牛顿环详案或者教案-湖南高校通用

实验8. 牛顿环测透镜的曲率半径 教学目的 1、理解等厚干涉形成牛顿环的机理； 2、掌握用牛顿环测量平凸透镜曲率半径的方法； 3、掌握读数显微镜的调节及使用方法。 教学重点 1、清晰牛顿环图案的调整； 2、利用牛顿环测量平凸透镜曲率半径的方法； 3、除读数显微镜的空回误差。 教学难点 1、清晰牛顿环图案的调整； 2、消除读数显微镜的空回误差。 课型： 提高性实验（2学时） 教学内容： 1、牛顿环的产生原因； 2、消除系统误差的方法介绍； 3、读数显微镜的使用及注意事项 4、用牛顿环测量平凸透镜曲率半径的方法 教学方法： 讲解教学内容，明确其重点和难点，然后实际演示操作要点 课件： PPT 教学手段 学生操作，随堂检查操作情况。根据学生的操作情况将容易犯错的问题做重点提示，学生可以根据操作中遇到的具体问题个别提问。 教学过程 【课前的准备】： 1.仪器设备的检查，注意要校零。 2.实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。 3.作出数据表格设计的参考。 【课上的常规检查】 预习报告、数据表格的设计等 1 引言 “牛顿环”是牛顿在1675年制作天文望远镜时，偶然把一个望远镜的物镜放在平板玻璃上发现的。因为是牛顿发现的，所以称为牛顿环。牛顿环实际上是一种利用分振方法实现等厚干涉现象，实验原理并不复杂，但却有其研究价值和实用意义。牛顿实验原理——光的干涉广泛应用于科学研究，工业生产和检验技术中。如：利用光的干涉法进行薄膜等厚、微小角度、曲面的曲率半径等几何量的精密测量，也普遍应用于检测加工工件表面的光洁度和平整度及机械零件的内力分布等。因此不管对于科学研究还是实验教学，研究牛顿环是很有意义的。 牛顿环干涉实验是大学物理实验中的一个经典实验项目，几乎所有的理科大学都开设有这样一个实验。牛顿环实验既能够培养学生的基本实验技能，又能提高学生解决问题的能力。 学生们在做此实验的过程中往往都需要眼睛紧紧地盯着显微镜目镜仔细观察，同时还需要移动牛顿环装置和调焦手轮，寻找最清晰的干涉条纹并要移动到最佳观察位置。学生长时间用肉眼观测数据容易出现视觉疲劳，造成干涉条纹数错和条纹位置测不准，最终导致实验结果的不准确。还有在传统的牛顿环实验中，教师要逐一检查学生调节后的现象工程量很大，不仅影响了教师的视力，而且该过程也不能够及时反馈学生实验的情况，严重影响了教学质量。在传统牛顿环实验装置中加入摄像头和显示器以达可到更好的教学效果，同时也可以保护教师和学生的眼睛。 首先牛顿环是光学实验和测量中除了读数显微镜外常用的实验仪器。牛顿换实验是大学物理实验中的一个非常重要的实验。它既能培养学生的基本实验技能，同时能提高学生的解决实际问题的能力。为了能在做实验时得到正确的数据， 课前要认真预习，做实验的时候要认真听老师讲解！ 2 实验原理 牛顿环实验是大学物理实验中的一个经典实验项目，是光学基础性实验。它的重要性首先在于，从原理上讲，它主要是研究光的等厚干涉，这在大学物理理论课上是作为一个重点章节讲述的，通过做相应的大学物理实验，可以加深学生对物理学理论的深刻理解，从实际动手操作中帮助学生学习物理学理论。其次，它不仅是典型的等厚干涉条纹，同时也为光的波动提供了重要的实验证据。再者，从牛顿环实验应用的角度来说，利用牛顿环可以测平凸透镜的曲率半径，入射光的波长以及根据牛顿环的干涉花样好薄膜干涉原理可以判定光学平面的质量。最后，就大学物理实验本身的角度来说，该实验对于加深对等厚干涉及半波损失概念的理解及读数显微镜的使用，发挥了重要的作用。同时也能够培养学生的基本实验技能和提高学生解决实际问题的能力。 牛顿环是光的一种干涉图样，是一些明暗相间的同心圆环。将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块平板玻璃上，用单色光照射透镜与玻璃板，就可以观察到一些明暗相间的同心圆环。由于空气薄膜是有中心即图1—1中的点O（平凸透镜与平板玻璃的接触点）开始向四周逐渐增厚，而与中心O等距离的点处的空气膜是等厚的，所以光程差相等的地方就形成以接触点为中心的一族等厚干涉同心圆环即牛顿环，这些圆环明暗交替，且离接触点越远，环纹越密集。从反射光看到的牛顿环中心是暗的，从透射光看到的牛顿环中心是明的。若用白光入射，将观察到彩色圆环[1]。 如图1—1所示，当透镜凸面的曲率半径R很大时，在P点处相遇的两反射

光线的集合程差为该处空气间隙厚度ke（表示第k级条纹对应的空气膜厚度）的两倍，即2ek。又因这两条光线来自光疏媒质上的反射，它们之间有一附加的半波损失即λ2，所以在P点处得两相干光的总光程差为：

k=2+2e△（1-1）

当=2k+12△（）时，干涉条纹为暗条纹，所以有 k2+=2+122ke（） (1—2)

