大学物理牛顿环实验
等厚干涉实验牛顿环大学物理实验课件
大学物理实验
主要内容
简介
牛顿环是一种光的等厚干涉现象。牛顿 对牛顿环作了精确的定量测定，可以说已 经走到了光的波动说的边缘，但由于过分 偏爱他的微粒说，始终无法正确解释这个 现象。直到19世纪初，英国科学家托马斯⋅ 杨才用光的波动说完满的解释了牛顿环现象。
实验目的
• 观察牛顿环干涉条纹的特点，加深对光的 波动性的认识。
成一个厚度随直径变化的空
气隙。
空气隙的等厚干涉条纹
是一组明暗相间的同心环。
该干涉条纹最早被牛顿发现，
所以称为牛顿环( Newton -
ring)
牛顿环
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仪器介绍
• 读数显微镜 • 钠灯 • 平凸透镜
ห้องสมุดไป่ตู้
读数显微镜
读数标尺
读数盘
目镜 上下移动旋钮 物镜 水平移动旋钮
钠灯
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。
•调节目镜清晰地看到十字叉丝，然后由下向上 移动显微镜镜筒(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
•取m=30 ，n=15。横向改变显微镜筒位置，使叉 丝由第30圈外向第30圈移动直至叉丝交点与之重 合，读取C30 ，继续朝同一方向移动叉丝至第15圈 读取C15 ；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C'15 、C‘30。 •将牛顿环旋转若干角度，重复以上测量。
半波损失
波传播过程中，遇到波疏介质反 射，反射点入射波与反射波有相同的 相位。波由波密介质反射，反射点入 射波与反射波的相位差π ，光程差为 λ/2 ，即产生了半波损失。
大学物理牛顿环实验报告
大学物理牛顿环实验报告大学物理牛顿环实验报告引言在大学物理实验中，我们学习了许多经典的实验，其中之一就是牛顿环实验。
这个实验是由英国科学家艾萨克·牛顿于17世纪末提出的，通过光的干涉现象，帮助我们理解光的波动性质。
在这篇报告中，我将详细介绍牛顿环实验的原理、实验装置和实验结果。
实验原理牛顿环实验是基于光的干涉现象。
当平行光垂直照射到一个透明介质上时，光线会发生反射和折射。
在牛顿环实验中，我们使用一个凸透镜和一块平板玻璃来观察干涉现象。
当光线从凸透镜的平面表面射入玻璃平板时，一部分光线会被反射，一部分光线会被折射。
在玻璃平板和凸透镜之间形成了一层薄空气膜。
这层薄空气膜会引起光的干涉现象，形成一系列明暗相间的环状条纹，即牛顿环。
实验装置牛顿环实验的装置相对简单。
我们需要准备一个凸透镜、一块平板玻璃、一束平行光源以及一个显微镜。
首先，将凸透镜放置在光源上方，使得光线垂直照射到凸透镜的平面表面上。
然后，在凸透镜上方放置一块平板玻璃，使其与凸透镜保持平行。
最后，将显微镜放置在玻璃平板上方，以便观察牛顿环的形成。
实验过程在实验过程中，我们首先调整光源的位置，使得光线垂直入射到凸透镜的平面表面上。
然后，通过调整显微镜的焦距，使其能够清晰地观察到牛顿环。
当我们通过显微镜观察牛顿环时，会看到一系列明暗相间的环状条纹。
这些条纹的亮暗程度取决于光线在薄空气膜中的相位差。
相位差的大小与光线在薄空气膜中的路径差有关。
实验结果通过实验观察，我们可以得出以下结论：1. 牛顿环的中心是暗的，而环状条纹向外逐渐变亮。
这是因为在中心位置，光线的路径差为零，相位差也为零，因此不会发生干涉现象。
而随着距离中心越远，路径差增大，相位差也逐渐增大，导致干涉现象的发生。
2. 牛顿环的亮暗程度与光的波长有关。
当使用不同波长的光源进行实验时，我们会观察到不同的牛顿环。
这是因为不同波长的光在薄空气膜中的路径差不同，导致相位差的变化。
3. 牛顿环的半径与凸透镜的曲率半径有关。
大学物理实验光学用牛顿环干涉测透镜曲率半径
实验 用牛顿环干涉测透镜曲率半径（一）目的：1、掌握用牛顿环测定透镜曲率半径的方法。
2、通过实验加深对等厚干涉原理的理解。
（二）仪器和用具：移测显微镜（JCD 3型）、钠灯牛顿环仪是由待测平凸透镜（凸面曲率半径约为200～300c ｍ〕Ｌ和磨光的平玻璃板Ｐ叠合装在金属框架Ｆ中构成。
框架边上有三个螺旋Ｈ，用以调节Ｌ和Ｐ之间的接触，以改变干涉环纹的形状和位置。
