大学物理仿真实验报告

实验名称：牛顿环法测曲率半径

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系 别： 实 验 日 期

专业班级： 组别____ 实 验 报 告 日 期 姓 名 学号 报告退发 ( 订正 、 重做 ) 教 师 审 批 签 字 一 实验目的

1.学会用牛顿环测定透镜曲率半径。

2.正确使用读书显微镜，学习用逐差法处理数据。

二 实验仪器

牛顿环装置，读数显微镜，钠光灯。

三 实验原理

如下图所示，在平板玻璃面DCF上放一个曲率半径很大的平凸透镜ACB，C点为接触

点，这样在ACB和DCF之间，形成一层厚度不均匀的空气薄膜，单色光从上方垂直入射到透

镜上，透过透镜，近似垂直地入射于空气膜。分别从膜的上下表面反射的两条光线来自同一条入射光线，它们满足相干条件并在膜的上表面相遇而产生干涉，干涉后的强度由相遇的两条光线的光程差决定，由图可见，二者的光程

差等于膜厚度e的两倍，即

此外，当光在空气膜的上表面反射时，是从光密媒质

射向光疏媒质，反射光不发生相位突变，而在下表面反射

时，则会发生相位突变，即在反射点处，反射光的相位与入射光的相位之间相差? ，与之对应的光程差为?/2 ，所以相干的两条光线还具有?/2的附加光程差，总的光程差为

（1）

当?满足条件

（2）

时，发生相长干涉，出现第K级亮纹，而当

（k = 0,1,2…） （3）

时，发生相消干涉，出现第k级暗纹。因为同一级条纹对应着相同的膜厚，所以干涉条纹是一组等厚度线。可以想见，干涉条纹是一组以C点为中心的同心圆，这就是所谓的牛顿环。

如图所示，设第k级条纹的半径为 ，对应的膜厚度为 ，则

（4）

在实验中，R的大小为几米到十几米，而 的数量级为毫米，所以R >> ek，ek相对于

22Rek是一个小量，可以忽略，所以上式可以简化为

（5）

如果rk是第k级暗条纹的半径，由式（1）和（3）可得

（6）

代入式（5）得透镜曲率半径的计算公式

（7）

对给定的装置，R为常数，暗纹半径

（8）

和级数k的平方根成正比，即随着k的增大，条纹越来越细。

同理，如果rk是第k级明纹，则由式（1）和（2）得

（9）

代入式（5），可以算出

（10）

由式（8）和（10）可见，只要测出暗纹半径（或明纹半径），数出对应的级数k，即可算出R。

在实验中，暗纹位置更容易确定，所以我们选用式（8）来进行计算。

在实际问题中，由于玻璃的弹性形变及接触处不干净等因素，透镜和玻璃板之间不可能是一个理想的点接触。这样一来，干涉环的圆心就很难确定，rk就很难测准，而且在接触处，到底包含了几级条纹也难以知道，这样级数k也无法确定，所以公式（8）不能直接用于实验测量。

在实验中，我们选择两个离中心较远的暗环，假定他们的级数为m和n，测出它们的直径dm = 2rm，dn = 2rn，则由式（8）有

由此得出

（11）

从这个公式可以看出，只要我们准确地测出某两条暗纹的直径，准确地数出级数m和n之差（m-n）（不必确定圆心也不必确定具体级数m和n），即可求得曲率半径R。

四 实验内容