牛頓環實驗裝置結構

A. 用本實驗裝置觀察牛頓環的實驗中是如何使等厚條紋的產生條件得到近似的滿足的

通過反光鏡反光將光垂直射入牛頓環，調節顯微鏡觀察出干涉條紋

B. 大學物理實驗報告（用牛頓環測定透鏡的曲率半徑）怎麼寫

用牛頓環測透鏡的曲率半徑

光的干涉是光的波動性的一種表現。若將同一點光源發出的光分成兩束，讓它們各經不同路徑後再相會在一起，當光程差小於光源的相干長度，一般就會產生干涉現象。干涉現象在科學研究和工業技術上有著廣泛的應用，如測量光波的波長，精確地測量長度、厚度和角度，檢驗試件表面的光潔度，研究機械零件內應力的分布以及在半導體技術中測量矽片上氧化層的厚度等。牛頓環、劈尖是其中十分典型的例子，它們屬於用分振幅的方法產生的干涉現象，也是典型的等厚干涉條紋。
【實驗目的】
1. 觀察和研究等厚干涉現象和特點。
2. 學慣用等厚干涉法測量平凸透鏡曲率半徑和薄膜厚度。
3. 熟練使用讀數顯微鏡。
4. 學慣用逐差法處理實驗數據的方法。
【實驗儀器】
測量顯微鏡，鈉光光源，牛頓環儀，牛頓環和劈尖裝置。
圖1 實驗儀器實物圖
【實驗原理】
1. 牛頓環
「牛頓環」是一種用分振幅方法實現的等厚干涉現象，最早為牛頓所發現。為了研究薄膜的顏色，牛頓曾經仔細研究過凸透鏡和平面玻璃組成的實驗裝置。他的最有價值的成果是發現通過測量同心圓的半徑就可算出凸透鏡和平面玻璃板之間對應位置空氣層的厚度；對應於亮環的空氣層厚度與1、3、5…成比例，對應於暗環的空氣層厚度與0、2、4…成比例。但由於他主張光的微粒說（光的干涉是光的波動性的一種表現）而未能對它作出正確的解釋。直到十九世紀初，托馬斯．楊才用光的干涉原理解釋了牛頓環現象，並參考牛頓的測量結果計算了不同顏色的光波對應的波長和頻率。
牛頓環裝置是由一塊曲率半徑較大的平凸玻璃透鏡，將其凸面放在一塊光學玻璃平板（平晶）上構成的，如圖2所示。平凸透鏡的凸面與玻璃平板之間形成一層空氣薄膜，其厚度從中心接觸點到邊緣逐漸增加。若以平行單色光垂直照射到牛頓環上，則經空氣層上、下表面反射的二光束存在光程差，它們在平凸透鏡的凸面相遇後，將發生干涉。其干涉圖樣是以玻璃接觸點為中心的一系列明暗相間的同心圓環（如圖3所示），稱為牛頓環。由於同一干涉環上各處的空氣層厚度是相同的，因此稱為等厚干涉。
圖2 牛頓環裝置圖3 干涉圓環

與級條紋對應的兩束相干光的光程差為
(1)
為第級條紋對應的空氣膜的厚度；為半波損失。
由干涉條件可知，當=(2k＋1) （k＝0，1，2，3，...） 時，干涉條紋為暗條紋，即
得
（2）
設透鏡的曲率半徑為R，與接觸點O相距為r處空氣層的厚度為d，由圖2所示幾何關系可得

由於R>>d，則 d2可以略去
（3）
由(23-2)和(23-3)式可得第k級暗環的半徑為：
 (4)
由(4)式可知，如果單色光源的波長已知，只需測出第級暗環的半徑rm，即可算出平凸透鏡的曲率半徑R；反之，如果R已知，測出rm後，就可計算出入射單色光波的波長。但是由於平凸透鏡的凸面和光學平玻璃平面不可能是理想的點接觸；接觸壓力會引起局部彈性形變，使接觸處成為一個圓形平面，干涉環中心為一暗斑；或者空氣間隙層中有了塵埃等因素的存在使得在暗環公式中附加了一項光程差，假設附加厚度為（有灰塵時a > 0，受壓變形時a < 0），則光程差為
由暗紋條件
得
將上式代人（4）得
上式中的不能直接測量，但可以取兩個暗環半徑的平方差來消除它，例如去第環和第環，對應半徑為
 -
-
兩式相減可得
所以透鏡的曲率半徑為
(5)
又因為暗環的中心不易確定，故取暗環的直徑計算
（6）
 由上式可知，只要測出Dm與Dn（分別為第m與第n條暗環的直徑）的值，就能算出R或。
2. 劈尖
將兩塊光學平玻璃疊合在一起，並在其中一端墊入待測的薄片（或細絲），則在兩塊玻璃片之間形成一空氣劈尖。當用單色光垂直照射時，和牛頓環一樣，在空氣劈尖上、下兩表面反射的兩束相干光發生干涉，其干涉條紋是一簇間距相等，寬度相等切平行於兩玻璃片交線（即劈尖的棱）的明暗相間的平行條紋，如圖4所示。
圖4 空氣劈尖干涉
由暗紋條件
（=0，1，2，...）
可得，第級暗紋對應的空氣劈尖厚度為
第+1級暗紋對應的空氣劈尖厚度為
兩式相減得
上式表明任意相鄰的兩條干涉條紋所對應的空氣劈尖厚度差為。又此可推出相隔個條紋的兩條干涉條紋所對應的空氣劈尖厚度差為
再由幾何相似性條件可得待測薄片厚度為
式中，為兩玻璃片交線與所測薄片邊緣的距離（即劈尖的有效長度），為個條紋間的距離，它們可由讀數顯微鏡測出。

