觀察牛頓環裝置實驗創新與改進

A. 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。

B. 牛頓環實驗思考題

1，牛頓環是等厚干涉，2nhcosα λ/2=mλ。所以當α入射角是一定的時候，對於相同厚度h,干涉級是一樣的，還是同心圓環。
2，沒看明白。啥意思？在透鏡下表面？
3，邊緣往下按，厚度減小，對應干涉級減小，牛頓環是中心干涉級小，所以是條紋向外移動。中心亮暗不變，應為對於h等於0，始終有m=1/2（半波損）使得中心始終是暗紋。

C. 牛頓環法測曲率半徑的實驗報告

一、實驗名稱：
用牛頓環測量透鏡的曲率半徑
二、實驗目的：
1、觀察光的等厚干涉現象，了解干涉條紋特點。
2、利用干涉原理測透鏡曲率半徑。
3、學慣用逐差法處理實驗數據的方法。
三、實驗儀器：
牛頓環裝置（其中透鏡的曲率未知）、鈉光燈（波長為589.3nm）、讀數顯微鏡（附有反射鏡）。
四、實驗原理：
將一塊曲率半徑R較大的平凸透鏡的凸面放在一個光學平板玻璃上，使平凸透鏡的球面AOB與平面玻璃CD面相切於O點，組成牛頓環裝置，如圖所示，則在平凸透鏡球面與平板玻璃之間形成一個以接觸點O為中心向四周逐漸增厚的空氣劈尖。當單色平行光束近乎垂直地向AB面入射時，一部分光束在AOB面上反射，一部分繼續前進，到COD面上反射。這兩束反射光在AOB面相遇，互相干涉，形成明暗條紋。由於AOB面是球面，與O點等距的各點對O點是對稱的，因而上述明暗條紋排成如圖所示的明暗相間的圓環圖樣，在中心有一暗點（實際觀察是一個圓斑），這些環紋稱為牛頓環。
五、實驗步驟
1、調整測量裝置
（1）用眼睛在牛頓環裝置上方觀察，若環中心不是黑斑或黑斑偏離中部太遠，可以輕輕對牛頓環框架螺釘進行調節（切勿用力過大，以免損壞透鏡）。
（2）啟動鈉光燈，讓讀數顯微鏡上的45°反射片對著鈉光燈，然後調節反射片的傾斜度（實驗用的顯微鏡已裝在物鏡頭上），使顯微鏡視場中亮度最大。
（3）將顯微鏡對准牛頓環裝置正表面調焦，找到清晰的牛頓環，注意調焦時使物鏡接近牛頓環裝置（不要相碰），緩慢扭動調節手輪，使顯微鏡自下而上緩慢地上升，直到看清楚干涉條紋為止。
（4）輕輕地移動牛頓環裝置的位置，使條紋中心大致對准叉絲，且當測微手輪轉動移動叉絲時，叉絲與圓環相切。如叉絲傾斜可調節顯微鏡的目鏡筒。調節後，在實驗過程中不能再動牛頓環裝置。
2、觀察干涉條紋的分布特徵:
注意觀察當環心暗紋和叉絲左右移動時條紋間隔的變化，並注意條紋級數的計算。
3、測量牛頓環的直徑:
從環心（暗斑）開始，轉動測微手輪。一邊轉動，一邊數出暗紋的級數。例如，數到第m+2環後，反方向轉動測微手輪，使十字叉絲交點對准第m條暗紋的中間，從顯微鏡的主尺和測微手輪上的游標刻度記下讀數。

D. 牛頓環在實際中的應用

牛頓環簡介
牛頓環，又稱「牛頓圈」。在光學上，牛頓環是一個薄膜干涉現象。光的一種干涉圖樣，是一些明暗相間的同心圓環。例如用一個曲率半徑很大的凸透鏡的凸面和一平面玻璃接觸，在日光下或用白光照射時，可以看到接觸點為一暗點，其周圍為一些明暗相間的彩色圓環；而用單色光照射時，則表現為一些明暗相間的單色圓圈。

這些圓圈的距離不等，隨離中心點的距離的增加而逐漸變窄。它們是由球面上和平面上反射的光線相互干涉而形成的干涉條紋。用一個曲率半徑很大的凸透鏡的凸面和一平面玻璃接觸，在日光下或用白光照射時，可以看到接處點為一暗點，其周圍為一些明暗相間的彩色圓環；而用單色光照射時，則表現為一些明暗相間的單色圓圈。

