实验六、牛顿环干涉 光的干涉现象是光波动性的基本特征之一。牛顿环干涉是属于用分振幅的方法产生的定域干涉现象，亦是典型的等厚干涉条纹。“牛顿环”是牛顿在1675年制做天文望远镜时，偶然将一个望远镜的物镜放在平板玻璃上发现的。在实际工作中，利用牛顿环干涉来测定光波的波长、透镜的曲率半径或检查光学元件表面的光洁度、平整度和加工精度等。 实验目的 1. 观察等厚现象，考察其特点； 2. 掌握一种测量透镜曲率半径的方法； 3. 学习使用读数显微镜。 实验仪器 JXD3型读数显微镜（一套），钠光灯，牛顿环 实验原理 把一块曲率半径相当大的平凸透镜A的凸面放在一块很平的平玻璃B上， 那么在两者之间就形成类似劈尖形的空气薄层。如图（a） 。如果将一束单色光垂直地投射上去，则入射光
在空气层上下两表面反射且在上表面相遇将产生干涉。在反射光中形成一系列以接触点O 为中心的明暗相间的光环叫牛顿圈。各明圈（或暗圈）处空气薄层的厚度相等，故称为等厚干涉。 明、暗环的干涉条件分别是： λλ δk e =+=2 2 ??????=,3,2,1k （1） 2 ) 12(2 2λ λ δ+=+ =k e ??????=,2,1,0k （2） 其中 2 λ 一项是由于二束相干光线中，其中一束光从光疏媒质（空气）到光密媒质（玻璃）交界面上反射时，发生“半波损失”引起的。 由图（b ）可得环半径r 与厚度e 的关系：2 22)(e R r R -== 即： 2 2 2e eR r -= R 系透镜A 的曲率半径。由于e R ??，所以上式近似为： R r e 22 = （3） 将（3）带入（1）、（2）明、暗环公式分别有 2 )12(2 λ R k r +=（明环） ??????=,3,2,1k （4） R k r λ=2 （暗环） ??????=,2,1,0k （5） 由（4）、（5）式可看出：以一定波长λ的光入射到牛顿环上形成干涉条纹后，只要测出某一级明环或暗环的半径，即可测出透镜的曲率半径。但在实际测量中，暗环较易对准，故以测量暗环为宜。还有一个要注意的问题是，在实验中利用暗环公式（5），来测定透镜曲率半径R 时是认为接触点O 处（r=0）是点接触，且接触处无脏东西或灰尘存在，但是，实际上由于存在脏物或灰尘及玻璃的弹性形变，接触点是很小的面接触，看到的是一个暗斑。在
（1）牛顿环的中心在什么情况下是暗的，在什么情况下是亮的？ 中心处是暗斑，这是因为中心接触处的空气厚度，而光在平面玻璃面上反射时有半波损失，所以形成牛顿环中心处为暗斑(用反射光观察时)。当没有半波损失时则为亮斑。 当有半波损失时为暗纹，没有半波损失时为亮纹。 （2）实验中为什么用测量式 λ )(42 2 n m D D R n m --= ，而不用更简单的λ K r R k 2 = 函数关系式求出 R 值？ 因为用后面个关系式时往往误差较大，原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触，接触压力会引起局部形变，使接触点成为一个圆面，干涉环中心为一暗斑，所以无法确定环的几何中心。所以比较准确的方法是测量干涉环的直径。测出个对应k 环环直径Dk ，由rk 2 =k λR 可知Dk 2=4R λk,又由于灰尘等存在，是接触点的dk ≠0，其级数也是未知的，则是任意暗环的级数和直径Dk 难以确定，故取任意两个不相邻的暗环，记其直径分别为Dm 和Dn(m>n),求其平方差即为 Dm 2-Dn 2=4(m-n)R λ,则R=(Dm 2-Dn 2)/4(m-n) λ (3) 在本实验中若遇到下列情况，对实验结果是否有影响？为什么？ ①牛顿环中心是亮斑而非暗斑。 ②测各个D m 时，叉丝交点未通过圆环的中心，因而测量的是弦长而非真正的直径。 1. 环中心出现亮斑是因为球面和平面之间没有紧密接触（接触处有尘埃，或有破损或磨毛），从而产生了附加光程差。这对测量结果并无影响（可作数学证明）。 2.( 提示：从左图A ，看能否证 明:2 2 2 2 n m n m D D d d -=-) 没有影响.可能的附加光程差会导致中心不是暗点而是亮斑,但在整个测量过程中附加光程差是恒定的,因此可以采用不同暗环逐差的方式消除 （4）在测量过程中，读数显微镜为什么只准单方向前进，而不准后退？ 会产生回程误差，即测量器具对同一 个尺寸进行正向和反向测量时，由于 结构上的原因，其指示值不可能完全相同，从而产生误差. d d m Dn Dm h r n r m n 图A R d n =1 H 图B
等厚干涉——牛顿环 等厚干涉是薄膜干涉的一种。薄膜层的上下表面有一很小的倾角是，从光源发出的光经上下表面反射后在上表面附近相遇时产生干涉，并且厚度相同的地方形成同一干涉条纹，这种干涉就叫等厚干涉。其中牛顿环是等厚干涉的一个最典型的例子，最早为牛顿所发现，但由于他主张微粒子学说而并未能对他做出正确的解释。光的等厚干涉原理在生产实践中育有广泛的应用，它可用于检测透镜的曲率，测量光波波长，精确地测量微笑长度、厚度和角度，检验物体表面的光洁度、平整度等。 一. 实验目的 (1)用牛顿环观察和分析等厚干涉现象； (2)学习利用干涉现象测量透镜的曲率半径； 二. 实验仪器 读数显微镜钠光灯牛顿环仪