调节Ｈ时，螺旋不可旋得过紧，以免接触压力过大引起透镜弹性形变，甚至损坏透镜。
（三）原理：当一曲率半径很大的平凸透镜的凸面与一磨光平玻璃板相接触时，在透镜的凸面与平玻璃板之间将形成一空气薄膜，离接触点等距离的地方，厚度相同。
如图9-2所示，若以波长为的单色平行光投射到这种装置上，则由空气膜上下表面反射的光波将互相干涉，形成的干涉条纹为膜的等厚各点的轨迹，这种干涉是一种等厚干涉。
在反射方向观察时，将看到一组以接触点为中心的亮暗相间的圆环形干涉条纹，而且中心是一暗斑（图a ）；如果在透射方向观察，则看到的干涉环纹与反射光的干涉环纹的光强分布恰成互补，中心是亮斑，原来的亮环处变为暗环，暗环处变为亮环（图ｂ），这种干涉现象最早为牛顿所发现，故称为牛顿环。
设透镜Ｌ的曲率半径为R ，形成的m 级干涉暗条纹的半径为r ｍ，m 级干涉亮条纹的半径为r ｍ’，不难证明r ｍ =λmRr ｍ’=2)12(λ⋅−R m 以上两式表明，当已知时，只要测出D 第m 级暗环（或亮环）的半径，即可算出透镜的曲率半径R ；相反，当R 已知时，即可算出λ。
但由于两接触镜面之间难免附着尘埃，并且在接触时难免发生弹性形变，因而接触处不可能是一个几何点，而是一个圆面，所以近圆心处环纹比较模糊和粗阔，以致难以确切判定环纹的干涉级数m ，即干涉环纹的级数和序数不一定一致。
这样，如果只测量一个环纹的半径，计算结果必然有较大的误差。
为了减少误差，提高测最精度，必须测量距中心较远的、比较清晰的两个环纹的半径，例如测量出第m 1个和第m 2个暗环（或亮环）的半径（这里m 1，m 2均为环序数，不一定是干涉级数），因而（9－1）式应修正为r ｍ2 =（m+j ）R λ式中m 为环序数，（m ＋j ）为干涉级数（j 为干涉级修正值），于是λλR m m R j m j m r r m m )()]()[(12122212−=+−+=− 上式表明，任意两环的半径平方差和干涉级以及环序数无关，而只与两个环的序数之差（m 2-m 1）有关。
大学物理实验实验牛顿环实验
多次测量并记录数据，以提高测量的准确性。
分析测量数据，了解干涉条纹间距与光源波长之 间的关系。
记录数据并光源波长、干涉条
纹间距等。
02 分析实验数据，得出结论，并与理论值进行比较。
03
根据实验结果，了解牛顿环实验在物理学中的应用和
学习测量光波波长的方法
01 学习并掌握使用分光仪和干涉仪测量光波波长的 方法。
02 了解测量光波波长的基本原理，即根据干涉条纹 的间距和已知的直径计算光波波长。
03 掌握实验操作技巧，确保测量结果的准确性和可 靠性。
理解光的干涉现象
通过观察牛顿环实验中的干涉现象，深入理解光的波动 性和干涉原理。
对实验的改进建议和展望
改进建议
为减少非牛顿环干涉条纹的干扰，我们 可以采取增加暗室或使用遮光板的方法 。同时，为提高测量精度，我们可以使 用更高精度的测量工具或多次测量取平 均值的方法。在调整实验装置时，应更 加细致并确保各项条件完全稳定。
VS
未来展望
随着科技的发展，未来可以采用更先进的 仪器和方法来提高牛顿环实验的精度和可 靠性。此外，可以进一步研究不同条件下 牛顿环干涉现象的变化规律，为光学研究 提供更多有价值的信息。
测量尺
01
测量尺用于测量牛顿环装置中干涉条纹的直径和间距，其刻度 应清晰、准确。
02
在使用测量尺时，应保持其与显微镜和牛顿环装置的位置相对
固定，以减小误差。
在测量过程中，应多次测量并取平均值，以提高测量结果的准
03
确性。
03
实验步骤
Chapter
调整牛顿环装置
调整牛顿环装置的水 平，确保其稳定。
大学物理实验报告牛顿环法测量透镜曲率半径
大学物理实验报告牛顿环法测量透镜曲率半径实验目的：通过使用牛顿环法测量透镜的曲率半径，了解透镜的特性和性能。
实验原理：牛顿环法是一种测量透镜曲率半径的方法，其基本原理是利用透镜产生的干涉图案来测量透镜的曲率半径。
当透镜与光源之间存在一个薄透明介质时，透镜和介质之间会形成一系列干涉环，这些干涉环被称为牛顿环。
根据牛顿环的半径和透镜与介质之间的距离，可以计算出透镜的曲率半径。
实验步骤：1. 准备实验所需材料和仪器，包括透镜、白光光源、薄透明介质、光屏等。
2. 将透镜放在光源上方，调整光源和透镜之间的距离，使得透镜和光源之间存在薄透明介质。