這些圓圈的距離不等，隨離中心點的距離的增加而逐漸變窄。它們是由球面上和平面上反射的光線相互干涉而形成的干涉條紋。

牛頓環的應用有哪些

牛頓環現象的基本原理：
牛頓環的原理並不復雜，它一種光的干涉圖樣．是牛頓在1675年首先觀察到的．將一塊曲率半徑較大的平凸透鏡放在一塊玻璃平板，用單色光照射透鏡與玻璃板，就可以觀察到一些明暗相間的同心圓環．圓環分布是中間疏、邊緣密，圓心在接觸點O．從反射光看到的牛頓環中心是暗的，從透射光看到的牛頓環中心是明的．若用白光入射．將觀察到彩色圓環．牛頓環是典型的等厚薄膜干涉．凸透鏡的凸球面和玻璃平板之間形成一個厚度均勻變化的圓尖劈形空氣簿膜，當平行光垂直射向平凸透鏡時，從尖劈形空氣膜上、下表面反射的兩束光相互疊加而產生干涉．同一半徑的圓環處空氣膜厚度相同，上、下表面反射光程差相同，因此使干涉圖樣呈圓環狀．這種由同一厚度薄膜產生同一干涉條紋的干涉稱作等厚干涉．

牛頓在光學中的一項重要發現就是「牛頓環」。這是他在進一步考察胡克研究的肥皂泡薄膜的色彩問題時提出來的。牛頓雖然發現了牛頓環，並做了精確的定量測定，可以說已經走到了光的波動說的邊緣，但由於過分偏愛他的微粒說，始終無法正確解釋這個現象。事實上，這個實驗倒可以成為光的波動說的有力證據之一。直到19世紀初，英國科學家托馬斯·楊才用光的波動說圓滿地解釋了牛頓環實驗。

牛頓環在生產製造上有著很普遍的運用：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。還可以應用於光譜儀、把復合光分離成單色光
一、測透鏡曲率半徑
牛頓環儀測透鏡曲率半徑

由牛頓環儀的亮環半徑公式（6）和暗環半徑公式（8）知，若已知形成的牛頓環的第j級干涉暗條紋的半徑或第j級干涉亮條紋的半徑公式。在λ已知時，只要實驗測出jr或jr都可求得曲率半徑R。

但由於實際操作中兩接觸面之間難免存在塵埃或發生彈性形變，因此兩光學元件接觸處不可能是一個幾何點，而是一個圓斑。所以牛頓環圓心處環紋粗且模糊難以確定環紋干涉級數j故直接應用公式計算曲率半徑已不太實際。

頂平式牛頓環裝置測透鏡曲率半徑可求出：對頂式牛頓環裝置測透鏡曲率半徑二、測均勻透光介質折射率
牛頓環儀測均勻透光介質折射率

變形牛頓環裝置測均勻透光介質折射率

頂平式牛頓環變形裝置和對頂式牛頓環變形裝置測均勻透光介質折射率的情況與牛頓環儀相同。設入射光波長為λ。則它們的牛頓環半徑可表示為：三、精確檢測光學元件表面的質量
牛頓環儀精確檢測光學元件表面的質量

當光學元件不平滑時或有雜質時，實驗室中觀察牛頓環時，有時會發現本該圓形的牛頓環有局部變形的現象，且一般是牛頓環局部內凹。原因何在？下面給出這一實驗現象的定性的理論分析。在單色光垂直入射的情況下，牛頓環明、暗紋的干涉條件分別是：其特點是同一厚度d處，光程差相等，形成同一級干涉條紋。，但當光學元件表面不平滑時中間介質厚度將發生微小變化；而當表面有雜質時，由於雜質折射率一般大於空氣折射率，引起了附加光程差。兩種情況都會使得干涉條紋產生扭曲。設平玻璃板B上某點P處微小鄰域不規范（有雜質或不圓滑），其折射率為n，沿光線投射方向線度為a ，則點P 處對應的兩反射光光程差為變形牛頓環裝置精確檢測光學元件表面的質量

在頂平式牛頓環變形裝置或對頂式牛頓環變形裝置中，在單色光垂直入射的情況下，牛頓環明、暗紋的干涉條件分別是：其特點是同一厚度d處，光程差相等，形成同一級干涉條紋。但當光學元件表面不平滑時中間介質厚度將發生微小變化；而當表面有雜質時，由於雜質折射率一般大於空氣折射率，引起了附加光程差。兩種情況都會使得干涉條紋產生扭曲。設平凸透鏡B上某點P處微小鄰域存在問題（有雜質或不圓滑），其折射率為n，沿光線投射方向線度為a，則點P 處對應的兩反射光光程差

