光的等厚干涉 實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc
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大連理工大學(xué) 成 績(jī) 教師簽字 大 學(xué) 物 理 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 院(系) 材料學(xué)院 專業(yè) 材料物理 班級(jí) 0705 姓 名 童凌煒 學(xué)號(hào) 200767025 實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào) 實(shí)驗(yàn)時(shí)間 2008 年 11 月 04 日,第11周,星期 二 第 5-6 節(jié) 實(shí)驗(yàn)名稱 光的等厚干涉 教師評(píng)語(yǔ) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求: 1. 觀察牛頓環(huán)現(xiàn)象及其特點(diǎn), 加深對(duì)等厚干涉現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解。 2. 學(xué)習(xí)用等厚干涉法測(cè)量平凸透鏡曲率半徑和薄膜厚度。 3. 掌握讀數(shù)顯微鏡的使用方法。 實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容: 1. 牛頓環(huán) 牛頓環(huán)器件由一塊曲率半徑很大的平凸透鏡疊放在一塊光學(xué)平板玻璃上構(gòu)成, 結(jié)構(gòu)如圖所示。 當(dāng)平行單色光垂直照射到牛頓環(huán)器件上時(shí), 由于平凸透鏡和玻璃之間存在一層從中心向外厚度遞增的空氣膜, 經(jīng)空氣膜和玻璃之間的上下界面反射的兩束光存在光程差, 它們?cè)谄酵雇哥R的凸面(底面)相遇后將發(fā)生干涉, 干涉圖樣是以接觸點(diǎn)為中心的一組明暗相間、內(nèi)疏外密的同心圓, 稱為牛頓環(huán)(如圖所示。 由牛頓最早發(fā)現(xiàn))。 由于同一干涉圓環(huán)各處的空氣薄膜厚度相等, 故稱為等厚干涉。 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置的光路圖如下圖所示: 設(shè)射入單色光的波長(zhǎng)為λ, 在距接觸點(diǎn)rk處將產(chǎn)生第k級(jí)牛頓環(huán), 此處對(duì)應(yīng)的空氣膜厚度為dk, 則空氣膜上下兩界面依次反射的兩束光線的光程差為 式中, n為空氣的折射率(一般取1), λ/2是光從光疏介質(zhì)(空氣)射到光密介質(zhì)(玻璃)的交界面上反射時(shí)產(chǎn)生的半波損失。 根據(jù)干涉條件, 當(dāng)光程差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)干涉相長(zhǎng), 反之為半波長(zhǎng)奇數(shù)倍時(shí)干涉相消, 故薄膜上下界面上的兩束反射光的光程差存在兩種情況: K=0,1,2,…., 暗環(huán) K=1,2,3,…., 明環(huán) 由上頁(yè)圖可得干涉環(huán)半徑rk, 膜的厚度dk 與平凸透鏡的曲率半徑R之間的關(guān)系。 由于dk遠(yuǎn)小于R, 故可以將其平方項(xiàng)忽略而得到。 結(jié)合以上的兩種情況公式, 得到: , 由以上公式課件, rk與dk成二次冪的關(guān)系, 故牛頓環(huán)之間并不是等距的, 且為了避免背光因素干擾, 一般選取暗環(huán)作為觀測(cè)對(duì)象。 而在實(shí)際中由于壓力形變等原因, 凸透鏡與平板玻璃的接觸不是一個(gè)理想的點(diǎn)而是一個(gè)圓面; 另外鏡面沾染回程會(huì)導(dǎo)致環(huán)中心成為一個(gè)光斑, 這些都致使干涉環(huán)的級(jí)數(shù)和半徑無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。 而使用差值法消去附加的光程差, 用測(cè)量暗環(huán)的直徑來(lái)代替半徑, 都可以減少以上類型的誤差出現(xiàn)。 由上可得: 式中, Dm、Dn分別是第m級(jí)與第n級(jí)的暗環(huán)直徑, 由上式即可計(jì)算出曲率半徑R。 由于式中使用環(huán)數(shù)差m-n代替了級(jí)數(shù)k, 避免了圓環(huán)中心及暗環(huán)級(jí)數(shù)無(wú)法確定的問(wèn)題。 