3. 将光屏放在透镜下方，调整光屏的位置，使得牛顿环清晰可见。
4. 使用尺子测量透镜和光屏之间的距离，并记录下来。
5. 通过放大镜或显微镜观察牛顿环，并记录下最明亮的几个环的半径。
6. 根据实验原理中的公式，计算出透镜的曲率半径。
实验注意事项：1. 实验过程中要注意光源和透镜的安全使用，避免直接照射眼睛。
2. 调整光源和透镜的位置时要小心操作，避免碰撞和损坏实验器材。
3. 观察牛顿环时要保持光线充足，以确保清晰可见。
4. 记录实验数据时要准确无误，避免误差的产生。
实验结果：根据实验步骤中记录下来的数据，可以计算出透镜的曲率半径。
根据牛顿环的半径和透镜与介质之间的距离，使用适当的公式进行计算，最终得出透镜的曲率半径。
实验总结：通过本次实验，我们利用牛顿环法测量了透镜的曲率半径。
实验结果可以用来评估透镜的性能和特性。
同时，通过实验过程中的操作和观察，我们进一步了解了光学现象和光的干涉原理。
这对于我们深入理解光学知识和应用光学技术具有重要的意义。
大学物理牛顿环实验
大学物理牛顿环实验一、实验目的1、观察牛顿环的干涉现象2、研究干涉现象与光波的波动性质3、学习使用分光仪、读数显微镜的方法二、实验原理牛顿环是一种典型的干涉现象，它是由一束光分成两束相干光，在空间叠加而成。
当一束光照射在玻璃表面时，会产生反射和透射两种现象。
反射光会在玻璃表面形成亮斑，而透射光则会继续传播。
当透射光再次照射到玻璃表面时，会再次产生反射和透射，形成一系列的反射和透射光。
这些反射和透射光会相互干涉，形成明暗相间的条纹，这就是牛顿环。
三、实验步骤1、调整分光仪，使一束光通过玻璃棱镜，分成两束相干光，并在空间叠加。
2、调整分光仪的望远镜，观察到清晰的牛顿环。
3、使用读数显微镜测量牛顿环的直径，并记录下来。
4、改变分光仪的棱镜角度，观察干涉条纹的变化，并记录下来。
5、分析实验数据，得出结论。
四、实验结果与分析1、实验结果在实验中，我们观察到了清晰的牛顿环干涉现象，并且使用读数显微镜测量了牛顿环的直径。
随着分光仪棱镜角度的变化，干涉条纹也会发生变化。
2、结果分析通过实验数据，我们可以得出以下（1）牛顿环是由两束相干光在空间叠加而形成的干涉现象。
（2）干涉条纹的明暗交替是由于两束光的相位差引起的。
（3）通过测量牛顿环的直径，我们可以计算出光波的波长。
（4）随着分光仪棱镜角度的变化，干涉条纹会发生变化，这是因为光的波长和入射角发生了变化。
五、结论通过本次实验，我们深入了解了干涉现象与光波的波动性质，学习了使用分光仪、读数显微镜的方法。
这对于我们今后在光学领域的研究具有重要意义。
大学物理牛顿环实验一、实验目的1、观察牛顿环的干涉现象2、研究干涉现象与光波的波动性质3、学习使用分光仪、读数显微镜的方法二、实验原理牛顿环是一种典型的干涉现象，它是由一束光分成两束相干光，在空间叠加而成。
当一束光照射在玻璃表面时，会产生反射和透射两种现象。
反射光会在玻璃表面形成亮斑，而透射光则会继续传播。
当透射光再次照射到玻璃表面时，会再次产生反射和透射，形成一系列的反射和透射光。
大学物理实验牛顿环
牛顿环和劈尖干涉实验【实验目的】1、观察光的等厚干涉现象，熟悉光的等厚干涉的特点；2、用牛顿环干涉测定平凸透镜的曲率半径；3、用劈尖干涉法测定细丝直径或微小薄片厚度。
【实验仪器及装置】牛顿环仪、读数显微镜、钠光灯、劈尖、数显游标卡尺。
【实验原理】 一、牛顿环干涉牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，以其凸面放在一块光学玻璃平板（平晶）上构成的，如图1所示。
平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，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。
从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环（如图2所示），称为牛顿环。
由于同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的，因此它属于等厚干涉。