【實驗儀器介紹】
1. 讀數顯微鏡
如圖5所示，讀數顯微鏡的主要部分為放大待測物體用的顯微鏡和讀數用的主尺和附尺。轉動測微手輪，能使顯微鏡左右移動。顯微鏡有物鏡、目鏡和十字叉絲組成。使用時，被測量的物體放在工作台上，用壓片固定。調節目鏡進行視度調節，使叉絲清晰。轉動調焦手輪，從目鏡中觀察，使被測量的物體成像清晰，調整被測量的物體，使其被測量部分的橫面和顯微鏡的移動方向平行。轉動測微手輪，使十字叉絲的縱線對准被測量物體的起點，進行讀數（讀數由主尺和測微等手輪的讀數之和）。讀數標尺上為0-50mm刻線，每一格的值為1mm，讀數鼓輪圓周等分為100格，鼓輪轉動一周，標尺就移動一格，即1mm，所以鼓輪上每一格的值為0.01mm。為了避免回程誤差，應採用單方向移動測量。
1.目鏡2.鎖緊圈 3.鎖緊螺絲4.調焦手輪 5.鏡筒支架6.物鏡7.彈簧壓片8.檯面玻璃 9.旋轉手輪 10.反光鏡11.底座 12.旋手 13.方軸 14.接頭軸 15.測微手輪 16.標尺圖5 讀數顯微鏡結構圖
2.鈉光光源
燈管內有兩層玻璃泡，裝有少量氬氣和鈉，通電時燈絲被加熱，氬氣即放出淡紫色光，鈉受熱後汽化，漸漸放出兩條強譜線589.0和589.3，通常稱為鈉雙線，因兩條譜線很接近，實驗中可認為是比較好的單色光源，通常取平均值589.3作為該單色光源的波長。由於它的強度大，光色單純，是最常用的單色光源。
使用鈉光燈時應注意：
（1）鈉光燈必須與扼流線圈串接起來使用，否則即被燒壞。
（2）燈點燃後，需等待一段時間才能正常使用（起燃時間約5-6）。
（3）每開、關一次對燈的壽命有影響，因此不要輕易開、關。另外，在正常使用下也有一定消耗，使用壽命只有500，因此應作好准備工作，使用時間集中。
（4）開亮時應垂直放置，不得受沖擊或振動，使用完畢，須等冷卻後才能顛倒搖動，避免金屬鈉流動，影響等的性能。

