牛顿环实验应用拓展
牛顿环实验应用拓展【1】
摘 要：阐述如何利用牛顿环装置，首先通过已知波长的单色光形成牛顿环干涉图样，进行干涉环直径测量;进而以高压汞灯作为光源，通过滤色片，得到不同波长单色光，再通过牛顿环干涉图样直径测量及计算式，计算出该单色光波的波长，令牛顿环装置有更大地应用。
关键词：牛顿环 等厚干涉 波长 高压汞灯 滤色片
应用牛顿环现象可判断透镜表面凸凹、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。
用牛顿环测量球面的曲率半径，也是大学物理实验中的一个典型光学实验。
实验装置较简单，但却可以测量平凸、平凹透镜球面的大曲率半径，且测量精密度较高，实验中通常利用钠光产生分振幅干涉形成环状的等厚干涉图样――牛顿环，对牛顿环的级数和对应直径进行测量，通过计算可以获得被测球面透镜的曲率半径;而如果再将不同波长的入射光照射在牛顿环装置上，也可以形成牛顿环干涉图样，本文将阐述如何利用牛顿环干涉图样，对可见光单色光波长进行测量。
1 牛顿环测量波长原理
1.1 测量球面曲率半径的原理
当一个曲率半径很大的平凸透镜的凸面与平面玻璃接触时，两者间形成空气间隙，如图1，间隙由中心接触点到边缘逐渐增加。
当单色光垂直照射时，由于经空气间隙的上下表面反射的两束光存在光程差，它们在透镜凸面附近相遇时会产生明暗相间、同心圆环状的干涉图样。
由于接触压力会引起玻璃形变，使牛顿环中心呈圆斑形的接触状态，使实际干涉半径与理想不等，造成系统误差，故采用以下解决方法：在空气间隙的边缘做适当垫高，使透镜与平面玻璃在中心处刚好不接触。
因此多了一段附加厚度则可导出：
1.2 牛顿环干涉法测量干涉光波长
2 待测光源选取及仪器装置说明
2.1 光源选取
作为待测光源应具有较大的输出光强和较好的单色性，钠光灯比较适宜作为牛顿环实验的单色光源，选择钠光光源作为 0;根据高压汞灯的输出光谱和发光特点选择高压汞灯中的579.0nm、546.1nm和435.8nm的光谱作为待测光源 1、 2和 3。
2.2 仪器调节和装置说明
首先测量钠光光源的牛顿环干涉图样直径，其步骤按照牛顿环实验步骤进行：光路调整、显微镜调焦、测量干涉环直径等步骤进行。
用高压汞灯作干涉光光源时，笔者获取单色光的方法是，在高压汞灯前加滤色片。
通过滤色片获取不同波长的单色光，以期能形成等厚干涉圆环。
但由于汞灯光源出射窗口温度较高，滤色片不能直接放在汞灯出射口处，故制作了一个简易的接口，使得光线既能通过滤色片出射，而且滤色片距离光源出射窗口有适当的距离，又没有散射的光线影响干涉环的对比度，其效果较好。
3 实验结果
3.1 以钠光 0、待测光源 1、 2和 3为干涉光源的干涉环实验结果，见表1
3.2 不同波长下D2m与m线性关系图线
用钠光灯作为入射光形成的干涉的牛顿环干涉图样(见图3)，对牛顿环直径进行测量，计算出干涉直径D2m，D2m与m关系图线，数据点排列显示D2m与m呈现线性关系。
表1中以 0为入射光时D2m与m相关系数值也显示出其线性相关性。
以高压汞灯作为光源，用滤色片获取不同波长的单色光 1、 2和 3为入射光形成的牛顿环干涉图样，对三个不同干涉波长形成的牛顿环直径分别进行测量，绘制D2m与m关系图线，见图4，各组数据点排列呈现线性关系。
表1中以 1、 2和 3入射光时D2m与m相关系数值也显示出其线性相关性。
3.3 结果分析
从实验现象和结果来看，通过滤色片有效地滤出了高压汞灯里的单色光，在干涉级数相等情况下，干涉环的直径随着波长的减小而减小。
根据不同光波获得的与关系之斜率因子计算，待测波长的测量结果见表2。
用牛顿环干涉法可以测量干涉光的波长，测量精度较高，与波长的公认值相比有较高的正确度。
4 结语
牛顿环干涉实验中，若已知干涉光波长，不仅能测量出牛顿环装置中透镜的球面半径，而且若将待测单色可见光照射在牛顿环装置上，光强足以形成牛顿环干涉图样，利用已知干涉光波长可以计算出待测入射光的波长。
本文从实验的角度阐述了如何利用牛顿环装置进行光波波长的测量，基于笔者对实验理论和实验方法的思考和探索。
根据实验结果的精度以及与公认值的符合程度来看，达到了预期的效果。
故实验教学可以通过对牛顿环等实验的基本物理原理和实验的基本方法的掌握，对一些基础性实验进行拓展，可以引导和培养学生的创新思维、创新能力和综合素质，充分调动学生的主动性和创造性。
(基金项目：上海工程技术大学教学建设项目(项目编号：y201121001))
参考文献：
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[2] 丁慎训，张连芳.物理实验教程[M].北京：清华大学出版社，2005.
