牛顿环实验

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浅谈对“牛顿环”的研究与思考

作者：陈琳

来源：《读写算》2012年第77期

“牛顿环”是一种用分振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。但由于牛顿主张光的微粒说（光的干涉是光的波动性的一种表现）而未能对它做出正确的解释。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。

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及在半导体技术中测量硅片上氧化层的厚度等。

在牛顿环实验中我们观察了等厚干涉的现象和特点，学习了用等厚干涉法测量平凸透镜曲率半径和薄膜厚度。

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，因此称为等厚干涉。

牛顿环实验的改进与优化提高测量精度

牛顿环实验是一种基于干涉现象的光学测量方法，常用于测定透明物体的薄片厚度以及表面形状。本文将介绍牛顿环实验的原理及其改进与优化方法，以提高测量的精度。

一、牛顿环实验原理

牛顿环实验是基于干涉现象的一种测量方法。当透过一均匀厚度的透明物体时，光线在物体表面与空气之间发生反射和干涉。在实验环境中，通过调节外部光源的位置，观察到在透明物体与玻璃片或反射板的接触处会形成一系列均匀分布的亮暗环，这些环即被称为牛顿环。

二、改进与优化方法

为了提高牛顿环实验的测量精度，可以从以下几个方面进行改进与优化。

1. 光源的选择与调节

合适的光源对于牛顿环实验至关重要。常用的光源有白炽灯、氢氘灯和激光等。其中，激光具有高亮度、高直度和高单色性的特点，能够提供更稳定的光源，从而提高测量的精度。此外，通过合理调节光源的位置和角度，可以使光线的入射与反射更加均匀，减少干涉的波动，从而提高测量的准确性。

2. 透镜的使用 在牛顿环实验中，透镜的使用可以调节入射光线的聚焦程度，进而改善干涉图样。通过合理选择透镜的焦距和位置，可以使干涉环的直径更大且均匀，进一步提高测量的精度。

3. 适当延长观察时间

由于干涉现象的特性，牛顿环的亮暗环会不断变化，因此观察牛顿环需要一定的时间。增加观察时间的长度可以提高测量的稳定性和准确性。

4. 优化观察装置

观察牛顿环需要用到特殊的显微镜或目镜。为了提高测量精度，可以优化观察装置，例如使用高放大倍率的显微镜或目镜，并合理调节焦距和清晰度，以获得更清晰的干涉图样。

5. 减小环境干扰

环境因素对牛顿环实验的测量也会产生影响。要提高测量的精度，需要减小环境中的震动和振动，保持实验环境的稳定性。可以采取隔音、减振等措施，以减少环境干扰，使测量结果更加准确可靠。

6. 数据处理与分析

在进行牛顿环实验时，需要对实验数据进行处理和分析。通过数学方法，可以将实验测量结果与理论模型进行比较，并进行适当的修正和调整。此外，还可以采用图像处理等技术，对干涉图样进行数字化处理，以获得更精确的测量结果。 三、总结

牛顿环实验的实验步骤与操作实现精确测量

牛顿环实验是一种经典的光学实验，用于测量透明薄片的厚度。该实验基于牛顿环现象，通过观察干涉圆环的明暗条纹变化，来确定薄片的厚度。本文将介绍牛顿环实验的实验步骤和操作，以实现精确测量。

实验器材：

1. 光源：使用单色光源，如钠光灯。

2. 干涉仪：可选用菲涅尔双透镜型干涉仪或纳克尔瓦尔双凸透镜型干涉仪。

3. 透明薄片：选择薄片进行测量，如平凸透镜。

实验步骤：

1. 调整干涉仪：将干涉仪放置在水平台上，调整仪器底座的水平，确保其稳定。

2. 调整光源：将单色光源放置在一定距离内，并使光源亮度适中，避免过强或过弱的光照。

3. 放置透明薄片：将透明薄片放置在干涉仪的平台上，并确保其与平台垂直接触。

4. 观察干涉圆环：通过调节干涉仪的位置，观察产生的干涉圆环。通常情况下，干涉圆环呈现一组同心圆，其中心圆明亮且逐渐变暗。 5. 调整干涉仪：根据观察到的干涉圆环，微调干涉仪的位置，使得圆环的明暗条纹均匀分布，以获得最佳的干涉效果。