三. 实验原理 牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸面放在一块光学玻璃平板（平镜）上构成的，如图。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，若以平行单光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的两光束存在光程差，他们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环，称为牛顿环。同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的，因此他属于等厚干涉。 图2 图3 由图2可见，若设透镜的曲率半径为R ，与接触点O 相距为r 处空气层的厚度为d ，其几何关系式为 2222222)(r d Rd R r d R R ++-=+-= 由于r R >>，可以略去d 2得
R r d 22 = （1） 光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平玻璃上反射会有半波损失，，从而带来2λ的附加程差，所以总光程差为 2 2λ + =?d （2） 所以暗环的条件是 2 ) 12(λ +=?k （3） 其中 3,2,1,0=k 为干涉暗条纹的级数。综合（1）（2）（3）式可得第可k 级暗环的半径为 λkR r k =2 （4） 由式（4）可知，如果单色光源的波长λ已知，测出第m 级的暗环半径r m,,即可得出平图透镜的曲率半径R ；反之，如果R 已知，测出r m 后，就可计算出入射单色光波的波长λ。但是用此测量关系式往往误差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触；接触压力会引起局部形变，使接触处成为一个圆形平面，干涉环中心为一暗斑。或者空气间隙层有了灰尘，附加了光程差，干涉环中心为一亮（或暗）斑，均无法确定环的几何中心。实际测量时，我们可以通过测量距中心较远的两个暗环半径r m 和r n 的平方差来计算曲率半径R 。因为 λMR r m =2 λnR r n =2 两式相减可得 λ)(22n m R r r n m -=-
物理教学界流传着这样一种说法：“没有演示实验的一堂课是不可想象的。”由此可见，演示实验在物理教学中的地位和作用是不容置疑的。物理教材中已编入了大量的演示实验，其中有些实验因为自身设计或实际教学条件的局限，效果还不够理想；从演示实验的意义和作用来看，教材上某些章节演示实验数量还不够，教材里有的图片完全可以改成演示实验，必要时还需加入一些演示实验。在初中物理教学中,为了切实贯彻“以实验为基础”的教学原则，真正把物理实验作为物理教学的重要内容和有力工具，充分发挥实验的教学功能,我们提倡在教师的指导下，通过自己动眼、动脑、动手、动口去获取知识。通过学生自己阅读材料，自己做实验，还可以讨论讲述，改变学生学习中的被动地位，使课堂气氛不再沉闷。这样，不仅能够为学生提供学习的感性材料，验证物理规律，而且能够提供科学的思维方法，加深对基本知识的认识程度，培养学生用实验方法探索物理知识的能力。使他们学习的主动性、积极性得到充分发挥，激发学生的求知欲，培养学生的探索能力。 一、以实验作为新课的设疑引学，起到激发学习兴趣的作用，而且能够极大地调动学生的学习积极性。 在学习“平面镜成像”一节时，我做了一个演示实验引入，在玻璃板前面点燃一只蜡烛，后面放一个烧杯，当向烧杯中倒水，会出现一个奇特的现象，蜡烛在水中燃烧，使学生产生浓厚的兴趣。 在“浮力的应用”一节的学习中，我在水槽中同时放入了一个小钢球和一个大塑料片，让学生观察到小钢球沉底和大塑料片浮在水面上，从而引发学生思考：物体在液体中的上浮和下沉仅取决于它自身的受力情况。 再如，大气压强这一概念，对初中学生来说是比较抽象的，教学中我安排了大小试管的实验，先把两个试管套在一起，倒置，小试管下落，学生分析是试管受重力导致的。后将大试管内灌满水，再将小试管底向下插入，倒置，发现小试管反而上升了，给学生以很深刻的体会。然后又设计了两个对比性实验，每做一个实验，都引导学生观察现象，思考问题，分析问题，步步深入。首先做“水杯--厚纸片”演示实验，让学生思考：放开手后，厚纸片会不会掉下来？当学生看到厚纸片不会掉下来这个意想不到的现象时，无不感到新奇有趣。这时，再因势利导提出：“上述实验中厚纸片受到哪些力的作用？为什么厚纸片不会掉下来？”学生很自然领会到厚纸片不会掉下来一定受到一个向上的压力作用，这个压力只能是大气产生的，由此可见，大气对厚纸片产生了压强。进而向学生提出：“课本上要求做这个实验时，杯里要装满水，若杯里只盛少量水，甚至不装水，这个实验能不能成功？”为了开阔学生的思路，又进一步提出若用小刀片把厚纸片与杯的接触处撬开一个小口子，将会出现什么现象？然后再做实验加以验证。实验结果与分析、推理的一致性，加深了学生对大气压强的认识，同时也培养了学生的思维能力。接着进行“马德堡半球”实验，证明大气向任何方向都有压强，而且大气压强可以产生很大的力，从而使学生对大气压的理解具体而鲜明。 二、在新课教学的过程中，起到启发、帮助学生理解物理概念或得出物理规律，解决疑难问题的作用。 例如，在进行“物体浮沉条件”的实验时，教材的安排是先把鸡蛋放在浓盐水中，观察它的漂浮；然后在浓盐水中加清水，观察鸡蛋的悬浮和下沉。在加入浓盐水，观察鸡蛋上浮的实际操作中，加入清水的多少不容易掌握，会出现由于一下子倒入过多的清水，鸡蛋就下沉到杯底，而看不到悬浮现象。再加浓盐水时，鸡蛋又可能上浮不起来。为此，我作了如下的改动：让学生先把鸡蛋分别浸没在清水和浓盐水中，观察鸡蛋的下沉和上浮，分析鸡蛋的受力情况，得出下沉和上浮的条件。接着让学生缓缓地向浓盐水中加入清水，观察悬浮现象，分析得出悬浮条件。然后讨论为什么鸡蛋在清水中和在浓盐水中受到的浮力大小不同？为什么漂浮时和悬浮时鸡蛋排开液体的体积不同而受到的浮力却相同？