《等厚干涉現(xiàn)象的觀測(共6頁)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《等厚干涉現(xiàn)象的觀測(共6頁)（6頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、精選優(yōu)質文檔-----傾情為你奉上 實驗一 光的等厚干涉現(xiàn)象的觀測 【目的與任務】 1、學習使用移測顯微鏡； 2、觀察光的等厚干涉現(xiàn)象，研究等厚干涉現(xiàn)象的規(guī)律和條件； 3、利用等厚干涉測量平凸透鏡的曲率半徑和微小厚度； 4、學習用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)的方法。 【儀器與設備】 移測顯微鏡（又稱讀數(shù)顯微鏡、比長儀）、牛頓環(huán)儀、低壓鈉燈。 1、移測顯微鏡結構如圖1所示。它由光學部分和機械部分構成，光學部分是一個長焦距顯微鏡，機械部分主要是底座、由絲桿帶動的滑臺以及讀數(shù)標尺等。其測長原理與千分尺相同，可以精確讀到0.01mm，估讀到0.001mm。 2、移測顯微鏡的操作方法：

2、 (1)將移測顯微鏡安放平穩(wěn)，大致對準待測物； (2)反復調整顯微鏡目鏡，直到能夠看清目鏡里的叉絲； (3)緩慢調節(jié)物鏡的調焦手輪使顯微鏡聚焦，直到清楚地看到待測物，并盡可能消除視差；（消除視差的判斷標準：當眼睛左右移動時，通過顯微鏡看去，叉絲和待測物的像之間無相對移動。） (4)轉動鼓輪手柄使顯微鏡移動，讓叉絲對準被測起點，記錄一讀數(shù)，繼續(xù)轉動鼓輪手柄使叉絲對準被測終點，再記錄此時的讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差即被測兩點的間距。 3、牛頓環(huán)儀:是一種干涉裝置。由一曲率半徑相當大的平凸透鏡放在光學玻璃平板（平晶）的上面構成，如圖2所示。 圖1 移測顯微鏡結構圖

3、 圖2 牛頓環(huán)儀示意圖 【原理與方法】 1、牛頓環(huán)干涉現(xiàn)象 牛頓環(huán)是牛頓于1657年在制作天文望遠鏡時，偶然將一個望遠鏡的物鏡放在平玻璃上發(fā)現(xiàn)的，由圖2知在透鏡的凸面與平板玻璃之間形成以接觸點為中心向四周逐漸增厚的空氣薄膜，離點等距離的地方厚度相同。等厚膜的軌跡是以接觸點為中心的圓。若以波長為的單色光垂直照射到該裝置上時，其中一部分光線在空氣膜上表面反射，一部分在空氣膜下表面反射，因此產生兩束具有一定光程差的相干光，當它們相遇后就產生干涉現(xiàn)象。因在膜厚度相同的地方具有相同的光程差，所以形成的干涉條紋為膜的等厚各點的軌跡。當在反射方向觀察時（見如圖3a）

4、，將會看到一組以接觸點為中心的明暗相間的圓環(huán)形干涉圖樣，且中心是一暗斑，如圖3b所示。如果在透射方向觀察（見如圖4a），則看到的干涉圖樣與反射光的干涉圖樣的光強分布恰為互補，中心是亮斑，原來的亮環(huán)處變?yōu)榘淡h(huán)，暗環(huán)處變?yōu)榱镰h(huán)，如圖4b所示。這種干涉現(xiàn)象為牛頓最早發(fā)現(xiàn)，故稱為牛頓環(huán)。顯然，牛頓環(huán)是等厚干涉。 圖3b：反射光束形成的干涉圖樣 圖3a：反射光束形成牛頓環(huán)的光路圖 干涉光束 反光鏡 圖4a：透射光束形成牛頓環(huán)的光路圖 圖4b：透射光束形成的干涉圖樣 干涉光束 反光鏡

