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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划光的等厚干涉实验报告误差分析大连理工大学大学物理实验报告院材料学院专业材料物理班级0705姓名童凌炜学号XX67025实验台号实验时间XX年11月04日，第11周，星期二第5-6节实验名称光的等厚干涉教师评语实验目的与要求：1.观察牛顿环现象及其特点，加深对等厚干涉现象的认识和理解。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.掌握读数显微镜的使用方法。实验原理和内容：1.牛顿环牛顿环器件由一块曲率半径很大的平凸透镜叠放在一块光学平板玻璃上构成，结构如图所示。当平行单色光垂
2、直照射到牛顿环器件上时，由于平凸透镜和玻璃之间存在一层从中心向外厚度递增的空气膜，经空气膜和玻璃之间的上下界面反射的两束光存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后将发生干涉，干涉图样是以接触点为中心的一组明暗相间、内疏外密的同心圆，称为牛顿环。由于同一干涉圆环各处的空气薄膜厚度相等，故称为等厚干涉。牛顿环实验装置的光路图如下图所示：设射入单色光的波长为，在距接触点rk处将产生第k级牛顿环，此处对应的空气膜厚度为dk，则空气膜上下两界面依次反射的两束光线的光程差为?k?2ndk?2式中，n为空气的折射率，/2是光从光疏介质射到光密介质的交界面上反射时产生的半波损失。根据干涉条件，当光程差为波长的整
3、数倍时干涉相长，反之为半波长奇数倍时干涉相消，故薄膜上下界面上的两束反射光的光程差存在两种情况：?k?2dk?22k?2(2k?1)?2K=1,2,3,.,明环K=0,1,2,.,暗环由上页图可得干涉环半径rk，膜的厚度dk与平凸透镜的曲率半径R之间的关系22R2?(R?dk)2?rk。由于dk远小于R，故可以将其平方项忽略而得到2Rdk?rk。结合以上的两种情况公式，得到：rk?2Rdk?kR?，k?0,1,2.,暗环由以上公式课件，rk与dk成二次幂的关系，故牛顿环之间并不是等距的，且为了避免背光因素干扰，一般选取暗环作为观测对象。而在实际中由于压力形变等原因，凸透镜与平板玻璃的接触不是一
4、个理想的点而是一个圆面；另外镜面沾染回程会导致环中心成为一个光斑，这些都致使干涉环的级数和半径无法准确测量。而使用差值法消去附加的光程差，用测量暗环的直径来代替半径，都可以减少以上类型的误差出现。由上可得：2D2m?D2nR?4(m?n)?式中，Dm、Dn分别是第m级与第n级的暗环直径，由上式即可计算出曲率半径R。由于式中使用环数差m-n代替了级数k，避免了圆环中心及暗环级数无法确定的问题。凸透镜的曲率半径也可以由作图法得出。测得多组不同的Dm和m，根据公式D2m?4R?m，可知只要作图求出斜率4R?，代入已知的单色光波长，即可求出凸透镜的曲率半径R。2.劈尖将两块光学平玻璃叠合在一起，并在其
5、另一端插入待测的薄片或细丝，则在两块玻璃之间形成以空气劈尖，如下图所示：当单色光垂直射入时，在空气薄膜上下两界面反射的两束光发生干涉；由于空气劈尖厚度相等之处是平行于两玻璃交线的平行直线，因此干涉条纹是一组明暗相间的等距平行条纹，属于等厚干涉。干涉条件如下：?k?2dk?可知，第k级暗条纹对应的空气劈尖厚度为?2?(2k?1)?2k=0,1,2,dk?k?2由干涉条件可知，当k=0时d0=0，对应玻璃板的搭接处，为零级暗条纹。若在待测薄物体出出现的是第N级暗条纹，可知待测薄片的厚度为d?N?2实际操作中由于N值较大且干涉条纹细密，不利于N值的准确测量。可先测出n条干涉条纹的距离l，在测得劈尖交
