用光屏直接展现牛顿环纹的实验探索.pdf

314 201 1年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会论文集 用光屏直接展现牛顿环纹的实验探索 赵谊宁郑曦孔祥翔钱锋 (东南大学，南京211189) 摘要在物理实验课程的学习过程中，我们出于好奇与兴趣，设计了“用光屏直 接展现牛顿环纹”的实验方案，在光屏上观测到了五套非定域牛顿环 纹．本文描述了五套牛顿环纹的物理现象，并作了分析和解释．作为对基 础实验的一个拓展，本实验加深了我们对抽象光学原理的理解和认识． 关键词牛顿环；光屏展现；激光；干涉；非定域 1问题的提出 牛顿环和劈尖干涉实验是大学物理实验课程中一个经典的光学实验．该实验巧妙地向人 们展示了光的干涉现象．实验结束后，我们兴趣不减，想把在测量显微镜下观察到的牛顿环 纹能在光屏上直接展现出来． 于是，我们开始设计“用光屏直接展现牛顿环纹”的实验方案．在实验探索过程中，我 们发现了一些出乎意料的光学现象，通过老师的指点，我们进行了自主学习与研究，对实验 现象的产生给出了分析和解释． 2实验光路的设计 图l是我们最初设计的牛顿环纹观测装置的光路图． 弋=。∥’ r]．／卜、一 主光轴一 u’＼卜／z么 澈光器扩束镜准直镜牛顿：不 成像jN． 光屏 图1观测光路(透射式) 按图l搭好实验光路后，我们没能观测到牛顿环纹．原因主要是干涉条纹可见度太低， 不易分辨出光强极大值和极小值．文献【2】中理论计算得出：透射牛顿环的可见度仅为10％， 而反射牛顿环的可见度为90％．由此可见，反射牛顿环的可见度要远远高于透射牛顿环的可 见度． 因此，我们改变了光路设计，用反射式牛顿环观测装置(如图2)重新进行了实验，看 赵谊宁、郑曦。东南大学临床医学院09级本科在读． 孔祥翔、钱锋，指导教师，东南大学物理系． 2011年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会论文集 315 到了清晰的牛顿环条纹同时还惊讶地看到了一些出乎我们原来料想的光学图像 图3光屏上牛顿环纹照片 2)当汾着平行光的方向前后移动牛顿环装置时，环纹1、2、3、5会出现“吞吐”环现 象，即牛顿环纹中心的明暗是会变化的．但环纹4的中心始终是暗斑如果拿掉牛顿环装置 中的平板玻璃，只留下平凸透镜，则在光屏上只能观测到环纹3，环纹1、2、4、5全部消 失困此，5套牛顿环纹中只有环纹3的产生不依赖于平扳玻璃 3)用激光作为光源，看到光屏上出现的5套牛顿环纹均为非定域条纹 4对于实验现象的分析和解释 如|芏}4所示：牛顿环装置是由四个反射面组成的光学系统从上到下我们依次命名为A 316 201 1年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会论文集 B、C、D面．平行光射入牛顿环装置后在四个面上产生的反射光依次命名为A、B、C、D光． 图4牛顿环装置的构造 1)实验现象的一种解释 实验中我们已经用平凸透镜判断出环纹3是A光与B光干涉形成的单套环纹．环纹1、 2和4、5是两对像双胞胎一样的环纹，我们认为是光线在B、C面和B、D面之间发生两次 反射后分别与B光干涉形成的环纹． 2)实验现象的另一种解释 文献【3】从理论上讨论了A、B、C三个面反射光束指出：如果平行光垂直入射牛顿环装 置，则A光为平面波光束，B光为球面波光束，而C光因为B面的屈光作用，也会成为球 面波光束．受此文献启发，我们认为D光也为球面波光束，且C光球面波与D光球面波的 球心基本重叠．据此我们做如下解释