这样处理，不但实验成功的把握大、效果好，而且学生容易理解。 初中学生对“二力平衡”条件觉得很简单，似乎没有什么困难，但又往往形成片面的认识。在课堂教学中，我由日常生活中吊在电线上的电灯，放在桌子上的书籍等物体保持静止状态的实例引发，进而做“二力平衡条件”的演示实验，让学生仔细观察并读出小车保持静止时两边吊盘里砝码的重力，并向学生提出探索性问题：“二力在什么条件下才会平衡？”学生往往得出片面的结论：“二力平衡条件是二力的大小相等，方向相反。”这时引导学生再仔细观察如下两个有针对性的对比实验：①、两个力大小相等，方向相反，分别作用在两个物体上（即用两个小车拼合在一起代替原来的小车实验）；②、两力大小相等，方向相反，作用在同一个物体（小车）上，但两力的作用线不在同一条直线上。通过这两个实验，学生否定了自己原先的片面论断，从而得出科学的结论：“作用在一个物体上的两个力，如果在同一条直线上，大小相等，方向相反，这两个力就平衡。” 三、安排在下课前的几分钟，作为复习巩固和延伸知识之用。
探究外部因素对牛顿环干涉的影响 10级物本：周晨、陈杨华、许英磊 指导老师：尹真 摘要：本实验利用移测显微镜对牛顿环仪在不同条件下显示出的牛顿环进行观察，求出各种条件下所测得透镜的曲率半径，并分析这些条件对牛顿环测定透镜曲率半径的影响情况。关键词：牛顿环、曲率半径、牛顿环仪、移测显微镜 1 引言： 运用钠灯发出的光线作为实验的入射光线，光线经过牛顿环仪后，在牛顿环仪表面发生干涉现象，形成了一系列同心圆圈，运用移测显微镜进行测量，可以求得牛顿环仪中透镜的曲率半径。 2实验仪器及用具：移测显微镜、牛顿环仪、钠灯等 3实验原理： 牛顿环仪是由待测平凸透镜L和磨光的平玻璃板P叠合安装在金属框架F中构成的(图1)．框架边上有三个螺旋H，用以调节L和P之间的接触，以改变干涉环纹的形状和位置．调节H时，不可旋得过紧，以免接触压力过大引起透镜 弹性形变，甚至损坏透镜。
当一曲率半径很大的平凸透镜的凸面与一平玻璃板相接触时，在透镜的凸面与平玻璃板之间形成一空气薄膜．薄膜中心处的厚度为零，愈向边缘愈厚，离接触点等距离的地方，空气膜的厚度相同，如图2所示，若以波长为λ的单色平行光投射到这种装置上，则由空气膜上下表面反射的光波将在空气膜附近互相干涉，两束光的光程差将随空气膜厚度的变化而变化，空气膜厚度相同处反射的两束光具有相同的光程差，形成的干涉条纹为膜的等厚各点的轨迹，这种干涉是一种等厚干涉。 在反射方向观察时，将看到一组以接触点为中心的亮暗相间的圆环形干涉条纹，而且中心是一暗斑[图3(a)]；如果在透射方向观察，则看到的干涉环纹与反射光的干涉环纹的光强分布恰成互补，中心是亮斑，原来的亮环处变为暗环，暗环处变为亮环[图3(b) ]，这种干涉现象最早为牛顿所发现，故称为牛顿环。
北京师范大学珠海分校大学物理实验报告 实验名称：牛顿环实验测量 学院工程技术学院 专业测控技术与仪器 学号 1218060075 姓名钟建洲 同组实验者 1218060067余浪威 1218010100杨孟雄 2013 年 1 月 17日
实验名称 牛顿环实验测量 一、实验目的 1.观察牛顿环干涉现象条纹特征； 2.学习用光的干涉做微小长度的测量； 3.利用牛顿环干涉测量平凸透镜的曲率半径； 4.通过实验掌握移测显微镜的使用方法 二、实验原理 在一块平面玻璃上安放上一焦距很大的平凸透镜，使其凸面与平面相接触，在接触点 o 附近就形成一层空 气膜。当用一平行的准单色光垂直照射时，在空气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 o 为圆心的明暗相间的环状干涉图样，称为牛顿环。如果已知入射光波长，并测得第 k 级 暗环的半径 r k ，则可求得透镜的曲率半径 R 。但 实际测量时，由于透镜和平面玻璃接触时，接触点有压力产生形变或有微尘产生附加光程差，使得干涉条纹的圆心和环级确定困难。第m 环与第n 环 用直径 D m 、 D n 。 () λ n m n D m D R +-= 42 2此为计算 R 用的公式，它与附加厚度、
圆心位置、绝对级次无关，克服了由这些因素带来的系统误差，并且D m 、 D n 可以是弦长。 三、实验内容与步骤 用牛顿环测量透镜曲率半径 (1).按图布置好实验器材，使用单色扩展光源，将牛顿环装置放在读数显微镜工作台毛玻璃中央，并使显微镜筒正对牛顿环装置中心。 (2).调节读数显微镜。 1.调节目镜，使分划板上的十字刻度线清晰可见，并转动目镜，使十字刻度线的横线与显微镜筒的移动方向平行。 2.调节45度反射镜，使显微镜视觉中亮度最大，这时基本上满足入射光垂直于待测量透镜的要求。 1.转动手轮A，使显微镜平移到标尺中部，并调节调焦手轮B，使物镜接近牛顿环装置表面。 2.对显微镜调焦。缓慢地转动调焦手轮B，使显微镜筒由下而上移动进行调焦，直到从目镜中清楚地看到牛顿环干涉条纹且无视差为止；然后移动牛顿环装置，使目镜中十字刻度线交点与牛顿环中心重合 (1).观察条纹的特征。 观察各级条纹的粗细是否一致，其间距有无差异，并做出解释。观察牛顿环中心是亮斑还是暗斑？ (2).测量暗环的直径 转动读数显微镜的读数鼓轮，同时在目镜中观察，使十字刻度线由牛顿环中心缓慢地向一侧移动到43环；然后再回到第42环。自42环起，单方向移动十字刻度，每移3环读数一——直到测量完成另一侧的第42环。并将所测量的第42环到第15环各直径的左右两边的读数记录在表格内。 四、数据处理与结果 1.求透镜的曲率半径。 测出第15环到第42环暗环的直径，取m-n=15,用逐差法求出暗环的直径平方 差的平均值，按算出透镜的曲率半径的平均值R。 R1＝(d422-d272)/[4(42-27]λ= 895.85 mm R2＝(d392-d242)/[4(39-24]λ= 896.97 mm R3＝(d362-d212)/(4(36-21)λ= 887.94mm R4＝(d332-d182)/(4(33-18)λ= 893.30mm
