实验十九-用牛顿环测透镜的曲率半径-思考题.pdfVIP

实验十九用牛顿环测透镜的曲率半径思考题

光的干涉是光的波动性的一种表现.若将同一点光源发出的光分成两束,让它们各经不

同路径后再相会在一起,当光程差小于光源的相干长度,一般就会产生干涉现象.干涉现象在

科学研究和工业技术上有着广泛的应用,如测量光波的波长,精确地测量长度、厚度和角度,

检验试件表面的光洁度,研究机械零件内应力的分布以与在半导体技术中测量硅片上氧化层

的厚度等.牛顿环、劈尖是其中十分典型的例子,它们属于用分振幅的方法产生的干涉现象,

也是典型的等厚干涉条纹.

[实验目的]

1.观察和研究等厚干涉现象和特点.

2.学习用等厚干涉法测量平凸透镜曲率半径和薄膜厚度.

3.熟练使用读数显微镜.

4.学习用逐差法处理实验数据的方法.

[实验仪器]

测量显微镜,钠光光源,牛顿环仪,牛顿环和劈尖装置.

图1实验仪器实物图

[实验原理]

1.牛顿环

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玻璃平板

〔平晶〕上构成的,如图2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3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,因此称为等厚干涉.

图2牛顿环装置图3干涉圆环

与级条纹对应的两束相干光的光程差为

1/5

1

为第级条纹对应的空气膜的厚度；为半波损失.

由干涉条件可知,当=２ｋ＋１〔ｋ＝0,1,2,3,...〕时,干涉条纹为暗条纹,即

得

〔2〕

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,由图2所示几何关

系可得

由于Ｒｄ,则d2可以略去

〔3〕

由23-2和23-3式可得第ｋ级暗环的半径为：

4

由4式可知,如果单色光源的波长已知,只需测出第级暗环的半径ｒ,即可算出平

m

凸透镜的曲率半径Ｒ；反之,如果Ｒ已知,测出ｒ后,就可计算出入射单色光波的波长.但

m

是由于平凸透镜的凸面和光学平玻璃平面不可能是理想的点接触；接触压力会引起局部弹性

形变,使接触处成为一个圆形平面,干涉环中心为一暗斑；或者空气间隙层中有了尘埃等因素

的存在使得在暗环公式中附加了一项光程差,假设