【實驗內容及步驟】
一.利用牛頓環測平凸透鏡曲率半徑
1. 將牛頓環放置在讀數顯微鏡工作台毛玻璃中央，並使顯微鏡鏡筒正對牛頓環裝置中心，點燃鈉光燈，使其正對讀數顯微鏡物鏡的反射鏡。
2. 調節讀數顯微鏡
（1）調節目鏡：使分劃板上的十字刻線清晰可見，並轉動目鏡，使十字刻線的橫刻線與顯微鏡筒的移動方向平行。
（2）調節反射鏡：是顯微鏡視場中亮度最大，這時基本滿足入射光垂直於待測透鏡的要求。
（3）轉動手輪15：使顯微鏡筒平移至標尺中部，並調節調焦手輪4，使物鏡接近牛頓環裝置表面。
（4）對讀數顯微鏡調焦：緩緩轉動調焦手輪4，使顯微鏡筒由下而上移動進行調焦，直至從目鏡視場中清楚地看到牛頓環干涉條紋且無視差為止；然後再移動牛頓環裝置，使目鏡中十字刻線交點與牛頓環中心大致重合。
3. 觀察條紋的分布特徵。各級條紋的粗細是否一致，條紋間隔是否一樣，並做出解釋。觀察牛頓環中心是亮斑還是暗斑，若為亮斑，如何解釋？
4．測量暗環的直徑。轉動讀數顯微鏡讀數鼓輪，同時在目鏡中觀察，使十字刻線由牛頓環中央緩慢向一側移動至23環然後退回第22環，自第22環開始單方向移動十字刻線，每移動一環記下相應的讀數直到第13環，然後再從同側第10環開始記到第1環；穿過中心暗斑，從另一側第1環開始依次記數到第10環，然後從第13環直至第22環。並將所測數據記入數據表格中。
二、用劈尖測薄片厚度
1. 從讀數顯微鏡工作台上取下牛頓環，換上劈尖，使劈尖兩玻璃片交線及薄片邊緣在可測量區內。
2. 對顯微鏡調焦，從目鏡中能看到清晰的干涉條紋。如果幹涉條紋與兩玻璃片交線不平行，則可能是壓緊螺釘松緊不合適或薄片上有灰塵。適當調整壓緊螺釘的松緊或者擦乾凈薄片，使干涉條紋與兩玻璃交線平行。
3. 調整劈尖在工作台上的位置，使干涉條紋與十字刻線的縱線平行。
4. 轉動鼓輪15，把顯微鏡筒移動到標尺一端再反轉，測出劈尖有效L（即兩玻璃交線與薄片邊緣的距離）。
5. 在劈尖中部條紋清晰處，從第個暗條紋開始記數，然後每隔五個暗條紋記一次數，共記12個讀書，記入自擬的數據表格中。用逐差法處理數據。

【注意事項】
1. 牛頓環儀、劈尖、透鏡和顯微鏡的光學表面不清潔，要用專門的擦鏡紙輕輕揩拭。
2. 讀數顯微鏡的測微鼓輪在每一次測量過程中只能向一個方向旋轉，中途不能反轉。
3. 當用鏡筒對待測物聚焦時，為防止損壞顯微鏡物鏡，正確的調節方法是使鏡筒移離待測物（即提升鏡筒）。

【數據記錄及處理】
一、數據處理
根據計算式，對，分別測量n次，因而可得n個Ri值，於是有，我們要得到的測量結果是。下面將簡要介紹一下的計算。由不確定度的定義知
其中，A分量為
B分量為 （為單次測量的B分量）

由顯微鏡的讀數機構的測量精度可得（mm）
於是有
二、數據記錄表
1．用牛頓環測透鏡的曲率半徑
分 組 I 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
級 數 mi 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13
位 置 左
右
直 徑 Dmi
級 數 ni 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3
位 置 左
右
直 徑 Dni
直徑平方差 D-D
透鏡曲半 徑 R

C. 將牛頓環實驗裝置放到白光下觀察,此時的條文有何特徵為什麼

明暗相間的同心圓.這有什麼好問的…
就是中間的那個兩點大些.這就是驗證波長的那個什麼特點的.現象就是上面的,原理在書上,兩句話.木有了

D. 牛頓環裝置

對於牛頓環裝置，第K級亮紋的半徑 Rk 與凸透鏡的凸表面的曲率半徑R、光波的波長 入 之間關系為：Rk＝根號[ ( K－0.5) * R* 入 ]，K＝1，2，3，......

若是對第K級暗條紋，則是Rk＝根號（K*R*入），K＝0，1，2，3，......
由於中心處的暗斑並不是理想的「點」，且對測量有一定的不確定性，所以通常是測量兩個級的暗條紋的直徑來求波長。（理論上測兩個級的亮條紋的直徑來求波長也可以）。
本題中，由於只測一個級（K＝5）的亮條紋的半徑，所以只能由上述中的式子：
Rk＝根號[ ( K－0.5) * R* 入 ]來計算波長。
即0.30＝根號[ ( 5－0.5) * 400* 入 ]
解得入射光的波長是入＝5*10^(-5) 厘米