[3] 刘才明，许毓敏.对牛顿环干涉试验中若干问题的研究[J].实验室研究与探索，2003，22(6).
[4] 上海工程技术大学物理实验教学部.大学物理实验基础教程[M].上海：东华大学出版社，2008.
[5] 商继敏，冯学超.不同光源对牛顿环实验现象的研究[J].新乡学院学报，2012，29(6).
对牛顿环实验教学的研究【2】
摘 要：牛顿环实验是利用分振幅法获得可相干光束的典型实验，是大学物理实验中的一个基础光学实验。
通过对牛顿环实验教学的研究和思索，采用提出问题、探究问题和拓展实验的教学方式，融入探究式教学的理念和思想。
有助于学生理解和领悟渗透在物理学内容中的物理思维、物理学方法，激发学生对物理实验的兴趣，提升学生解决具体问题的能力，增强学生的自信，提高物理实验课的教学效果。
关键词：牛顿环 问题 能力
牛顿环实验是一个比较经典的利用分振幅法获得相干光束的大学物理实验，传统的做法是用钠光灯做单色光源，通过读数显微镜观察牛顿环，并测出相应级次的牛顿环直径，利用已知光波波长采用逐差法来计算牛顿环平凸透镜的曲率半径。
该实验内容简单、操作难度低、现象单一，学生能按照步骤很快地完成实验，但教学效果并不理想，对培养学生的解决分析问题能力和创新能力、实验操作技能作用并不明显。
通过对牛顿环实验教学的不断研究和思索，笔者在教学过程中采用提出问题、探究问题和拓展实验的教学方式，融入探究式教学的理念和思想。
实践表明，这种教学方式极大地提高了学生的实验兴趣，发挥了学生的主导作用，最大限度地激发了学生在实验中的思维能和动手能力，进而更有效地培养了学生的实验技巧和操作能力。
1 提出问题
相比于传统的实验教学过程，笔者教学过程中在实验开始前先给学生提出一些问题，而这些问题尽可能提醒学生实验操作过程中应注意到的相关细节，促使学生养成仔细观察实验现象的良好习惯，促使学生加深对实验有关物理理论的理解，使实验教学与理论教学有机地结合在一起。
提出的这些问题笔者可以举例说明，如牛顿环实验教学中为何取暗环来测量，而不取明环来测量?鉴于同学上学期已经做过一些物理实验了，对这个问题有些同学稍加思索，就说出了理由：因为暗环人眼容易对准，而明环不易对准。
再如，实验中读数显微镜下方45°反射镜与光源不等高，会给实验带来什么影响?因为这个问题的提出，实验操作结束后，同学们对45°反射镜调节中与光源不等高时的实验现象仍颇为深刻，大家加以思索总结发现：如果45°镜片与光源不等高，光线就不能按正常45°入射，单色光也就不能严格垂直入射到牛顿环上，这时读数显微镜的视场变暗，亮纹和暗纹边缘模糊不清，读数条纹比较困难，增大了实验误差。
再者，如果调节牛顿环仪中下方3个螺栓会出现什么现象，对实验的测量是否有影响?带着疑问，学生在实验操作中对3个螺栓的用力程度、调节松紧比较用心，观察非常仔细。
结果学生发现：若3个螺栓调节过紧，则施加的压力太大，中心暗斑半径变大，条纹也出现稍微的变形;3个螺栓调节得过松，小的扰动和干扰就会造成条纹晃动，不利于观察，并影响了条纹数数的准确度，从而增加实验的偶然误差。
再如，操作中如果发现牛顿环中心出现的是亮斑，而不是暗斑，那又是什么情况造成中心出现了亮斑呢?实验过程中同学们兴致盎然，对发现亮斑的情形，都争相观察，之后静思其原因。
