薄膜干涉相邻亮条纹薄膜厚度差,为什么薄膜干涉的厚度要很小 -凯发k8娱乐

实验名称:干涉法测微小量

1. 实验目的:

了解等厚干涉的应用;掌握移测显微镜的使用方法;掌握干涉法测曲率半径和微小直径。

2. 实验器材:

读数显微镜 牛顿环仪 尖劈 钠光源

3. 实验原理

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△’ =2e 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 p ,与之对应的光程差为 l /2 ,所以相干的两条光线还具有 l /2的附加光程差,总的光程差为 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rk,对应的膜厚度为ek ,则 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 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。 尖劈测细丝直径实验原理: 如图2所示,两片叠在一起的玻璃片,在它们的一端夹一直径待测的细丝,于是两玻璃片之间形成一层厚度不均匀的空气劈尖。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劈尖时,会产生干涉现象。因为光程差相等的地方是平行于两玻璃片交线的直线,所以等厚干涉条纹是一组明暗相间、平行于交线的直线。 由于从劈尖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劈尖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 等于劈尖厚度 的两倍,即 此外,当光在空气劈尖的上表面反射时,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p ,与之对应的光程差为l/2 ,所以相干的两条光线还具有l/2的附加光程差,总的光程差为 但是,由于玻璃接触处所到的压力引起了局部的弹性形变,同时因玻璃表面的不洁净所引入的附加程差,使实验中看到的干涉级数并不代表真正的干涉级数n 。为此,我们将(3)式作一些变化,由于干涉条纹是均匀分布的,测量m个条纹的长度为dl,k=m/dl为单位长度的干涉条纹数,l为劈尖两玻璃片交线处到夹细丝处的总长度,则总条纹数n=kl,有

4. 实验内容与步骤

图3 a 读数显微镜,g 分束板,n 牛顿环, s 钠光灯 本实验的主要内容为利用干涉法测量平凸透镜的曲率半径。 1. 观察牛顿环。 (1) 将牛顿环按图3所示放置在读数显微镜镜筒和分束板下方,调节分束板的角度,使通过显微镜目镜观察时视场最亮。 (2) 调节目镜,看清目镜视场的十字叉丝后,使显微镜镜筒下降到接近牛顿环仪然后缓慢上升,直到观察到干涉条纹,再微调分束板角度和显微镜,使条纹清晰。 2. 测牛顿环半径。 (1)使显微镜十字叉丝交点和牛顿环中心重合,并使水平方向的叉丝和标尺平行(与显微镜移动方向平行)。 (2)转动显微镜微调鼓轮,使显微镜沿一个方向移动,同时数出十字叉丝竖丝移过的暗环数,直到竖丝与第45环相切为止。记录标尺读数。 (3) 反向转动鼓轮,当竖丝与第40环相切时,记录读数显微镜上的位置读数,然后继续转动鼓轮,使竖丝依次与第35、30、25、20、15、10、5环相切,顺次记下读数。 (4)继续转动鼓轮,越过干涉圆环中心,记下竖丝依次与另一边的5、10、15、20、25、30、35、40环相切时的读数。 3.利用逐差法处理得到的数据,计算牛顿环半径r。 劈尖测细丝直径 图4 a 读数显微镜,g 分束板,n 劈尖, s 钠光灯 本实验的主要内容为利用干射法测量细丝的直径。 1. 观察干涉条纹。 (1) 将劈尖按图4所示放置在读数显微镜镜筒和分束板下方,调节分束板的角度,使通过显微镜目镜观察时视场最亮。 (2) 调节目镜,看清目镜视场的十字叉丝后,使显微镜镜筒下降到接近劈尖然后缓慢上升,直到观察到干涉条纹,再微调分束板角度和显微镜,使条纹清晰。 2.测量。 (1)使显微镜的十字叉丝的竖直丝与尖劈玻璃交线重合,并使水平叉丝与显微镜镜筒移动方向平行。 (2)在尖劈玻璃面的三个不同部分,测出20条暗纹的总长度,测3组求平均值。重复测量两玻璃片交线到细丝的长度3次并求平均值。 (3)按公式计算细丝直径。

