例談牛頓環(huán)在實(shí)際中的應(yīng)用與學(xué)習(xí)指導(dǎo)

許冬保

(江西省九江第一中學(xué) 332000)

1 牛頓環(huán)

牛頓環(huán)是牛頓首先觀察到并加以描述的等厚干涉現(xiàn)象.它的裝置如圖1所示，由一個(gè)曲率半徑很大的平凸透鏡放在一塊平面玻璃板上組成.透鏡與玻璃板之間形成一厚度不均勻的空氣層.平行光垂直入射，在反射方向觀察，干涉條紋在空氣層處.干涉條紋是一系列亮暗相間的同心圓；如圖2所示，牛頓環(huán)中心附近干涉條紋的級(jí)次較低，外沿條紋的級(jí)次較高；中心附近條紋間距較寬，外沿條紋較密集.

圖1

式中，h為某處空氣層厚度，λ為波長(zhǎng).中心點(diǎn)透鏡與平面玻璃板相接觸，h=0，滿足暗紋條件k=-1，是一個(gè)暗點(diǎn)，乃半波損失所致.

圖2

結(jié)合亮紋和暗紋條件，有

此外，也可以觀察到透射光的干涉條紋，它們與反射光的干涉條紋亮暗互補(bǔ)，即反射光為亮環(huán)處，透射光為暗環(huán).

2 牛頓環(huán)在實(shí)際中的應(yīng)用

在長(zhǎng)度測(cè)量中，螺旋測(cè)微器精確到10-3cm，可估讀到10-4cm.利用干涉現(xiàn)象測(cè)定涉及長(zhǎng)度的一些量，如透鏡曲率半徑，其計(jì)量至少可精確到半個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)，約10-5cm，可估讀到10-6cm，甚至10-7cm.因此，用干涉方法計(jì)量更為精確，應(yīng)用更加廣泛.

2.1 檢查透鏡曲率

圖3

點(diǎn)評(píng)透鏡曲率是透鏡優(yōu)劣的重要指標(biāo).在檢驗(yàn)中，可根據(jù)牛頓環(huán)的數(shù)量、形狀以及施加壓力來(lái)確定透鏡的曲率和需要研磨的區(qū)域.該問(wèn)題中，干涉條紋在邊緣干涉級(jí)次最小，在中央附近干涉級(jí)次最大.

2.2 測(cè)量透鏡曲率半徑

例2 設(shè)平凸透鏡與平板玻璃良好接觸，兩者間的空氣隙形成牛頓環(huán).用波長(zhǎng)為630.00nm的光波照射，測(cè)得某明環(huán)和其外第10明環(huán)的半徑分別為0.70mm和1.70mm，求透鏡的曲率半徑.

解析設(shè)某明環(huán)對(duì)應(yīng)干涉級(jí)次為j，由牛頓環(huán)條紋半徑公式，有

即

=381.00mm

2.3 測(cè)量單色光波長(zhǎng)

例3 在利用牛頓環(huán)測(cè)未知單色光波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)中.用λ1=450.0nm的藍(lán)光測(cè)得牛頓環(huán)的第3個(gè)亮環(huán)半徑為1.06mm，用某紅光測(cè)得第5個(gè)亮環(huán)半徑為1.77mm，求該紅光波長(zhǎng).

對(duì)波長(zhǎng)為λ2的紅光，有

代入已知數(shù)值，得λ2=697.1nm.

2.4 測(cè)量介質(zhì)折射率

例4 在牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)透鏡與玻璃間充滿某種液體時(shí)，第10個(gè)亮環(huán)直徑由1.40×10-2m變?yōu)?.27×10-2m，試求該液體的折射率.

用直徑表示，有

代入已知數(shù)據(jù)，得n=1.22.

3 學(xué)習(xí)指導(dǎo)

課程標(biāo)準(zhǔn)指出：“科學(xué)探究是人們探索和了解自然、獲得科學(xué)知識(shí)的主要方法.是提出問(wèn)題，形成猜想和假設(shè)，獲取和處理信息，基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思的能力.”可見(jiàn)，科學(xué)探究能力是學(xué)生終身發(fā)展必備的關(guān)鍵能力之一.牛頓環(huán)的定量分析及其在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用，涉及光的干涉理論及相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí).盡管諸如光程差、半波損失的概念，超越教材的基本要求，但是，這些概念對(duì)問(wèn)題的分析并無(wú)太大的影響.學(xué)習(xí)中對(duì)牛頓環(huán)進(jìn)行適度挖掘、拓展，有利于拓寬學(xué)習(xí)的知識(shí)面，豐富認(rèn)知結(jié)構(gòu)，發(fā)展能力，提升素養(yǎng).