6、线到薄片处的距离为L，则干涉条纹的总数为：N?代入厚度计算式，可得厚度/直径为：nLld?n2lL主要仪器设备：读数显微镜，纳光灯，牛顿环器件，劈尖器件。步骤与操作方法：1.牛顿环直径的测量准备工作：点亮并预热纳光灯；调整光路，使纳光灯均匀照射到读数显微镜的反光镜上，并调节反光镜片使得光束垂直射入牛顿环器件。恰当调整牛顿环器件，直至肉眼课件细小的正常完整的牛顿环干涉条纹后，把牛顿环器件放至显微镜的中央并对准。完成显微镜的调焦，使牛顿环的中央与十字交叉的中心对准后，固定牛顿环器件。测量牛顿环的直径：从第6级开始逐级测量到第15级暗环的直径，使用单项测量法。转动测微鼓轮，从零环处开始向左计数，到第
7、15级暗环时，继续向左跨过直至第18级暗环后反向转动鼓轮，使十字线返回到与第15级暗环外侧相切时，开始读数；继续转动鼓轮，均以左侧相切的方式，读取第14，13，12.7，6级暗环的读数并记录。继续转动鼓轮，使十字叉线向右跨过圆环中心，使竖直叉丝依次与第6级到第15级的暗环的右内侧相切，顺次记录读数。同一级暗环的左右位置两次读数之差为暗环的直径。2.用劈尖测量薄片的厚度将牛顿环器件换成劈尖器件，重新进行方位与角度调整，直至可见清晰的平行干涉条纹，且条纹与搭接线平行；干涉条纹与竖直叉丝平行。在劈尖中部条纹清晰处，测出每隔10条暗纹的距离l，测量5次。测出两玻璃搭接线到薄片的有效距离L，测量5次。*
8、注意，测量时，为了避免螺距的空程误差，读数显微镜的测微鼓轮在每一次测量过程中只能单方向旋转，中途不能反转。数据记录与处理：牛顿环第一次测量直径第二次测量直径劈尖干涉短距离劈尖干涉全距离等厚干涉牛顿环示范报告【实验目的】(1)用牛顿环观察和分析等厚干涉现象；(2)学习利用干涉现象测量透镜的曲率半径；(3)学会使用读数显微镜测距。【实验原理】在一块平面玻璃上安放上一焦距很大的平凸透镜，使其凸面与平面相接触，在接触点附近就形成一层空气膜。当用一平行的准单色光垂直照射时，在空气膜上表面反射的光束和下表面反射的光束在膜上表面相遇相干，形成以接触点为圆心的明暗相间的环状干涉图样，称为牛顿环，其光路示意图如
9、图。如果已知入射光波长，并测得第k级暗环的半径rk，则可求得透镜的曲率半径R。但实际测量时，由于透镜和平面玻璃接触时，接触点有压力产生形变或有微尘产生附加光程差，使得干涉条纹的圆心和环级确定困难。用直径Dm、Dn，有R?Dm?Dn224(m?n)?此为计算R用的公式，它与附加厚光程差、圆心位置、绝对级次无关，克服了由这些因素带来的系统误差，并且Dm、Dn可以是弦长。【实验仪器】JCD3型读数显微镜，牛顿环，钠光灯，凸透镜(包括三爪式透镜夹和固定滑座)。【实验内容】1、调整测量装置按光学实验常用仪器的读数显微镜使用说明进行调整。调整时注意：(1)调节450玻片，使显微镜视场中亮度最大，这时，基本