大学物理实验教学中存在的问题及整改措施 摘要：大学物理实验是高等院校理工科学生必修的一门重要基础课，建立现代物理实验教学新体系是大学物理实验教学改革的必然趋势。本文分析了大学物理实验教学的现状，实验教学存在的弊端，指出实验教学改革的必要性，在此基础上提出了改革教学模式、改革教学方法以充分发挥学生的主体性、积极性和创造性，以及改革教学手段和改革实验成绩考核制度，旨在通过对实验教学的改革，切实提高教与学的质量，培育出适应新世纪的创新人才。 关键词：大学物理实验教学问题整改措施 一、引言 大学物理实验作为高校教育的基础学科，是教育部规定的、所有高等院校理工科大学生必修的一门基础课程，是大学生进校后第一门科学实验课程，是一门实践性很强的课程，在培养学生的科学研究、开拓创新能力方面起着启蒙和奠基的作用。其教学目的，一方面是让学生验证和加深理解已学过的基本理论，另一方面有利于培养学生动手能力、思考能力、创新能力，以及运用所学知识解决实际问题的能力和提高学生的科学实验能力和科学实验的素质［１］。然而，如此重要的一门课程，在实际开设过程中，却不能引起一些学生甚至部分老师的重视。 二、大学物理实验教学的现状及存在的问题 1.大学物理实验教学基本上处于一种封闭的状态，多年不变的教学体系和教学内容与当今飞速发展的前沿科学新理论、新技术严重
脱节，二十世纪后期科学技术发展的巨大成就很少能在大学物理实验中得到反映，没有体现出时代的进步［2］。 2.学生对大学物理实验课程的重要性认识不够，对学习的目的不清楚，一些学生在实验操作过程中存在应付、蒙混过关的心理，对实验原理不清楚，只是按照老师讲解或者演示按部就班地完成实验操作、凑出实验数据，甚至存在抄袭或编造实验数据等恶劣行为［3］。 3.实验室设备老化，不能得到及时更新。在一些大学物理实验室，尤其是基础物理实验室，实验仪器陈旧、老化，有一些陈旧仪器甚至是上世纪六七十年代的产品，由于配件早已停产，仪器故障无法维修，即使勉强修复，仪器的精度和性能也都难以保障［4］。 4.一些理工科院系对大学物理实验课程重视不够。在学生课程设置、学时安排等方面不能给大学物理实验课程以足够的保障，这同时也削弱了学生学习大学物理实验课程的积极性。 5.课堂教学为学生预留的独立思考时间不足，学生在实验过程中遇到问题时，一般会立刻向老师请教而不是去主动思考解决，很多教师往往也不是去启发、引导学生自己解决实验中的问题，而是简单地替学生解决问题了事。 6.从实验内容来看，大学物理实验项目偏重经典、教学内容陈旧，教学手段落后、与科学技术发展脱节。从教学手段来看，大学物理实验过于强调严谨、自成体系、按部就班，学生只是被动地接受知识。
物理实验的一些改进教 案 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
物理实验的一些改进 物理是一门以实验为基础的学科，物理实验是培养学生创新能力的最佳途径，要丰富学生的经验和知识离不开物理实验；要培养学生动手、动脑的能力离不开物理实验。因此，认真做好物理实验，改进实验教学方法，对于培养学生创新意识和探究精神具有十分重要的意义。 列举几个实验如下： 一、多数演示实验操作简单效果明显，但也有部分实验按传统的操作方法进行，实验效果较差，达不到预期目的，对于此类实验，教师必须努力创造条件，改进实验方法，增加实验的可见度，便于学生观察。例如“磁场和磁感应线”在中学物理中是2个非常抽象的概念，要让学生建立起这2个概念，必须借助实验。传统的实验方法是将一块磁铁放在玻璃板下，在其上均匀撒些细铁屑，然后轻敲玻璃板，再由教师手托玻璃板绕教室一周，让学生在玻璃板下面直接观察细铁屑的排列情况。这样既浪费时间，同时也不便于观察。如果把玻璃板放在投影仪上，利用投影将细铁屑排列情况反映在大屏幕上，效果会非常好，既节省时间又增加实验的可见性，便于学生观察实验现象。 二、用樟脑丸和醋酸溶液来做浮沉实验：将樟脑丸放入醋酸溶液，樟脑丸的密度比醋酸溶液略微大一些，所以开始时樟脑丸沉入杯底。但由于醋酸与碳酸钠发生化学反应，产生的二氧化碳气体聚
集在樟脑丸的表面，使樟脑丸和气泡这一整体的密度小于液体密度所以樟脑丸浮了起来。当樟脑丸浮到液面时，附在樟脑丸表面上的二氧化碳气体逸出，剩下的气泡连同水对樟脑丸上向的浮力支持不住樟脑丸的重量，于是又沉入杯底。 三、用圆规和橡皮泥做压强实验：用圆规的尖端放在橡皮泥上和平放在橡皮泥上，明显得到的印记深度不一样说明压强与受力面积有关；平放时再用手用力按压一下印记会加深，又说明压强还和压力有关。 四、关于“摩擦”的教学引人，运用滑动摩擦力的大小与压力大小和接触面的粗糙程度之间的关系设计如下一个创新性实验：让两位身体状况接近的同学到前面做“拔河”比赛游戏。两同学分别在板凳一端下面用一只手掌托住板凳，其中一位同学所托板凳一端上面放些重物。两同学同时向两边拉，让学生猜测哪位同学会胜出，并分析胜出的可能原因是什么。两同学分别在板凳一端下面用一只手掌托住板凳，另外，在刚才失败的同学手掌和板凳之间垫上一块毛巾，两同学同时向两边拉，让学生猜测哪位同学会胜出，并分析胜出的可能原因是什么。学生对实验现象非常好奇，激发了学生的兴趣和探究欲望，为下步的探究学习打下了基础。 只要多想多做，学生们都会爱上实验，就会很好的理解知识掌握知识，培养学生学习物理的兴趣。