E. 牛頓環實驗報告

牛頓環實驗報告
一、【實驗目的】

(1)用牛頓環觀察和分析等厚干涉現象； (2)學習利用干涉現象測量透鏡的曲率半徑； (3)學會使用讀數顯微鏡測距。 【實驗原理】
在一塊平面玻璃上安放上一焦距很大的平凸透鏡，使其凸面與平面相接觸，在接觸點附近就形成一層空氣膜。當用一平行的准單色光垂直照射時，在空氣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，形成以接觸點為圓心的明暗相間的環狀干涉圖樣，
稱為牛頓環，其光路示意圖如圖。
如果已知入射光波長，並測得第k級暗環的半徑
rk，則可求得透鏡
的曲率半徑R。但實際測量時，由於透鏡和平面玻璃接觸時，接觸點有壓力產生形變或有微塵產生附加光程差，使得干涉條紋的圓心和環級確定困難。用直徑此為計算R用的公式，它與附加厚光程差、圓心位置、絕對級次無
DD關，克服了由這些因素帶來的系統誤差，並且m、n可以是弦長。

二、【實驗儀器】
JCD3型讀數顯微鏡，牛頓環，鈉光燈，凸透鏡(包括三爪式透鏡夾和固定滑座)。 【實驗內容】 1、調整測量裝置
按光學實驗常用儀器的讀數顯微鏡使用說明進行調整。調整時注意：

(1)調節45玻片，使顯微鏡視場中亮度最大，這時，基本上滿足入射光垂直於透鏡的要求(下部反光鏡不要讓反射光到上面去)。
(2)因反射光干涉條紋產生在空氣薄膜的上表面，顯微鏡應對上表面調焦才能找到清晰的干涉圖像。
(3)調焦時，顯微鏡筒應自下而上緩慢地上升，直到看清楚干涉條紋時為止，往下移動顯微鏡筒時，眼睛一定要離開目鏡側視，防止鏡筒壓壞牛頓環。
(4)牛頓環三個壓緊螺絲不能壓得很緊，兩個表面要用擦鏡紙擦拭乾凈。 2、觀察牛頓環的干涉圖樣
（1）調整牛頓環儀的三個調節螺絲，在自然光照射下能觀察到牛頓環的干涉圖樣，並將干涉條紋的中心移到牛頓環儀的中心附近。調節螺絲不能太緊，以免中心暗斑太大，甚至損壞牛頓環儀。
（2）把牛頓環儀置於顯微鏡的正下方，使單色光源與讀數顯微鏡上45?角的反射透明玻璃片等高，旋轉反射透明玻璃 ，直至從目鏡中能看到明亮均勻的光照。
（3）調節讀數顯微鏡的目鏡，使十字叉絲清晰；自下而上調節物鏡直至觀察到清晰的干涉圖樣。移動牛頓環儀，使中心暗斑（或亮斑）位於視域中心，調節目鏡系統，使叉絲橫絲與讀數顯微鏡的標尺平行，消除視差。平移讀數顯微鏡，觀察待測的各環左右是否都在讀數顯微鏡的讀數范圍之內。
3、測量牛頓環的直徑
（1）選取要測量的m和n(各5環)，如取m為55，50，45，40，35，n為30，25，20，15，10。
（2）轉動鼓輪。先使鏡筒向左移動，順序數到55環，再向右轉到50 環，使叉絲盡量對准干涉條紋的中心，記錄讀數。然後繼續轉動測微鼓輪，使叉絲依次與45，40，35，30，25，20，15，10，環對准，順次記下讀數；再繼續轉動測微鼓輪，使叉絲依次與圓心右10，15，20，25，30，35，40，45，50，55環對准，也順次記下各環的讀數。注意在一次測量過程中，測微鼓輪應沿一個方向旋轉，中途不得反轉，以免引起回程差。
4、算出各級牛頓環直徑的平方值後，用逐差法處理所得數據，求出 直徑平方差的平均值代入公式求出透鏡的曲率半徑，並算出誤差。 ． 注意：
(1)近中心的圓環的寬度變化很大，不易測准，故從K=lO左右開始比較好； (2)m-n應取大一些，如取m-n=25左右，每間隔5條讀一個數。
(3)應從O數到最大一圈，再多數5圈後退回5圈，開始讀第一個數據。 (4)因為暗紋容易對准，所以對准暗紋較合適。 ，
(5)圈紋中心對准叉絲或刻度尺的中心，並且當測距顯微鏡移動時，叉絲或刻度尺的 某根線與圈紋相切(都切圈紋的右邊或左邊)。 【數據記錄與處理】

F. 牛頓環干涉實驗怎麼做呀

1、接通鈉燈預熱
2、調整牛頓環裝置使牛頓環基本位於裝置中心
3、將裝置放置在讀數顯微鏡筒下,鏡筒置於讀數標尺中央
4、鈉燈正常發光後,調節底座平台高度及反光玻璃使光可以垂直射到牛頓環上
5、調節物鏡轉輪,使能在目鏡中清晰地看到叉絲和牛頓環像
6、移動牛頓環裝置使中心暗斑位於視域中心,調節目鏡系統使叉絲交點大致位於牛頓環中心位置
7、測量與讀數.
一般是讀第40、35、30、25、20、15、10道暗紋的數值,左右都測量後相減得直徑/弦長,代入公式算得結果.