E. 等厚干涉牛頓環實驗設計的原理在實驗裝置中是如何實現的

F. 牛頓環的環實驗

牛頓環實驗是這樣的：取來兩塊玻璃體，一塊是14英尺望遠鏡用的平凸鏡，另一塊是50英尺左右望遠鏡用的大型雙凸透鏡。在雙凸透鏡上放上平凸鏡，使其平面向下，當把玻璃體互相壓緊時，就會在圍繞著接觸點的周圍出現各種顏色，形成色環。於是這些顏色又在圓環中心相繼消失。在壓緊玻璃體時，在別的顏色中心最後現出的顏色，初次出現時看起來像是一個從周邊到中心幾乎均勻的色環，再壓緊玻璃體時，這色環會逐漸變寬，直到新的顏色在其中心現出。如此繼續下去，第三、第四、第五種以及跟著的別種顏色不斷在中心現出，並成為包在最內層顏色外面的一組色環，最後一種顏色是黑點。反之，如果抬起上面的玻璃體，使其離開下面的透鏡，色環的直徑就會偏小，其周邊寬度則增大，直到其顏色陸續到達中心，後來它們的寬度變得相當大，就比以前更容易認出和訓別它們的顏色了。
牛頓測量了六個環的半徑（在其最亮的部分測量），發現這樣一個規律：亮環半徑的平方值是一個由奇數所構成的算術級數，即1、3、5、7、9、11，而暗環半徑的平方值是由偶數構成的算術級數，即2、4、6、8、10、12。例凸透鏡與平板玻璃在接觸點附近的橫斷面，水平軸畫出了用整數平方根標的距離：√1=1√2=1.41,√3=1.73,√4=2,√5=2.24等等。在這些距離處，牛頓觀察到交替出現的光的極大值和極小值。從圖中看到，兩玻璃之間的垂直距離是按簡單的算術級數，1、2、3、4、5、6……增大的。這樣，知道了凸透鏡的半徑後，就很容易算出暗環和亮環處的空氣層厚度，牛頓當時測量的情況是這樣的：用垂直入射的光線得到的第一個暗環的最暗部分的空氣層厚度為1/189000英寸，將這個厚度的一半乘以級數1、3、5、7、9、11，就可以給出所有亮環的最亮部分的空氣層厚度，即為1/178000,3/178000,5/178000,7/178000……它們的算術平均值2/178000,4/178000,6/178000……等則是暗環最暗部分的空氣層厚度。
牛頓環裝置產生的干涉暗環半徑為√(kRλ) ，其中k=0,1,2……
牛頓還用水代替空氣，從而觀察到色環的半徑將減小。他不僅觀察了白光的干涉條紋，而且還觀察了單色光所呈現的明間相間的干涉條紋。
牛頓環裝置常用來檢驗光學元件表面的准確度．如果改變凸透鏡和平板玻璃間的壓力，能使其間空氣薄膜的厚度發生微小變化，條紋就會移動。用此原理可以精密地測定壓力或長度的微小變化。
按理說，牛頓環乃是光的波動性的最好證明之一，可牛頓卻不從實際出發，而是從他所信奉的微粒說出發來解釋牛頓環的形成。他認為光是一束通過窨高速運動的粒子流，因此為了解釋牛頓環的出現，他提出了一個「一陣容易反射，一陣容易透射」的復雜理論。根據這一理論，他認為;「每條光線在通過任何折射面時都要進入某種短暫的狀態，這種狀態在光線得進過程中每隔一定時間又復原，並在每次復原時傾向於使光線容易透過下一個折射面，在兩次復原之間，則容易被下一個折射面的反射。」他還把每次返回和下一次返回之間所經過的距離稱為「陣發的間隔」。實際上，牛頓在這里所說的「陣發的間隔」就是波動中所說的「波長」。為什麼會這樣呢？牛頓卻含糊地說：「至於這是什麼作用或傾向，它就是光線的圓圈運動或振動，還是介質或別的什麼東西的圓圈運動或振動，我這里就不去探討了。」
牛頓環儀是由曲率半徑為R的待測平凸透鏡L和玻璃平板P疊裝在金屬框架F中構成，如下右圖所示。框架邊上有三個螺釘H，用來調節L和P之間的接觸，以改變干涉條紋的形狀和位置。調節H時，螺釘不可旋得過緊，以免接觸壓力過大引起玻璃透鏡迸裂、破損。右圖為牛頓環實物圖。 判斷透鏡表面凸凹、精確檢驗光學元件表面質量、測量透鏡表面曲率半徑和液體折射率。
應用於光譜儀、把復合光分離成單色光的組成。

G. 把一平凸鏡放在平玻璃上，構成牛頓環裝置，當平凸鏡慢慢向上平移時，由反射光形成的牛頓環。

這個題我在網上找了一番，並沒有人做出詳細的解釋，為什麼條紋間距會不變。關於條紋像內中間收縮，這個應容該很容易推出來，我決定詳細講一講。首先我們要注意一個前提，在維基網路上，對牛頓環的定義是一個曲率半徑R很大的凸透鏡和一個玻璃平面組成的裝置。由於曲率半徑很大，我們可以近似把這個裝置看成一個圓錐，下面就是我推得的條紋間隔的變化情況，希望大家能夠理解。

H. 把一凸透鏡放在平玻璃上方(初始未接觸),構成牛頓環實驗裝置,當凸透鏡慢慢向下

條紋向中心收縮,中心處的條紋不斷消失,邊緣不斷的產生新條紋

I. 有關牛頓環實驗的一道題

這是光學當中的等厚干涉
突起使光程差減小，暗環會向外凸