6. 记录干涉圆环：使用相机或目测，记录观察到的干涉圆环，以备后续分析和测量。

7. 数据分析与测量：利用干涉圆环的明暗变化，结合相关公式和计算方法，进行薄片厚度的测量。

操作要点：

1. 平稳性要求：实验过程中，要保持干涉仪的平稳性，避免外界振动或干扰。

2. 光源选择：选择适当的单色光源，以获得清晰且稳定的干涉圆环。

3. 干涉仪调节：通过微调干涉仪的位置，确保干涉圆环的明暗变化呈现均匀的条纹。

4. 数据记录：在实验中要准确记录并保存观察到的干涉圆环，以供后续数据分析和测量。

实验注意事项：

1. 实验环境：在室内干净且无明显震动的环境中进行实验，避免尘埃或其他杂质对实验结果的影响。

2. 光线控制：实验时要尽量减小外界光线对实验的干扰，保证实验环境较暗，以获得清晰的干涉圆环。 3. 参数测量：在进行数据分析时，要注意选取合适的公式和方法，并根据实际情况进行计算，以获得精确的薄片厚度。

牛顿环预习题

1. 牛顿环条纹的特点是：（）

A随着半径的增大越来越稀疏

B随着半径的增大越来越稠密

C 牛顿环条纹等间距

2.以下哪项说法是不正确的

A、调节清晰度过程中，眼睛通过显微镜目镜观察时，只允许自下而上的调节。

B、钠光灯尽量不要在通电发光时移动，尤其禁止碰撞或激烈活动。

C、牛顿环装置在使用前应该先调节三个送进螺钉，使中心暗斑位于中心并最小。

D、钠光灯不需要预热就能正常发光。

3. 以下对牛顿环的相关描述，哪项是不正确的

A、牛顿环是等厚干涉条纹

B、牛顿环装置是一种光学现象

C、牛顿环产生的条件，要求入射光必须是单色光

D、牛顿环是一系列的同心圆

4.牛顿环现象中，干涉光是如何形成的

A分波阵面法

B、分振幅法

5. 影响观察到牛顿环清晰度的因素有哪些?

（1）目镜调节；（2）物镜到牛顿环的距离；（3）45°角玻璃片的俯仰角；玻璃片是否正对钠光光源；（4）载物台底下背景光反射镜的角度；(5)物镜的放大倍数。

A、（1）（2）（4）（5）

B、（1）（2）（3）（4）（5）

C、（1）（2）（3）（4）

D、（2）（3）（4）（5）

6.本实验中直径平方差项是否存在B类不确定度

A 是 B非

7.在计算曲率半径R的不确定度时，先计算那个更便捷

A.?相对不确定度。 B．?绝对不确定度。

C.?一样

8.在利用公式 测量曲率半径时，Dm、Dn的正确测量方法是

A、十字叉丝的纵丝从牛顿环的中心向左移动到第M条条纹，测出第M条条纹的半径，然后在从中心移动到第N条条纹，测出第N条条纹的半径，两者相加可得Dm。

B、从环的中心开始向左侧移动直至十字叉丝的纵丝推移到第M条条纹，然后向右移动到中心右侧第M条条纹，二者刻度之差可得直径Dm。

C、从环的中心开始向左侧移动直至十字叉丝的纵丝推移到第M条条纹以外的某条条纹，然后倒回到第M条条纹记下刻度，继续向右移动到中心右侧第M条条纹，记下刻度，二者刻度之差可得直径Dm。