图1 实验装置简化图 图2 干涉光路及牛顿环图(a)（b ）由图2 (a)可见，如设透镜的曲率半径为R ，与接触点Ｏ相距为r 处空气层的厚度为d ，其几何关系式为：()2222222r d Rd R r d R R ++-=+-=由于R>>d ，可以略去d 2得22r d R= (1)光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平玻璃板上反射会有半波损失，从而带来/2λ的附加程差，所以光程差δ为：22λδ+=d (2)产生暗环的条件是：(21)2k λδ=+ (3)其中k ＝0，1，2，3，...为干涉暗条纹的级数。
综合(1)、(2)和(3)式可得第ｋ级暗环的半径为：2r kR λ= (4)由(4)式可知，如果单色光源的波长λ已知，测出第m 级的暗环半径m r ，即可得出平凸透镜的曲率半径R ；反之，如果R 已知，测出m r 后，就可计算出入射单色光波的波长λ。
但是用此测量关系式往往误差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触；接触压力会引起局部形变，使接触处成为一个圆形平面，干涉环中心为一暗斑。
大学物理实验报告之牛顿环实验报告
牛顿环实验报告一.实验目的1.观察等厚干涉现象，并利用等厚干涉测量凸透镜表面的曲率半径2.了解读书显微镜的使用方法二.实验原理当曲率半径为R的平凸透镜放置在一平板玻璃上时，在透镜和平板玻璃之间形成一个厚度变化的空气间隙。
当光线垂直照射到其上，从空气间隙的上下表面反射的两束光线 1.2将在空气间隙的上边面附近实现干涉叠加，两束光之间的光程差随空气间隙的厚度变化而变化，空气间隙厚度相同处的两束光具有相同的光程差Δ，所以干涉条纹是以接触点为圆心的一组明暗相间的同心圆环，称为牛顿环。
R为待测透镜凹面的曲率半径，r k是第k级干涉环的半径，d k是第k级干涉环所对应的空气间隙的厚度。
如果入射光的波长为ƛ，则第k级干涉环所对应的光程差为Δk=2dk+ƛ/2 (1)其中，ƛ/2为光由光疏介质入射到光密介质时，反射光的半波损失。
因此，在接触点出（d0=0）的光程差为Δ0= ƛ/2（2）在k级干涉暗环处的光程差为Δk=2d k+ ƛ/2 =(k+1/2)k (3)所对应的空气间隙的厚度为d k==kƛ/2 (4)第k级干涉暗环的半径为r k=√kƛR (5)在实验中用给定波长的光进行照明时，只要测得第k级次干涉暗环的半径r k，就可以测得曲率半径R。
但在实际测量中，由于无法准确确定干涉环圆心所在位置，这样就不可能准确的测量干涉环的半径。
因此，直接利用式（5）作为测量公式将对测量结果带来很大的误差。
事实上，在测量过程中可以准确地获得各个级次干涉环的弦长。
假设这个弦到圆心的距离是s，可得以下几何关系L k2=4(r k2-s2) (6)L k2=4k ƛR-4s2 (7)利用式（7）作为测量公式时，所遇到的问题是如何确定s或排除它对测量结果的影响。
有如下两种解决方法:（1）在式（7）中弦长的平方与干涉环的级次间是一个线性关系，在测量中，可以测量一组不同级次干涉环在某一直线上的弦长，利用最小二乘法或作图法求得该直线的斜率，再利用已知的波长得到凸透镜的曲率半径。
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实验内容及操作
调节位于金属边框上的三个螺钉，使牛顿环大 致位于中心。
螺钉太紧
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；
螺尺 螺杆
45 … 40 … 40 … 45 20 … 25 – 在齿合前，轻轻转动螺尺手柄，螺尺读数变化，而游标并没有移 动。 … … 25 … 20 0
二读数显微镜及测量
（1）打开钠光灯，摆正显微镜的位置。 （2）在日光下，调节好牛顿环装置。 （3）直接用眼观察牛顿环，再将牛顿环摆 在显微镜的平台上。 （4）调目镜、调物镜。 （5）观察视场，左右两边要测量的最大级 环纹清晰可见时就测量；但在具体测量 时有两点应牢记 （A）测量环的位置时要么以环的左边 为准测量，要么以右边为准测量，一定 要统一！ （B）测量时先要把十字叉丝移到需测 的最高级纹的外边，再沿一个方向测量 各个需测条纹的位置
2 2 Dk Dk m R 4m u A ( Dk2 Dk2m ) uA (R ) u A n1 4m n
• 3.间接测量量uB的求法:应依据不确定度合成公式 u( y) • 一直求到是直接测量量为此.