5. 实验记录

6. 数据处理及误差分析

由表分析可知劈尖细丝直径:d=0.0003m

误差分析 1.不能保证每次计数时都正好对准环的中心。 2.牛顿环仪是由平凸透镜和平面玻璃组成的空气膜,由于平凸透镜的球面加工不均匀,球面与平面玻璃鞋处处受到压力而使表面磨损甚至变形,改变了球面的曲率半径。 3.球面与平面接触不良或接触点变动,使测量时干涉条纹的位置发生变动。

7. 思考题及实验小结

1.牛顿环的中心级次是多少?是亮斑还是暗斑? 答:牛顿环中心级次为0,暗斑。 2.为什么说在牛顿环或劈尖实验中测量的干涉条纹数越多,测量的精度越高? 答:在牛顿环或者劈尖实验中测量的干涉条纹数越多,因为测量肯定是有误差的。测量的数据越多了,误差肯定也就越小了。再者,检测到的最大不平点肯定是小于环数的,所以环数越多,测量的点也就越多。 3.在牛顿环实验中,试用最小二乘法处理数据。

实验小结 光的干涉现象表明了光的波动的性质,干涉现象在科学研究与计量技术中有着广泛的应用。 在干涉现象中,不论何种干涉,相邻干涉条纹(亮纹或暗纹)的光程差的改变量都等于相干光的波长,可见光的波长虽然很小,但干涉条纹间的距离或干涉条纹的数目是可以计量的。因此,我们可以通过对干涉条纹数目或条纹移动数目的计量,可以得到以光的波长为单位的光程差。

【基础回顾】?考点一 光的干涉现象的理解?1、光的双缝干涉现象的理解? (1)光能够发生干涉的条件:两光的频率相同,振动步调相同.? (2)双缝干涉形成的条纹是等间距的,两相邻亮条纹或相邻暗条纹间距离与波长成正比,即.? (3)用白光照射双缝时,形成的干涉条纹的特点:中央为白条纹,两侧为彩色条纹.?2、薄膜干涉现象的理解? (1)如图所示,竖直的肥皂薄膜,由于重力的作用,形成上薄下厚的楔形.? (2)光照射到薄膜上时,在膜的前表面aa′和后表面bb′分别反射出来,形成两列频率相同的光波,并且叠加.? (3) 原理分析?①单色光?  在p1、p2处,两个表面反射回来的两列光波的路程差δr等于波长的整数倍.  δr

前面咱们研究了几何光学,从这一节开始咱们将研究波动光学。今天咱们讲光学第三节——《光的干涉》。

那么这节课的学习目标有三个,

第一,能够通过光的干涉现象理解光是一种波。

第二,知道杨氏干涉实验当中明暗条纹产生的原因

第三,掌握光的干涉发生的条件。

第一部分:光学发展史

从初中开始,我们就接触光。那么光的本质到底是怎样的?我们来梳理一下光学的发展历史。

17世纪已经形成了两个对立的学说,一种是微粒说,以牛顿为代表,认为光是一种微粒,认为光是小球样的一个个微粒。另外一种以惠更斯为代表,认为光是一种波,称为波动说。但是无论是微粒说还是波动说,都没有实验依据。靠着牛顿的威望,这一段时间微粒说占上风。

直到19世纪通过光的干涉,光的衍射实验证实了光的波动性,这样波动说就又占到了上风。

19世纪的末期,光电效应被科学家发现。爱因斯坦据此提出了光子说,解释了光电效应的实验,又证实了光具有粒子性。综上光是一种具有波粒二象性的物质。

第二部分:光的干涉实验。

1.知识回顾

前面我们在研究波的干涉时,得到两列波相干的条件:1频率相同,2振动方向相同,3相位差恒定。

回忆一下水波的干涉条纹是怎么形成的? 用两个固定的铁夹子,按照固定的频率往复振动。这样形成的频率相同,相位差恒定形成两列相干波。两列波干涉形成的这样的一个稳定叠加区。