凸透鏡的曲率半徑也可以由作圖法得出。 測(cè)得多組不同的Dm和m, 根據(jù)公式, 可知只要作圖求出斜率, 代入已知的單色光波長(zhǎng), 即可求出凸透鏡的曲率半徑R。 2. 劈尖 將兩塊光學(xué)平玻璃疊合在一起, 并在其另一端插入待測(cè)的薄片或細(xì)絲(盡可能使其與玻璃的搭接線平行), 則在兩塊玻璃之間形成以空氣劈尖, 如下圖所示: 當(dāng)單色光垂直射入時(shí), 在空氣薄膜上下兩界面反射的兩束光發(fā)生干涉; 由于空氣劈尖厚度相等之處是平行于兩玻璃交線的平行直線, 因此干涉條紋是一組明暗相間的等距平行條紋, 屬于等厚干涉。 干涉條件如下: k=0, 1, 2,… 可知, 第k級(jí)暗條紋對(duì)應(yīng)的空氣劈尖厚度為 由干涉條件可知, 當(dāng)k=0時(shí)d0=0, 對(duì)應(yīng)玻璃板的搭接處, 為零級(jí)暗條紋。 若在待測(cè)薄物體出出現(xiàn)的是第N級(jí)暗條紋, 可知待測(cè)薄片的厚度(或細(xì)絲的直徑)為 實(shí)際操作中由于N值較大且干涉條紋細(xì)密, 不利于N值的準(zhǔn)確測(cè)量。 可先測(cè)出n條干涉條紋的距離l, 在測(cè)得劈尖交線到薄片處的距離為L(zhǎng), 則干涉條紋的總數(shù)為: 代入厚度計(jì)算式, 可得厚度/直徑為: 主要儀器設(shè)備: 讀數(shù)顯微鏡, 納光燈, 牛頓環(huán)器件, 劈尖器件。 步驟與操作方法: 1. 牛頓環(huán)直徑的測(cè)量 (1) 準(zhǔn)備工作: 點(diǎn)亮并預(yù)熱納光燈; 調(diào)整光路, 使納光燈均勻照射到讀數(shù)顯微鏡的反光鏡上, 并調(diào)節(jié)反光鏡片使得光束垂直射入牛頓環(huán)器件。 恰當(dāng)調(diào)整牛頓環(huán)器件, 直至肉眼課件細(xì)小的正常完整的牛頓環(huán)干涉條紋后, 把牛頓環(huán)器件放至顯微鏡的中央并對(duì)準(zhǔn)。 完成顯微鏡的調(diào)焦, 使牛頓環(huán)的中央與十字交叉的中心對(duì)準(zhǔn)后, 固定牛頓環(huán)器件。 (2) 測(cè)量牛頓環(huán)的直徑: 從第6級(jí)開(kāi)始逐級(jí)測(cè)量到第15級(jí)暗環(huán)的直徑, 使用單項(xiàng)測(cè)量法。 轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪, 從零環(huán)處開(kāi)始向左計(jì)數(shù), 到第15級(jí)暗環(huán)時(shí), 繼續(xù)向左跨過(guò)直至第18級(jí)暗環(huán)后反向轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪(目的是消除空程誤差), 使十字線返回到與第15級(jí)暗環(huán)外側(cè)相切時(shí),開(kāi)始讀數(shù); 繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪, 均以左側(cè)相切的方式, 讀取第14,13,12.……7,6級(jí)暗環(huán)的讀數(shù)并記錄。 繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪, 使十字叉線向右跨過(guò)圓環(huán)中心, 使豎直叉絲依次與第6級(jí)到第15級(jí)的暗環(huán)的右內(nèi)側(cè)相切, 順次記錄讀數(shù)。 同一級(jí)暗環(huán)的左右位置兩次讀數(shù)之差為暗環(huán)的直徑。 2. 用劈尖測(cè)量薄片的厚度(或細(xì)絲直徑) (1) 將牛頓環(huán)器件換成劈尖器件, 重新進(jìn)行方位與角度調(diào)整, 直至可見(jiàn)清晰的平行干涉條紋, 且條紋與搭接線平行; 干涉條紋與豎直叉絲平行。 (2) 在劈尖中部條紋清晰處, 測(cè)出每隔10條暗紋的距離l, 測(cè)量5次。 (3) 測(cè)出兩玻璃搭接線到薄片的有效距離L, 測(cè)量5次。 * 注意, 測(cè)量時(shí), 為了避免螺距的空程誤差, 讀數(shù)顯微鏡的測(cè)微鼓輪在每一次測(cè)量過(guò)程中只能單方向旋轉(zhuǎn), 中途不能反轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)記錄與處理: 牛頓環(huán)第一次測(cè)量直徑 nl 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 Rl/mm 29.342 29.243 29.151 29.056 28.959 28.851 28.755 28.631 28.513 28.380 nr 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 Rr/mm 23.522 23.607 23.699 23.796 23.905 24.051 24.101 24.224 24.372 24.489 第二次測(cè)量直徑 nl 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 Rl/mm 27.224 27.125 27.025 26.934 26.833 26.732 26.626 26.520 26.392 26.262 nr 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 Rr/mm 21.395 21.479 21.579 21.682 21.781 21.881 21.992 22.108 22.226 22.262 劈尖干涉 短距離(l) n 1 2 3 4 5 6 l0/mm 8.116 7.734 9.462 6.629 3.851 1.212 l1/mm 6.879 6.421 8.159 5.313 2.532 -0.113 劈尖干涉 全距離(L) n 1 2 3 4 5 6 L0/mm 0.155 0.011 0.491 0.282 0.125 0.229 L1/mm 40.46 40.622 40.653 40.61 40.608 40.702 結(jié)果與分析:(除了序號(hào)外, 沒(méi)有標(biāo)注的數(shù)據(jù)單位均為mm) 由牛頓環(huán)半徑, 用逐差法計(jì)算平凸透鏡的曲率半徑: 由第一組數(shù)據(jù)獲得的環(huán)直徑: n 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 D/mm 5.820 5.636 5.452 5.260 5.054 4.800 4.654 4.407 4.141 3.891 由第二組數(shù)據(jù)獲得的環(huán)直徑: n 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 D/mm 5.829 5.646 5.446 5.252 5.052 4.851 4.634 4.412 4.166 4.000 由以上兩組數(shù)據(jù)獲得直徑平均值為: n 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 D/mm 5.8245 5.6410 5.4490 5.2560 5.0530 4.8255 4.6440 4.4095 4.1535 3.9455 已知納光燈的波長(zhǎng)λ= 0.0000005893m 由公式 可以得到五個(gè)逐差得到的曲率半徑值: m/n 15/10 14/9 13/8 12/7 11/6 Dm2-Dn2 1.0639350E-05 1.0254145E-05 1.0247911E-05 1.0373974E-05 9.9658388E-06 m-n 5 5 5 5 5 R/m 0.90271 0.87003 0.86950 0.88019 0.84557 R的數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下: R的平均值 0.87360 均差平方 0.000847471 1.27586E-05 1.68172E-05 4.34956E-05 0.000785887 均差平方和 0.001706429 平均實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差 0.009236961 A類不確定度 0.025678752m B類不確定度 0.000005m Ur 0.025678752m 修約后的Ur 0.02m 得到凸透鏡曲率半徑的最終結(jié)果: R=0.870.02 m 用劈尖測(cè)量薄片厚度 10條暗紋的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)及其處理 n 1 2 3 4 5 6 l0/mm 8.116 7.734 9.462 6.629 3.851 1.212 l1/mm 6.879 6.421 8.159 5.313 2.532 -0.113 l/mm 1.237 1.313 1.303 1.316 1.319 1.325 l的平均值 1.302166667 均差平方 0.004246694 0.000117361 6.94444E-07 