得kk=2e（1—3） 由图1—1的几何关系得： 222222kkkkkR=+R-=+R-2R+eeerr（）（1—4）

因为22kRe，则2ke可略去，所以 2kk

k=2R=2R=kR

2

er（1—5）

根据式（1—5），若入射光波长已知，测出各级暗环的半径则可求出曲率半径R。观察牛顿环时发现，牛顿环中心不是理想的一个接触点，而是一个不甚清楚的暗斑或亮斑。原因是透镜与平板玻璃接触时发生的弹性变形，镜表面脏物或灰尘的存在，都会引起一个附加厚度从而产生附加光程差，因此很难准确判定环序数k与kr的测定。若附加光程差为，则（1—3）式应修正为kk=-2e，所以五式修正为： 2k=kR-2R

r

（1—6）

因为附加光程差无法直接测量，但可以取两个暗环半径的平方差来消除，如去第m环和第n环（>mn），对应半径为： 2m=mR-2R

r

（1—7）

2n=nR-2R

r

（1—8）

两式相减得22mn-=(m-n)Rrr，若md、nd为m、n对应暗环的直径，则有： 22-4(m-n)R=mndd

（1—9）

所以只要分别测出m、n级所对应暗环的直径即可测出平凸透镜的曲率半径R，但暗斑中心很难找准，这样测得的数据就不再是直径而是弦长，数学上有公式可证明直径的平方差等于弦长的平方差，即： 2222-=-mnmnddSS

（1—10）

因此测量平凸透镜的曲率半径的公式可转换为： 22-4(m-n)R=mnSS

即224()-mnRmnSS（1—11）

实验由测直径改为测弦长，从而避免了有找不到环心而带来的误差。由（1—11）式可知，若实验中已知，只要分别测出m、n级所对应暗环的弦长就能求出R。

3 实验仪器 牛顿环仪、JXD-50型读数显微镜、45°半反镜、钠光灯等

4 教学内容与步骤 1、对牛顿环作目视调节。通过肉眼我们可以找到牛顿环的位置，轻微旋动牛顿环三个调节螺钉，使牛顿环稳定位于牛顿环仪的中央位置，注意螺钉不要拧得太紧以免干涉条纹变形甚至导致光学玻璃破裂，也不要太松，以免牛顿环晃动。 2、开启钠灯，预热10分钟。将牛顿环仪放在显微镜下方的载物台上（反光镜背光不用），调节45度玻璃片，使从显微镜中可以看到整个视场充满明亮的黄光，如果一边亮一边暗说明还没调好。 3、调显微镜直到看清十字叉丝，转动调焦手轮，先使镜筒下降接近被测物，再使镜筒缓慢上升直到看清牛顿环无视差。无视差的标准是晃动眼睛而十字叉丝和牛顿环没有相对移动。注意：调焦时应自下而上，否则容易使45度玻璃片和被测物碰撞而损坏仪器。 4、转动鼓轮或轻轻移动牛顿环仪使环心在视场中央，观察十字叉丝水平叉丝是否与标尺平行，竖直叉丝是否与牛顿环相切，如果不是，松开锁紧螺钉调节锁紧圈。调好后拧紧锁紧螺钉。 5、最后一步就是测量牛顿环的直径。首先我们应该使被测物位于量程内，先转动鼓轮使显微镜位于标尺中部，即25mm刻度处。再慢慢移动牛顿环使十字叉丝位于环心。牛顿环的直径是通过测环的两侧位置的读数，它们的读数之差为该环的直径。按从左到右的顺序或从右到左的顺序测量。以从左到右为例，我们从环心往左数，数到第25环，然后再往右数，数到第22环开始读数，继续向右移，一直数到第3环，记录下第3环至22环的左端读数，继续转动鼓轮使叉丝移过环心，数到第3环，记录下第3环至22环的右端读数。把这些数据全部记录在表格中。在这个过程千万要小心，如果数错级数，那么测量结果是错误的。在转动鼓轮时要小心，如果过头必须重新测量。否则引起回程误差。 【实验数据记录与处理】 略 5 注意事项 1.实验仪器勿移动或振动，读数要细心； 2.切勿用手或其他物品触摸其光学表面； 3.切勿正对着光学表面讲话。 4.钠光灯要预热3-4min 5.测量牛顿环直径时，测微鼓轮只能朝一个放心移动，消除空程差 6.牛顿环仪一般不需调节，如要调节，切勿拧的太紧

教学后记 光学实验室物理实验的重要实验内容之一，经常要观察并测量一些微小变量，或者研究微小变量的规律，需要用到望远镜或显微镜观察。如：用分光计测量玻璃折射率，牛顿环测平凸透镜曲率半径的实验中，用到了读数显微镜，放大干涉条纹，进行观察和测量。在传统牛顿环实验观察和测量中常存在这样一些问题： 1)教师进行实验演示时，并不是每一位学生都能看到教师演示的牛顿环实验现象，因此在自己动手调节时也失去了一个调节标准。 2)学生进行实验时，教师无法直观地看到学生调节出来的现象，因此也导致教师无法检查学生的实验现象是否准确。教师无法了解学生对实验掌握的程度严重地影响了教学质量。 3)牛顿环测平凸透镜的曲率半径，需要测量多组数据，又加上牛顿环仪本身产生干涉环纹的特点，需要长时间地观察严重加重了学生和教师眼睛的负担。 4)传统的牛顿环仪是通过视场范围较小的读数显微镜来测量多级干涉环纹的直径，整个实验过程学生必须把眼睛紧贴目镜，对学生的视力造成了危害。 5)牛顿环测平凸透镜的曲率半径实验中，实验需要眼睛在较小的范围内观察，很容易因为眼睛疲劳而引起圆环环数的数错。读数时，学生由显微镜中的较亮的视野到刻度尺上的较暗的视野，造成眼睛的不适应，因此读数时很容易产生误差。