f x u ( xi ) i
– 消除方法：测量时只往同一方向转动螺尺,往一个方向测出 所有的位置值!
主尺读数 准线
主尺 微分筒读 数准线 微分筒
整毫米从主尺读出，不足1毫米的部分从微分筒上读 取（微分筒读数时要从小向大读数）。上图显示读数 为：25.719mm。
• 三、数据处理的几点说明: • 1. 透镜的曲率半径的平均值 • 2. uA 的求解方法:
R
平凸透镜••Fra bibliotekδ=2d+λ/2
P d
平板玻璃
由于球面d相同的点是一圆环， d相同的点光程差一样， 所以干涉纹必定是圆心在接触点轴线上同心圆，设P 点处在K级干涉环上，则环的半径显然满足
rk2 R2 (R d )2 2Rd
• 如果，P点处在K级暗环，则光程差满足
rk
•
•
δ=（2k+1)λ/2
所以K级暗环半径的平方
rk2
•
• 两式相减得到
kR (k m) R
Dk2 Dk2m 4m
同理k+m级暗环半径的平方
rk2m
rk2 rk2m R m
• 几个问题的讨论 • 1.环的级次难以确定是怎么样解决的? • 环与环相差多少级是可数的. • 2.环的中心难以确定是怎么样解决的? • 根据几何的勾股定理两环直径的平方差,等于与之平行 的弦的平方差.故即使测量时没有经过环的中心,测的是弦 结果公式仍然成立. • 3. 我们是用读数显微镜测量,为什么测量结果R不除以显微 镜的放大倍数? • 因为读数显微镜测量,测出的是环的真实的左边及右边的 位置,并不是放大后再去测量! • 测环的左边及右边的位置时,定位的十字叉丝放在哪儿? • 要么统一在环纹的左边,要么统一在环纹的右边.
A C D
B
EF 2
G E
GH 2
AB2
H
CD2
• 初等几何容易证明：两个同心 圆的直径的平方之差等于与之 平行两相应的弦的平方之差。 即
F
EF GH AB CD
2 2 2
2
所以测量的是弦还是直径就没有区 别了。测量直径的办法：测量 两个端点的位置值然后相减
Dk
D左 D右
• 也就是环左边与右边的坐标相 减
环数K
环左边的位置(mm)
环右边的位置(mm） 直径DK+m (mm）
45
44
43
42
41
40
Dk2m (mm2 )
环数K-M
环左边的位置(mm)
环右边的位置(mm） 直径DK (mm）
25
24
23
22
21
20
Dk2 (mm2 ) Dk2m (mm2 ) - D2 (mm2 ) k
牛顿环测透镜的曲率半径
• 实验目的
• （1）观察光的等厚干涉现象，加深对干涉原理的理解。 • （2）学会用牛顿环测透镜曲率半径的原理和方法。 • （3）学会读数显微镜的调整和使用 • （4）学会用EXCEL制作表格及利用其函数对相关的数据进 行计算。
实验原理
• 平行光入射到透镜的球表面的内表面，一部分被反射； 另一部分折射进透镜和平板玻璃之间的空气，再经平 板玻璃反射、球面折射后返回内球面与之前内球面的 反射光形成干涉，在球面的P点处，这对光的光程差 是
仪 3 仪 3
同理 u B ( Dk m ) [u B ( D左 )]2 [u B ( D右 )]2 故u B ( D D
2 k 2 k m
2
)2 2
仪 3
2 2 D45 D25
2
u B ( Dk2 Dk2 m ) 由于Dk D左 D右
[2 Dk u B ( Dk )]2 [2 Dk mu B ( Dk m )]2 Dk m D左 D右
2 2
所以 u B ( Dk ) [u B ( D左 )] [u B ( D右 )]
2