牛顿环干涉实验的相关问题及研究 第一作者：王梓兆 学号：14051134 院系：航空科学与工程学院 第二作者：左冉东 学号：14051132 院系：航空科学与工程学院
牛顿环干涉实验的相关问题及研究 【摘要】 在判断透镜表面凸凹、精确检验光学元件表面质量、测量透镜表面曲率半径和液体折射率等方面，牛顿环干涉是一种非常常用的方法。通过观察牛顿环并进行计算，可以较为准确地得出结果，但同时，现实中是无法达到完美的理想效果的，所以实验中一定会出现一系列问题，本文对牛顿环干涉实验中出现的若干问题进行了研究。 【关键词】 牛顿环、光的干涉、一元线性回归 【实验原理】 牛顿环是一种光的干涉图样。是牛顿在1675年首先观察到的。将一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块玻璃平板上，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。圆环分布是中间疏、边缘密，圆心在接触点O。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。牛顿环是典型的等厚薄膜干涉。凸透镜的凸球面和玻璃平板之间形成一个厚度均匀变化的圆尖劈形空气簿膜，当平行光垂直射向平凸透镜时，从尖劈形空气膜上、下表面反射的两束光相互叠加而产生干涉。同一半径的圆环处空气膜厚度相同，上、下表面反射光程差
相同，因此使干涉图样呈圆环状。这种由同一厚度薄膜产生同一干涉条纹的干涉称作等厚干涉。 分析光路：将一大曲率半径的平凸玻璃透镜 A放在平板玻璃上即构成牛顿环仪。光源S 通过透镜L产生平行光束，再经倾角为450的 平板玻璃M反射后，垂直照射到平凸透镜上。 入射光分别在空气层的两表面反射后，穿过 M进入读数显微镜下，在显微镜中可以观察 到以接触点为中心的圆环形干涉条纹——牛顿环。 推导公式：根据光的干涉条件，在空气厚度为d的地方，有 2d+λ 2 =kλ（k=1,2,3...）明条纹 2d+λ 2=（2k+1）λ 2 （k=1,2,3...）暗条纹 式中左端的λ 2 为“半波损失”。令r为条纹半径，由右图可知： R2=r2+(R?d)2 化简后得r2=2Re?d2 当R>>d时，上式中的d2可以略去，因此 d=r2 将此式代入上述干涉条件，并化简，得r2=2k?1Rλ 2 k=1,2,3…明环 r2=kλR(k=1,2,3…)暗环 由上式可以看出，若测出了明纹或暗
实验名称：牛顿环测量曲率半径实验 1.实验目的: 1 观察等厚干涉现象，理解等厚干涉的原理和特点 2 学习用牛顿环测定透镜曲率半径 3 正确使用读数显微镜，学习用逐差法处理数据 2.实验仪器: 读数显微镜，钠光灯，牛顿环，入射光调节架 3.实验原理 图1 如图所示，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π，与之对应的光程差为λ/2 ，所以相干的两条光线还具有λ/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 （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 >> e k， e k 2相对于2Re k 是一个小量，可以忽略，所以上式可以简化为 （5） 如果r k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
初中物理实验的若干改进和创新 龙门镇初级中学杨丹 引言物理学是一门以观察和实验为主的科学,实验教学则是物理教学的一种重要手段，在初中物理教学中，根据初中学生的好奇心强、认知能力有限的特点，积极开展物理实验教学，不仅能培养学生的信息收集和整理等基本技能，而且可以培养学生观察能力、思维能力、动手能力以及终生学习和创新的意识，培养学生实事求是的科学态度，激发学生的学习热情。多年来，我在物理教学中通过对实验的不断探究、改进和实践，将教材中几个实验加以改进，达到了良好的教学效果。 一自制简易的实验器材是解决问题的根本途径 1 、自制简易的激光光源 光学实验中的激光光源灯泡很容易坏，也为老师的教学增加了不少麻烦。因此我试着自制了一个简易的激光光源，使整个光学实验顺利完成。方法如下：买一个玩具激光手电筒，在废灯泡芯上取一小段玻璃柱，将玻璃柱装在激光电筒的前盖内，适当调整玻璃柱的角度，一个实用的光源就做好了。 2 、自制浮沉子 演示浮沉条件时，课本上曾用鸡蛋与盐水做或用青霉素的瓶子加水做。在实际操作时前者操作复杂，后者根本不能实现。 我是这样制作的：取一个5cm左右的塑料笔盖，再取一个螺丝旋进笔盖内做配重，另一端用用气球上的橡皮膜扎住，然后放入盛有大半瓶水的矿泉水瓶中，盖紧瓶盖，不能漏气，手捏矿泉水瓶即可实现浮沉，同时可观察到橡皮膜发生形变，说明浮沉的原因。 3、自制灵敏度高的演示温度计 当使用温度计上演示实验课时，可见度非常差，我自制的演示温度计，不但可见性好，而且灵敏度高。用日光灯起辉器的铝质外壳做测温泡，在铝筒口上紧塞一只橡皮塞，塞子的中间钻一小孔，注入红色的墨水适量，再把一内径2-3mm的玻璃管紧插入孔内，并伸到接近底部的位置。在玻璃管背面衬上白色背景的刻度板，就可以做成一个灵敏度高的温度计。可用来演示蒸发吸热，比热容实验。 4.导体与绝缘体的相对性 用一个25W的白炽灯与一个白炽灯的废灯芯串联安在竖放的木板上，用插头接入220V的电压。当用酒精喷灯加热废灯芯到红热状态时，灯泡发光，停止加热，温度降低灯泡又熄灭。此实验应使
