【大学物理实验:等厚干涉(牛顿环)】在大学物理实验中，等厚干涉是一个重要的光学实验项目，其中“牛顿环”是最典型的例子之一。该实验通过观察光的干涉现象，帮助学生理解光波的叠加原理以及薄膜干涉的基本规律。本实验不仅有助于加深对波动光学的理解，还能培养学生的实验操作能力和数据分析能力。
一、实验目的
| 序号 | 实验目的 |
| 1 | 理解等厚干涉的基本原理及牛顿环的形成机制 |
| 2 | 掌握使用读数显微镜测量牛顿环直径的方法 |
| 3 | 学会利用干涉条纹计算透镜曲率半径 |
| 4 | 培养实验数据处理和误差分析的能力 |
二、实验原理
牛顿环是由一个平凸透镜与一个平面玻璃板接触时，在两者之间形成的空气薄膜所产生的一种等厚干涉现象。当单色光垂直照射到该系统上时，由于光在空气膜上下表面的反射，会产生干涉条纹。这些条纹呈现为同心圆环状，称为牛顿环。
根据等厚干涉公式：
$$
r_n^2 = \left(n - \frac{1}{2}\right)\lambda R
$$
其中：
- $ r_n $：第n个暗环的半径
- $ \lambda $：入射光的波长
- $ R $：平凸透镜的曲率半径
- $ n $：干涉级次
通过测量不同环的直径，可以计算出透镜的曲率半径 $ R $。
三、实验器材
| 序号 | 器材名称 | 作用说明 |
| 1 | 牛顿环装置 | 提供平凸透镜与平面玻璃板的接触面 |
| 2 | 氦氖激光器 | 提供单色光源 |
| 3 | 读数显微镜 | 测量牛顿环的直径 |
| 4 | 金属尺 | 测量透镜与玻璃板之间的距离 |
| 5 | 支架与调节装置 | 固定和调节实验装置 |
四、实验步骤
| 步骤 | 操作内容 |
| 1 | 调整牛顿环装置，使透镜与玻璃板良好接触 |
| 2 | 将激光器对准牛顿环装置，调整光路 |
| 3 | 使用读数显微镜观察并记录牛顿环图像 |
| 4 | 测量多个牛顿环的直径，记录数据 |
| 5 | 根据公式计算透镜的曲率半径 |
五、数据处理与结果分析
假设测得第n个暗环的直径为 $ D_n $，则其半径为 $ r_n = D_n / 2 $。将各环直径代入公式，可计算出透镜的曲率半径 $ R $。
例如，若测得第5环的直径为 $ D_5 = 2.80 \, \text{mm} $，波长 $ \lambda = 632.8 \, \text{nm} $，则：
$$
r_5^2 = \left(5 - \frac{1}{2}\right) \times 632.8 \times 10^{-9} \times R
$$
$$
(1.40)^2 = 4.5 \times 632.8 \times 10^{-9} \times R
$$
$$
R \approx 1.47 \, \text{m}
$$
六、实验注意事项
| 注意事项 | 内容说明 |
| 1 | 光路应调至垂直入射，避免倾斜造成误差 |
| 2 | 显微镜调节要细致，确保清晰观察干涉条纹 |
| 3 | 测量时应多次重复，提高数据准确性 |
| 4 | 避免手直接接触透镜和玻璃板，防止污染或损坏 |
七、实验结论
通过本次实验，我们成功观察到了牛顿环的干涉条纹，并利用等厚干涉原理计算出了平凸透镜的曲率半径。实验结果表明，理论公式与实际测量基本一致，验证了等厚干涉的正确性。同时，也提高了我们在实验操作、数据处理和误差分析方面的能力。
总结：
牛顿环实验是大学物理教学中一个经典而重要的实验，它不仅展示了光的波动性质，还让学生在实践中掌握了干涉现象的分析方法。通过合理的实验设计和严谨的数据处理，能够有效提升学生的科学素养和实验技能。