在教师的适度引导下，学生从光程差考虑发现了原因，中心出现亮斑可能是平凸透镜曲面和平板玻璃之间并没有紧密接触，或者接触处可能会有尘埃，从而产生了附加光程差。
通过上述问题的提出和引导，不仅有助于学生顺利完成实验操作，而且激发了学生的好奇心和实验兴趣。
使学生切身感受到，物理实验课并不仅仅是数据测量，实验过程中不仅要测量，还要观察、分析和思考。
这样学生才能真正了解物理学原理，并利于培养学生实验中的观察能力和分析能力，提高了牛顿环实验的教学效果。
2 探究问题
物理��验教学中，教师是课堂教学的组织者，是学生学习的指导者。
学生思维的发展水平高低，很大一部分要靠教师的指导。
实验操作和数据测量结束后，教师可以积极引导，启发学生逐步对牛顿环实验中发现的基本问题进一步深入和拓展，提出一些实验现象和物理理论相结合的问题，引导学生层层深入、趁热打铁，继续对实验进行探究。
牛顿环实验教学中笔者就引导学生继续进一步思考和探究更深层的问题，例如，从已知的等厚干涉物理学原理出发，结合牛顿环实验，理论上分析出牛顿环干涉条纹的典型特点。
再者，为什么使用钠黄光垂直照射牛顿环时，只有经过空气薄膜上下表面反射的这两束光是相干光，能产生干涉条纹?如果光源变了，在平凸透镜上平面和下曲面的.反射光线或平板玻璃上下表面的反射光线能否产生干涉条纹?若能产生干涉条纹，是否比钠黄光更方便测量平凸透镜曲率半径呢?再有，如果把平凸透镜翻过来，还会观察到等厚干涉现象吗? 类似问题很多，可以引导学生举一反三，逐步去发现问题、探究问题、解决问题。
鼓励学生将解决的实验问题以科技小论文的形式撰写，选择优秀的论文将其发表在相应的校报或学术刊物上。
3 拓展实验
随着对牛顿环实验的探究，实验内容越来越丰富，针对这一现象，院校专门设置了开放实验中心和仿真物理实验室。
我们积极鼓励学生按照自己的思想，提出实验内容，设计实验过程，并到开放实验室完成自己设计的实验，开拓了学生的视野和思路，激发了学生对物理实验的兴趣，培养了学生分析、设计和操作的综合能力，收到良好的教学效果。
例如，有的学生马上想到激光的相干性很好，于是尝试用激光代替钠光灯作为光源，观察牛顿环的变化。
有的学生则将平板玻璃和平凸透镜之间充满了二氧化硫，观测条纹变化。
有些仔细观察生活而又充满好奇的同学则直接将眼睛放在载物台上，从而观察条纹变化。
并且，还可以利用仿真软件扩展实验内容，充分发挥计算机三维动画和实时仿真的特点，对仪器的内部结构和操作过程进行形象化的展示，提高了学生实验的兴趣。
4 结语
转变传统实验教学的设计思想，以提问形式带动学生实验，在实验中学生既要操作又要思考，促使学生留心和用心观察实验现象，并加深对物理知识的理解，进而激发了学生的好奇心和实验兴趣。
通过探究问题的方式可以培养学生分析问题和解决问题的能力。
通过对实验内容的拓展，重新构建实验设计思想、实验方法和实验情景，培养了学生改进原有实验和设计新实验的创新能力，开拓了学生的视野和思路。
参考文献
[1] 陈洪叶.由牛顿环实验展开的探究教学尝试[J].物理实验，2005(25)：29-31.
[2] 张秀民.牛顿环实验教学的实践创新功能开发[J].徐州教育学院学报，2008(23)：101-103.