等厚干涉牛顿环实验报告 This manuscript was revised on November 28, 2020
等厚干涉——牛顿环 等厚干涉是薄膜干涉的一种。薄膜层的上下表面有一很小的倾角是，从光源发出的光经上下表面反射后在上表面附近相遇时产生干涉，并且厚度相同的地方形成同一干涉条纹，这种干涉就叫等厚干涉。其中牛顿环是等厚干涉的一个最典型的例子，最早为牛顿所发现，但由于他主张微粒子学说而并未能对他做出正确的解释。光的等厚干涉原理在生产实践中育有广泛的应用，它可用于检测透镜的曲率，测量光波波长，精确地测量微笑长度、厚度和角度，检验物体表面的光洁度、平整度等。 一. 实验目的 (1)用牛顿环观察和分析等厚干涉现象； (2)学习利用干涉现象测量透镜的曲率半径； 二. 实验仪器 读数显微镜钠光灯牛顿环仪 三. 实验原理 牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸面放在一块光 学玻璃平板（平镜）上构成的，如图。平凸透镜的凸面与玻 璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，若以平行单光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的两光束存在光程差，他们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的
一系列明暗相间的圆环，称为牛顿环。同一干涉环上各处的空气层厚度是相同的，因此他属于等厚干涉。 图2 图3 由图2可见，若设透镜的曲率半径为R ，与接触点O 相距为r 处空气层的厚度为d ，其几何关系式为 由于r R >>，可以略去d 2得 R r d 22 = （1） 光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平玻璃上反射会有半波损失，，从而带来λ的附加程差，所以总光程差为 2 2λ + =?d （2） 所以暗环的条件是 2 ) 12(λ +=?k （3） 其中 3,2,1, 0=k 为干涉暗条纹的级数。综合（1）（2）（3）式可得第可k 级暗环的半径为 λkR r k =2 （4） 由式（4）可知，如果单色光源的波长λ已知，测出第m 级的暗环半径r m,,即可得出平图透镜的曲率半径R ；反之，如果R 已知，测出r m 后，就可计算出入射单色光波的波长λ。但是用此测量关系式往往误差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触；接触压力会引起局部形变，使接触处成为一个圆形平面，干涉环中心为一暗斑。或者空气间隙层有了灰尘，附加了光程差，干涉环中心为一亮（或暗）斑，均无法确定环
初中物理实验教学存在的问题及改进措施 物理学是一门实验科学，而实验教学又是物理教学的重要组成部分。目前在农村中学开展物理实验教学存在很多问题，主要表现在以下几个方面：一是受客观条件制约，致使实验教学不能正常开展。二是因教师、学生对物理实验重视不够，使物理实验不能正常开展。三是由于受“应试教育”的影响，将实验习题化，变演示实验、学生实验为教师讲实验，学生背实验。四是教师预先选择好实验仪器，设计好实验步骤，学生按教师设计的模式进行实验。 产生该问题的原因分析： 1、客观条件方面的原因 大多数农村中学物理实验仪器、实验设施极度缺乏，虽然部分学校经“普九”对物理仪器进行了配备，但部分易损易耗仪器得不到及时修理或补充，致使实验教学无法正常开展或很少开展。 2、教师方面的原因 有些教师对实验教学存在认识上的误区，不愿意开展实验教学。这主要表现为：（1）认为“做实验不如讲实验，不如做实验练习题”；（2）认为做实验浪费时间，影响教学进度，而考试时又不考学生实验操作，即使对学生进行实验考查也不影响笔试成绩；（3）认为物理现象简单、司空见惯，没有重做实验的必要；（4）有些实验以前做过，但效果不好，不愿意设计新的方案进行实验教学；（5）有些实验准备费时，不愿意多用时间去准备；（6）有些教师怕学生在实验操作过程中损坏仪器。 再次，有些教师因在思想上对实验教学重视不够，从而不愿意钻研实验教学方法，导致实验教学方法单一，不能达到预期效果。 3、学生方面的原因 有些学生没有养成良好的实验习惯，在实验中不遵守规则，不按操作要求做实验，造成仪器损坏，从而影响实验正常开展。另有部分学生错误地认为“实验费时，考试不考动手操作”，没有必要花费这些时间，缺乏主观能动性；个别学生对实验存在畏惧心理，怕实验失败，操作时思想紧张；对一些难度较大的实验，学生不易做成功，不能获得成功的快感，慢慢就会对实验失去兴趣和信心。 采取的几点改进措施： 1、教师应从思想上重视实验 学校应更新观念，在课程设置、经费投入、师资调配和其他相关方面充分考虑物理实验教学的实际需要，在一定程度上对实验教学给予保证。教师要树立以