10、上满足入射光垂直于透镜的要求(下部反光镜不要让反射光到上面去)。(2)因反射光干涉条纹产生在空气薄膜的上表面，显微镜应对上表面调焦才能找到清晰的干涉图像。(3)调焦时，显微镜筒应自下而上缓慢地上升，直到看清楚干涉条纹时为止，往下移动显微镜筒时，眼睛一定要离开目镜侧视，防止镜筒压坏牛顿环。(4)牛顿环三个压紧螺丝不能压得很紧，两个表面要用擦镜纸擦拭干净。2、观察牛顿环的干涉图样调整牛顿环仪的三个调节螺丝，在自然光照射下能观察到牛顿环的干涉图样，并将干涉条纹的中心移到牛顿环仪的中心附近。调节螺丝不能太紧，以免中心暗斑太大，甚至损坏牛顿环仪。把牛顿环仪置于显微镜的正下方，使单色光源与读数显微镜上45
11、?角的反射透明玻璃片等高，旋转反射透明玻璃，直至从目镜中能看到明亮均匀的光照。调节读数显微镜的目镜，使十字叉丝清晰；自下而上调节物镜直至观察到清晰(来自:写论文网:光的等厚干涉实验报告误差分析)的干涉图样。移动牛顿环仪，使中心暗斑位于视域中心，调节目镜系统，使叉丝横丝与读数显微镜的标尺平行，消除视差。平移读数显微镜，观察待测的各环左右是否都在读数显微镜的读数范围之内。3、测量牛顿环的直径选取要测量的m和n(各5环)，如取m为55，50，45，40，35，n为30，25，20，15，10。转动鼓轮。先使镜筒向左移动，顺序数到55环，再向右转到50环，使叉丝尽量对准干涉条纹的中心，记录读数。然后继
12、续转动测微鼓轮，使叉丝依次与45，40，35，30，25，20，15，10，环对准，顺次记下读数；再继续转动测微鼓轮，使叉丝依次与圆心右10，15，20，25，30，35，40，45，50，55环对准，也顺次记下各环的读数。注意在一次测量过程中，测微鼓轮应沿一个方向旋转，中途不得反转，以免引起回程差。4、算出各级牛顿环直径的平方值后，用逐差法处理所得数据，求出直径平方差的平均值代入公式求出透镜的曲率半径，并算出误差。注意：(1)近中心的圆环的宽度变化很大，不易测准，故从K=lO左右开始比较好；(2)m-n应取大一些，如取m-n=25左右，每间隔5条读一个数。(3)应从O数到最大一圈，再多数5圈
13、后退回5圈，开始读第一个数据。(4)因为暗纹容易对准，所以对准暗纹较合适。，(5)圈纹中心对准叉丝或刻度尺的中心，并且当测距显微镜移动时，叉丝或刻度尺的某根线与圈纹相切(都切圈纹的右边或左边)。【数据记录与处理】凹透镜曲率半径测量数据数据表取m?n?25?10?4mm，仪器误差：R标透镜曲率半径测量数据数据表取m?n?25?10?4mm，仪器误差：R标确定平凸透镜凸面曲率半径的最佳值和不确定度?R曲率半径的最佳值R22令Dm?Dn?MDm?Dn4(m-n)?22?25?5893?10?7?有SM?=又因为R?M所以有SR?SMsR?RsMM?仪?其中k为暗环级数，为单色光的波长。可见，测出条纹
14、的半径r，依式便可计算出平凸透镜的半径R。2入射光图1三、实验仪器：读数显微镜，牛顿环仪，汞光灯。四、实验内容：观察牛顿环接通钠光灯电源使灯管预热。将牛顿环装置放置在读数显微镜镜筒下，并将下面的反射镜置于背光位置。待钠光灯正常发光后，调节光源的位置，使450半反射镜正对钠灯窗口，并且同高。在目镜中观察从空气层反射回来的光，整个视场应较亮，颜色呈钠光的黄色，如果看不到光斑，可适当调节45度半反射镜的角度及钠灯的高度和位置，直至看到反射光斑，并均匀照亮视场。调节目镜，在目镜中看到清晰的十字叉丝线的像。放松目镜紧固螺丝，转动目镜使十字叉丝线中的一条线与标尺平行，即与镜筒移动方向平行。转动物镜调节手轮调节显微镜镜筒与牛顿环装置之间的距离。先将镜筒下降，使45度半反射镜接近牛顿环装置但不能碰上，然后缓慢上升，直至在目镜中看到清晰的牛顿环像。测量暗环的直径移动牛顿环装置，使十字叉丝线的交点与牛顿环中心重合。转动读数鼓轮，使十字准线从中央缓慢向左