2.杨氏双缝干涉实验

如果光也是波的话,也会有干涉现象。 最早发现光的干涉现象的是1801年英国物理学家托马斯.杨,他就通过这一套仪器观察到了光的干涉。

把这一套仪器简化,可得到这样的一个图形。

最左边是单色光的激光束,然后通过一个开有双缝的挡板。光通过这两个缝隙就形成两个新的波源。两列光波发生干涉,在屏上形成一个明暗相间的条纹。

托马斯.杨的双缝干涉实验,巧妙之处在于相干光源的获得。日常生活中两个光源发出的光,频率不相等相位差不恒定,不是相干光。

相干光必须有相同的频率和振动方向,还有恒定的相位差。一束通过细小单缝的光或者激光,通过双缝变成了两个相干光源,这时候它就可以形成明暗相间的干涉条纹。

3.明暗条纹的位置

哪个位置出现亮条纹,哪个位置出现暗条纹呢?

根据波的叠加原理,如果两列波波峰和波峰相对一定是加强,如果波峰和波谷相对一定是减弱。p1s1和p1s2为光程,二者存在着光程差。若光程差为整数倍的波长,也就是说当s1的光源到p1处为波峰时,s2光源在p1处也为波峰,这样一定是加强的,一定是亮条文。

在双缝干涉实验中,光屏上某点到双缝的路程差为半波长的偶数倍时,该点出现亮条纹;同理,光屏上某点到双缝的路程差为半波长的奇数倍时,两列波在此位置波峰对波谷,该点出现暗条纹.

4.两个相邻明(暗)条纹之间的间距

实验中我们发现:屏离挡板越远,条纹间的距离越大;实验所用光波的波长越大,条纹间的距离也越大;两狭缝距离越近,条纹间的距离也越大。

通过运用几何知识,计算可得相邻两个两条纹之间的距离为

d表示两个狭缝之间的距离,l为挡板与屏间的距离,*为波长。

如果我们用白光做双缝干涉实验的话,由于白光内各种单色光的干涉条纹间距不同,

我们会发现屏上不再是一个单色条纹,而是一个彩色条纹。

第三部分:薄膜干涉

1.薄膜干涉的原理

日常生活中我们经常见到薄膜干涉,如图可以看到铁环上肥皂泡膜出现了五彩的条纹,这个就是我们的薄膜干涉。

原因在于肥皂膜在重力作用下上薄下厚。光到达肥皂泡界面时,发生反射,这一束光在两个界面上发生了反射,这两个反射光频率相同频率,是两束相干光。

从膜的前、后表面反射的两列光波叠加,就出现了明暗相间的干涉条纹;若在白光照射下,则出现彩色干涉条纹。

2.薄膜干涉的应用

(1)增透膜:照相机、望远镜的镜头表面常镀一层透光的薄膜,薄膜的上表面与玻璃表面反射的光发生干涉.两束反射光相互抵消,反射光的能量减少,由于总能量守恒,透射光的能量必然得到增强。一般增透膜的厚度是光在薄膜介质中传播的波长的1/4,即d=1/4(λ)。

(2)用干涉法检查平面:如图甲所示,被检查平面 b与标准样板a之间形成了一个楔形的空气薄膜,用单色光照射时,入射光从空气薄膜的上、下表面反射出两列光波,形成干涉条纹。被检查平面若是平的,空气薄膜厚度相同的各点就位于一条直线上,干涉条纹平行;若被检查表面某些地方不平,那里的空气薄膜产生的干涉条纹将发生弯曲,如图乙所示。

第四部分:课堂小结

结语:以上就是我们这节课的所有内容。咱们今天的课就讲到这里,下课。

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