等厚干涉——牛顿环示范报告 【实验目的】 (1)用牛顿环观察和分析等厚干涉现象； (2)学习利用干涉现象测量透镜的曲率半径； (3)学会使用读数显微镜测距。 【实验原理】 在一块平面玻璃上安放上一焦距很大的平凸透镜，使其凸面与平面相接触，在接触点附近就形成一层空气膜。当用一平行的准单色光垂直照射时，在空气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，形成以接触点为圆心的明暗相间的环状干涉图样， 称为牛顿环，其光路示意图如图。 如果已知入射光波长，并测得第k 级暗环的半径k r ，则可求得透镜的曲率半径R 。但实际测量时，由于透镜和平面玻璃接触时，接触点有压力产生形变或有微尘产生附加光程差，使得干涉条纹的圆心和环级确定困难。用直径 m D 、n D ，有 λ)(42 2 n m D D R n m --= 此为计算R 用的公式，它与附加厚光程差、圆心位置、绝对级次无 关，克服了由这些因素带来的系统误差，并且 m D 、 n D 可以是弦长。 【实验仪器】 JCD3型读数显微镜，牛顿环，钠光灯，凸透镜(包括三爪式透镜夹和固定滑座)。 【实验内容】 1、调整测量装置 按光学实验常用仪器的读数显微镜使用说明进行调整。调整时注意： (1)调节450玻片，使显微镜视场中亮度最大，这时，基本上满足入射光垂直于透镜的要求(下部反光镜不要让反射光到上面去)。 (2)因反射光干涉条纹产生在空气薄膜的上表面，显微镜应对上表面调焦才能找到清晰的干涉图像。 (3)调焦时，显微镜筒应自下而上缓慢地上升，直到看清楚干涉条纹时为止，往下移动显微镜筒时，眼睛一定要离开目镜侧视，防止镜筒压坏牛顿环。 (4)牛顿环三个压紧螺丝不能压得很紧，两个表面要用擦镜纸擦拭干净。 2、观察牛顿环的干涉图样 （1）调整牛顿环仪的三个调节螺丝，在自然光照射下能观察到牛顿环的干涉图样，并将干涉条纹的中心移到牛顿环仪的中心附近。调节螺丝不能太紧，以免中心暗斑太大，甚至损坏牛顿环仪。 （2）把牛顿环仪置于显微镜的正下方，使单色光源与读数显微镜上45?角的反射透明玻璃片等高，旋转反射透明玻璃 ，直至从目镜中能看到明亮均匀的光照。 （3）调节读数显微镜的目镜，使十字叉丝清晰；自下而上调节物镜直至观察到清晰的干涉图样。移动牛顿环仪，使中心暗斑（或亮斑）位于视域中心，调节目镜系统，使叉丝横
等厚干涉——牛顿环 【实验目的】 (1)用牛顿环观察和分析等厚干涉现象； (2)学习利用干涉现象测量透镜的曲率半径； (3)学会使用读数显微镜测距。 【实验原理】 在一块平面玻璃上安放上一焦距很大的平凸透镜，使其凸面与平面相接触，在接触点附近就形成一层空气膜。当用一平行的准单色光垂直照射时，在空气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，形成以接触点为圆心的明暗相间的环状干涉图样，称为牛顿环，其光路示意图如图。 如果已知入射光波长，并测得第k 级暗环的半径 k r ，则可求得透镜 的曲率半径R 。但实际测量时，由于透镜和平面玻璃接触时，接触点有压力产生形变或有微尘产生附加光程差，使得干涉条纹的圆心和环级确定困难。用直径 m D 、n D ，有 λ)(42 2n m D D R n m --= 此为计算R 用的公式，它与附加厚光程差、圆心位置、绝对级次无关，克服了由这些因素带来的系统误差，并且 m D 、n D 可以是弦长。 【实验仪器】 JCD3型读数显微镜，牛顿环，钠光灯，凸透镜(包括三爪式透镜夹和固定滑座)。 【实验内容】 1、调整测量装置 按光学实验常用仪器的读数显微镜使用说明进行调整。调整时注意： (1)调节450玻片，使显微镜视场中亮度最大，这时，基本上满足入射光垂直于透镜的要求(下部反光镜不要让反射光到上面去)。 (2)因反射光干涉条纹产生在空气薄膜的上表面，显微镜应对上表面调焦才能找到清
晰的干涉图像。 (3)调焦时，显微镜筒应自下而上缓慢地上升，直到看清楚干涉条纹时为止，往下移动显微镜筒时，眼睛一定要离开目镜侧视，防止镜筒压坏牛顿环。 (4)牛顿环三个压紧螺丝不能压得很紧，两个表面要用擦镜纸擦拭干净。 2、观察牛顿环的干涉图样 （1）调整牛顿环仪的三个调节螺丝，在自然光照射下能观察到牛顿环的干涉图样，并将干涉条纹的中心移到牛顿环仪的中心附近。调节螺丝不能太紧，以免中心暗斑太大，甚至损坏牛顿环仪。 （2）把牛顿环仪置于显微镜的正下方，使单色光源与读数显微镜上45角的反射透明玻璃片等高，旋转反射透明玻璃，直至从目镜中能看到明亮均匀的光照。 （3）调节读数显微镜的目镜，使十字叉丝清晰；自下而上调节物镜直至观察到清晰的干涉图样。移动牛顿环仪，使中心暗斑（或亮斑）位于视域中心，调节目镜系统，使叉丝横丝与读数显微镜的标尺平行，消除视差。平移读数显微镜，观察待测的各环左右是否都在读数显微镜的读数范围之内。 3、测量牛顿环的直径 （1）选取要测量的m和n(各5环)，如取m为55，50，45，40，35，n为30，25，20，15，10。 （2）转动鼓轮。先使镜筒向左移动，顺序数到55环，再向右转到50 环，使叉丝尽量对准干涉条纹的中心，记录读数。然后继续转动测微鼓轮，使叉丝依次与45，40，35，30，25，20，15，10，环对准，顺次记下读数；再继续转动测微鼓轮，使叉丝依次与圆心右10，15，20，25，30，35，40，45，50，55环对准，也顺次记下各环的读数。注意在一次测量过程中，测微鼓轮应沿一个方向旋转，中途不得反转，以免引起回程差。 4、算出各级牛顿环直径的平方值后，用逐差法处理所得数据，求出 直径平方差的平均值代入公式求出透镜的曲率半径，并算出误差。．注意： (1)近中心的圆环的宽度变化很大，不易测准，故从K=lO左右开始比较好； (2)m-n应取大一些，如取m-n=25左右，每间隔5条读一个数。 (3)应从O数到最大一圈，再多数5圈后退回5圈，开始读第一个数据。 (4)因为暗纹容易对准，所以对准暗纹较合适。，