5、 設透鏡的曲率半徑為，第級干涉圓環(huán)的半徑為，其相應的空氣膜厚度為，對圖3b由反射光束形成的干涉圖樣而言，空氣膜上、下表面兩反射光的光程差為 (1) 這里假定空氣的折射率等于1（以下推導均同），其中，是空氣膜下表面反射光線由光疏媒質到光密媒質，在界面反射時發(fā)生半波損失引起的附加光程差。 對圖4b由透射光束形成的干涉圖樣而言，兩相干光束的光程差為 (2) 由圖4a所示的幾何關系可知

6、 (3) 因，可略去二級無窮小量，則有 （4） 當時，即得反射光干涉相消（暗環(huán)）條件，代入式(1)，得 （5） 當時，即得透射光干涉（明環(huán)）條件，代入式(2)，得 ， (6) 把(4)式分別代入(5)式和(6)式，可得第級暗環(huán)（反射光時）或第級明環(huán)（透射光時）的半徑為

7、 (7) 可見，反射光束和透射光束形成的干涉圖樣的明暗圓環(huán)剛好互補。由于所用實驗儀器觀察到的是透射光束形成的干涉圖樣，下面，我們僅就此情況進行考慮。 由(7)式可見，明環(huán)半徑與明環(huán)級數(shù)和的平方根成正比，隨的增大，環(huán)紋越來越密，而且越來越細。如果單色光的波長已知，只要測出第級明環(huán)的半徑，便可算出平凸透鏡的曲率半徑。但是在透鏡與平玻璃板接觸處，由于接觸壓力引起形變，使接觸處為一圓面。因此，牛頓環(huán)的中心不是一個理想的接觸點，而是一個不甚清晰的亮圓斑。有時因鏡面有塵埃存在，使光程差更加難以準確確定。因此難以準確判定級數(shù)和測量。為消除此

8、影響，可用兩個明環(huán)半徑和的平方差來計算曲率半徑。由式(5)知 , (8) 兩式相減可得 (9) 即 (10) 因和具有相同的不確定性，利用相對條紋級次恰好可消除由絕對級次的不確定性帶來的誤差。 考慮到測量中很難確定牛頓環(huán)中心的確切位置，所以可用測量直徑和來代替半徑和，即有 (11)

9、(11)式就是本實驗測量平凸透鏡曲率半徑的公式。不難證明，即使測量的不是直徑，而是同一直線上的弦長，上式仍然成立。 2、劈尖干涉現(xiàn)象 (a) (b) 圖5 劈尖干涉原理圖 用兩塊光學平板玻璃（平晶）A和B，使其一端直接接觸，另一端夾一薄片（如滌綸薄片、紙張、頭發(fā)絲或金屬箔等），在兩玻璃之間便形成了一個空氣劈尖，如圖5所示。顯然這也是一種等厚干涉。當單色光垂直入射時，經空氣劈尖上下兩表面反射的兩束光的光程差為 當時，得反射光干涉相消（暗紋）條件 所以第級暗紋處的空氣膜厚度為 ，（

10、K=0，1，2，3，…） （12） 由（12）式可知當時，，即兩玻璃板直接接觸的交線處為零級暗條紋。因此第級暗紋處的厚度（如圖5(b)中的處）就等于暗紋級數(shù)乘以。 實驗中暗紋級數(shù)的值一般較大，為避免計數(shù)出錯，可先求出單位長度的暗紋條數(shù) (為條暗紋之間的距離)，再測出交線到的距離，則。若已知入射光波長，可求得處的厚度為 （13） 【指導與要求】 一、實驗課前預習 1、光發(fā)生干涉的條件是什么？ 2、什么是等傾干涉？什么是等厚干涉？它們分別有那些干涉裝置？ 二、實驗操作提示 1

