒置于最低点， 然后向上转动调焦手 轮，聚焦。
3、转动手轮，使叉丝 竖线对准任一暗纹中 央或相切，此即第0个 条纹位置。然后沿着 红色箭头方向，每4个 暗纹，记一个读数， 直到第36条暗纹。
4、将数据记录表格，计算相邻暗纹距离,最后计算劈尖角。
（五） 实验注意事项
1、镜筒先放到最低点再上调，防止损坏牛顿环和物镜。
实验14 牛顿环和劈尖的等厚 干涉
理学院大学物理实验中心 2012年9月
Байду номын сангаас 实验目的
（1）学会使用读数显微镜
（2）掌握用牛顿环测量凸透镜的曲率半径 （3）掌握劈尖干涉测量劈尖的劈角
二 仪器介绍
目镜 锁紧圈 调焦手轮 标尺 物镜
测微 手轮
45°反 射镜 反光镜 压片夹
牛顿环
读数显微镜
劈尖
仪器介绍
钠光灯的相关介绍， 参考课本P41，钠光 灯使用时需预热 5~10分钟，钠光为 黄色光，波长为 589.3 nm。
钠光灯开关
钠光灯
三 实验原理
光程差 2d
2
R2 (R d )2 r 2 R2 2Rd d 2 r 2
入射光
O
2
1
当R d时, d 忽略不计
3 牛顿环调至中心位置
调节 螺丝
日光灯下观察到彩色的同心 圆环，调节三颗螺丝使同心 圆环位于中心位置。
4 聚焦，使十字叉丝对准环心
下调镜筒
上调镜筒
旋转手轮，镜筒调至最低
注意别压碎牛顿环。
反向旋转手轮聚焦，看到 清晰圆环。
移动牛顿环，使十字 叉丝对准圆心
5 测量暗纹位置
反转
正转 正向转动手轮，保证竖丝与暗环相 切，数到右侧第72暗环。 反向转两个暗环，到右侧第70暗环，记下此时的 读数（反向转动是为了消除空程误差），此后一 直沿着该方向转动手轮，即镜筒一直沿着红色箭 头方向移动。
1 对准光路
1、打开钠灯，预热 3~5分钟，保证钠灯 的窗口对准显微镜的 45°反射镜。调整反 光镜使目镜视场明亮。
反光镜朝向发光口
2 调节目镜的十字叉丝，镜筒位于标尺中间
1 2
旋转目镜使十字叉 丝的清晰
转动目镜筒使叉丝的横丝与标尺 平行，用锁紧螺丝固定目镜。
将反光镜调到背光位置
3
转动测微手轮，将镜筒置于标尺25 mm位置。