0.000191361 0.000283361 0.000521361 均差平方和 0.005360833 平均實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差 0.013367664 A類不確定度 0.034354897m B類不確定度 0.000005m Ul 0.034354897m 修約后的Ul 0.03m 得到10條暗紋的間距長(zhǎng)度為: l=(1.300.03)*10-03 m 劈尖干涉條紋的整體長(zhǎng)度數(shù)據(jù)及其處理 n 1 2 3 4 5 6 L0/mm 0.155 0.011 0.491 0.282 0.125 0.229 L1/mm 40.46 40.622 40.653 40.61 40.608 40.702 L/m 40.305 40.611 40.162 40.328 40.483 40.473 L的平均值 40.39366667 均差平方 0.007861778 0.047233778 0.053669444 0.004312111 0.007980444 0.006293778 均差平方和 0.127351333 平均實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差 0.065154006 A類不確定度 0.167445794m B類不確定度 0.000005m UL 0.167445794m 修約后的UL 0.2m 得到劈尖干涉條紋的整體長(zhǎng)度為: L=(40.40.2)*10-03 m 由以上數(shù)據(jù), 得到薄片厚度d的平均值為 d(avg)= 9.14484E-05 影響系數(shù) Cl=0.07, CL=0.002, 得到d的不確定度為 可以得到, 薄片厚度d為: d= (9.10.2)*10-05 m 討論、建議與質(zhì)疑: 1. 如果牛頓環(huán)中心是亮斑而不是暗斑, 說(shuō)明凸透鏡和平板玻璃的接觸不緊密, 或者說(shuō)沒(méi)有接觸, 這樣形成的牛頓環(huán)圖樣不是由凸透鏡的下表面所真實(shí)形成的牛頓環(huán), 將導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差, 結(jié)果不準(zhǔn)確。 2. 牛頓環(huán)器件由外側(cè)的三個(gè)緊固螺絲來(lái)保證凸透鏡和平板玻璃的緊密接觸, 經(jīng)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn), 如果接觸點(diǎn)不是凸透鏡球面的幾何中心, 形成的牛頓環(huán)圖樣將不是對(duì)稱的同心圓, 這樣將會(huì)影響測(cè)量而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。 因此在調(diào)節(jié)牛頓環(huán)器件時(shí), 應(yīng)同時(shí)旋動(dòng)三個(gè)緊固螺絲, 保證凸透鏡和平板玻璃壓緊時(shí), 接觸點(diǎn)是其幾何中心。 另外, 對(duì)焦時(shí)牛頓環(huán)器件一旦位置確定后, 就不要再移動(dòng), 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 輕微移動(dòng)牛頓環(huán)器件, 都將導(dǎo)致干涉圖樣劇烈晃動(dòng)和變形。 3. 如果讀數(shù)顯微鏡的視場(chǎng)不亮, 可以有三個(gè)調(diào)節(jié)步驟: 一, 整體移動(dòng)顯微鏡, 使反光鏡組對(duì)準(zhǔn)納光燈;二, 通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)物鏡下方的反光玻璃, 使其成45度, 正好將光線反射到牛頓環(huán)器件上; 三, 調(diào)節(jié)載物臺(tái)下方的反光鏡, 是納光燈的光線可以通過(guò)載物臺(tái)玻璃照射到牛頓環(huán)器件。 總之, 調(diào)節(jié)反射光路, 是解決視場(chǎng)偏暗的主要方法。 4. 該實(shí)驗(yàn)中獲得的感觸是, 耐心, 細(xì)心, 是實(shí)驗(yàn)成功的重要保證。 另外, 長(zhǎng)期使用讀數(shù)顯微鏡容易導(dǎo)致視疲勞, 建議改進(jìn)成由電子顯示屏輸出的樣式, 而不用肉眼直接觀察。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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