11、、測量平凸透鏡的曲率半徑 （1）將儀器按圖6所示裝置好。 （2）把牛頓環(huán)儀置于顯微鏡的載物臺上。點亮鈉光燈，調節(jié)升降臺的高度，使顯微鏡進光口和低壓鈉燈的出光口對齊；再調節(jié)顯微鏡進光口的反射鏡的傾斜度和左右方位，直到顯微鏡視場中出現(xiàn)明亮的黃斑。 （3）調節(jié)移測顯微鏡目鏡，直至能看到清晰十字叉絲；再調節(jié)移測顯微鏡的物鏡焦距，直至能看到清晰的干涉條紋；然后轉動顯微鏡的目鏡或移動牛頓環(huán)儀，使十字叉絲與固定直尺平行并通過牛頓環(huán)的中心。 圖6 實驗光路圖 （4）測量各級明環(huán)直徑。轉動測微鼓輪使十字叉絲從牛頓環(huán)的中心開始向右移動，直到十字叉絲的豎線推移到右側的第12級明環(huán)以外（準確地說

12、是超過第12級明環(huán)一些就可以了，目的是為了避免顯微鏡的回程誤差），反向轉動鼓輪，直到十字叉絲的豎線向左推移到右側的第12級明環(huán)的中間（如圖6所示），記錄讀數(shù)，估讀到0.001mm。繼續(xù)轉動鼓輪向左移動，依次測出直到右邊第3級明環(huán)的各明環(huán)位置的讀數(shù)，，…，。繼續(xù)向左移動，使鏡筒沿圓心依次測出左側第3級至第12級各明環(huán)的位置，…，值得一提的是，圖7中的第3級明環(huán)，只是一個象征性的干涉級數(shù)，由于牛頓環(huán)的中央亮斑太亮，可能會屏蔽很多的暗環(huán)。 實驗時，也可以測量暗環(huán)直徑，這樣得出的結果和測量明環(huán)直徑得出的結果是完全一致的。原因在于：根據(jù)透射光干涉相消條件，可以同樣得出表達式（11），請讀者自己推導。

13、 (5)計算連續(xù)10個牛頓環(huán)的直徑。取，即從第3級明環(huán)到第12級明環(huán)，各環(huán)的直徑，見圖7。 圖 7 （6）用逐差法計算平凸透鏡的曲率半徑。?。?，則 ，，…， (14)偏差 (15) 2、測量滌綸薄片的厚度 （1）將劈尖置于顯微鏡載物臺上，調節(jié)顯微鏡至能看清劈尖干涉條紋。 （2）將十字叉絲的豎線向某一方向推移到某條干涉條紋處，記下此時顯微鏡讀數(shù)，然后轉動鼓輪使顯微鏡繼續(xù)向該方向移動，直至十字叉絲的

14、豎線移過20條干涉條紋，記下此時讀數(shù)，則，。重復測量5遍，取平均值。 （3）測出交線到C的距離L，重復測量3遍，取平均值。 （4）將、和代入（13）式，計算待測厚度。 三、實驗注意 1、牛頓環(huán)儀、透鏡和顯微鏡的光學表面不清潔，要用專門的擦鏡紙輕輕揩拭。 2、當用鏡筒對待測物聚焦時，為防止損壞顯微鏡物鏡，正確的調節(jié)方法是使鏡筒移離待測物（即提升鏡筒）。 3、用標尺定標時盡可能選擇顯示屏中心部位的干涉環(huán)。 4、實驗操作中應避免螺距誤差。在測量過程中，顯微鏡應朝一個方向移動，不能在中途返回（包括讀第一個數(shù)據(jù)也是如此）。 【思考與練習】 1、怎樣用牛頓環(huán)檢驗透鏡質量？ 2、在牛頓環(huán)實驗中，平板玻璃上若有微小的凸起或凹陷，試問由于凸起或凹陷，干涉條紋將有何變化？ 3、比較牛頓環(huán)與劈尖干涉條紋的異同處。 專心---專注---專業(yè)