物理实验教学的几点意见和建议 物理学是一门以实验为基础的自然科学，从物理学产生和发展的过程看，实验是研究问题最基本的手段，它始终发挥着重要的作用。实验教学是物理学科教学的重要组成部分，实验教学既是物理知识教学的基础，也是物理课堂教学中实施素质教育的一种主要渠道和有效手段，在培养学生科学素养中具有独特的地位和全方位的功能。物理教学大纲明确规定了把培养学生的实验技能作为物理教学的目的之一，力求通过实验来加强物理的教学，培养学生的观察能力、操作能力以及分析能力。在新课程大力推广的今天，高中物理中强化实验教学的需要显得尤为重要。 目前在高中物理教学中，实验教学是一个薄弱的环节。学生普遍认为实验题难，采取放弃的态度，得分很低。主要原因是学校和教师受传统教育的影响，普遍存在“重知识、轻方法；重讲授、轻活动；重结论、轻过程”的思想，对实验不够重视，在实验教学中体现如下： 1、通过多媒体“看实验”。过去的实验“看教材”、“看书”，然后“看黑板”，随教学设施的现代化，如今的实验“看录像”、“看投影”。现在多媒体教学非常盛行，虚拟实验，用课件来代替实验。一些原本可以让学生动手做的实验也用多媒体来展示。当然，虚拟实验突出重点和细节，对学生的学习有利，但它毕竟是虚拟的，在一定程度上过于理想化。尽管你制作的课件不违背事实。但它和事实完全是两回事。 2、实验室只进行“程式化实验”。虽然有时学生也动手，但大多是以单纯的机械操作为主，教学方式也比较呆板，要求学生严格的按照步骤操作一遍，观察教师要求学生观察的现象。没有给学生留出足够的想象空间，不利于引导学生突破思维定式，没有给学生留出足够的实验时间和空间。使实验教学流于形式，学生对实验教学的积极性必然会受挫，达不到事半功倍的效果。 3、教室里进行试题实验，就是学生用笔“做实验”。由于高考时间紧任务多，舍不得花大量时间走进实验室，就由教师编制大量实验试题，这不仅增加了学生的学业负担，而且对学生的动手实践能力也产生了一定的影响。也不利于提高学生分析解决问题的能力以及交流与合作的能力。 针对以上现状提出以下几点教学建议： 1、提高教师自身素质。作为一名物理教师，我们要不断的学习应有的实验能力和知识，要有丰富的物理知识，还要有教育学和教学法的知识，更要脚踏实地亲手实践，为提高教学质量发挥根本作用。物理教师要真正运用好物理实验教学，就必须具备良好的实验教学素质。同时还要对物理教学中的疑难实验进行专题学习和研究，从而对实验进行改进。在接受新的实验理论和新的实验思想的同时及时把这些新的物理理念应用于教学中并指导自己的物理实验教学不断向前发展。 2、学生实验探究化。要提高学生实验探究的教学效果，就必须使学生真正进入角色，手、眼、脑、口并用地进行有目的的探索活动。在学生探究课的学习中，要注意以下几个方面：（1）重视课前预习，培养自学习惯。抓好实验预习，提高学生的自主意识和计划性，减少实验操作的忙乱现象，提高了实验效率，而且给同学们充足的时间思考和提出探究问题的机会。（2）指导规范操作，培养实验技能。分组实验学生多，老师少，时间紧。在学生动手操作之前，教师要阐明实验原理、实验目的和要求，介绍实验注意事项等。（3）重视创新思维，营造探索情景。学生实验是协同实验的过程，是学生感性认识和思维活动协同发展的重要过程。在实验中特别要提醒学生观察那些不明显或稍纵即逝但却能反应变化本质的实验现象，以培养学生敏锐的观察力。 比如，在进行“探究弹性势能的表达式”的理论探究教学中，教学设计主要可以分为以下几个环节：
基础物理实验研究性报告 牛顿环干涉 院系名称：宇航学院 专业名称：飞行器设计与工程（航天工程） 第一作者：隋婷婷11151147 第二作者：罗通11151021 二零一二年十一月
摘要 本文根据光的干涉原理，将一曲率半径相当大的平凸玻璃透镜放在一平面玻璃上，构成牛顿环仪。通过测量圆环形干涉条纹——牛顿环的半径和级数算出平凸玻璃透镜的曲率半径。最后，根据光的折射和反射定律，通过精确计算两干涉光束的光程差，给出了牛顿环干涉较严格的条纹半径公式，对误差来源进行了进一步定量分析。 关键词：干涉，牛顿环，光程差，曲率半径 Abstract Based on the principle of interference of light, there is a large radius of curvature of plano-convex glass lens on a flat glass constituting Newton's rings instrument. By measuring the annular interference fringes - the radius of the Newton's rings and progression calculates the radius of curvature of the plano-convex glass lenses. Finally, according to the refraction of light and the law of reflection, the accurate calculation of two interference of the optical path of the light beam given Newton ring interference the more stringent fringes radius formula further quantitative analysis of the error sources. Keywords:interference, Newton's rings, optical path difference, radius of curvature 一、实验原理 如图所示，自光源S发出的光经过 透镜后成为平行光束，再经过倾斜为 45度的平面玻璃反射后，进入读数显 微镜T，在读数显微镜中可以观察到以 接触点为中心的圆环形干涉条纹—— 牛顿环。当光源发出的光是单色光，则 牛顿环是明暗相间的条纹。