基于多功能型分光仪上的创新实验——牛顿环

崔腾飞，孙敬姝

(吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012)

共轴是光学实验最重要的条件[1]，但是在光学导轨上实验时，调节过程复杂且不精准. 为些笔者设计了多功能型分光仪做牛顿环实验，介绍了其优点以及在培养学生们创新性和动手能力，即：一方面，分光仪可以很容易进行共轴调节(调节过程需要运用自准直原理、透镜成像规律等)；另一方面，根据实验目的，学生可自主设计实验内容. 牛顿环是用分振幅方法产生的等厚干涉现象，利用它可以测量平凸透镜表面的曲率半径. 本文详细介绍了改装多功能型分光仪的方法，并且用改装完成的分光仪，搭建牛顿环实验装置，对平凸透镜曲率半径进行测量.

1 多功能型分光仪简介

多功能型分光仪是优于传统分光仪的精密光学仪器，各部件灵活多变，共轴调节简单方便，精准度高. 相比于传统的分光仪，其最大的优势在于能平移准直管和望远镜，并且可以任意拆卸和再组装各部件，可以搭建各种光学实验装置. 另外，扩大了载物平台的面积，可以同时摆放多个光学器件. 利用多功能分光仪并选择合适的透镜还能将望远镜改装成显微镜，再通过合理地设计实验，能够完成所有的普通光学实验.多功能型分光仪装置结构如图1所示[1].

1.目镜 2.望远镜平移滑道 3.望远镜平移调节手柄 4.望远镜5.望远镜物镜 6.单狭缝 7.准直管 8.准直管物镜 9.准直管平移滑道 10.准直管平移调节手柄 11.载物台图1 多功能型分光仪实验装置图

2 实验设计

2.1 多功能型分光仪的调节和改造

首先调节分光仪，使其处于正常的工作状态,具体调节步骤参考文献[3]. 分光仪调节完成后，再把望远镜改造成放大倍数为1倍的移测显微镜，因为望远镜的筒长约为140 mm，需要将望远镜物镜换成焦距为70 mm的凸透镜，望远镜的目镜更换为测微目镜. 同时，还要把单狭缝改为带有毛玻璃的小孔，并选用钠光(或红色LED)灯作为光源.

2.2 移测显微镜的定标

将测微目镜去掉目镜，这样就得到mm标尺物屏，置于分光仪载物台上，作为移测显微镜的定标物，平移移测显微镜，使标尺物屏距离移测显微镜物镜约140 mm，此时物像之比为1∶1. 通过移测显微镜一边观察一边微调移测显微镜镜筒的长度或平移镜筒，让移测显微镜中测微目镜里的标尺刻度线与标尺物屏的刻度线重合，此时，移测显微镜的定标完成[3].

2.3 搭建牛顿环实验装置

移测显微镜的定标完成后，按图2搭建好牛顿环实验装置，通过移测显微镜可以观察到牛顿环干涉条纹如图3所示[3].

图2 牛顿环实验光路图

图3 牛顿环干涉条纹

2.4 测量平凸透镜的曲率半径及数据处理

为了能够体现出基于分光仪的实验装置与传统装置的对比，本次实验分别利用2种装置进行测量. 首先找到视场中的叉丝，旋转测微目镜鼓轮， 使叉丝对准中间的刻度. 再左右微调牛顿环仪方位，使叉丝对准环心. 然后把叉丝向左移动至第5环暗纹左侧，以此为起点，从左向右移动叉丝，依次记录下当叉丝对准第5环及第25环暗环外侧切线时对应的坐标值L5′，L5和L25(见图3)，重复测量5次. 为消除测微目镜回程差的影响，再按照从右向左的方向移动叉丝，依次记录第5环和第25环暗环外侧切线对应的坐标值L5和L5′和L25′，同样重复测量得到5组数据.

2.4.1 多功能型分光仪测得的数据及处理

取钠光波长为λ=589.3 nm[4],测量的条纹级数间隔为20，即k2-k1=20. 另外，第5环和第25环暗环半径分别为rk1和rk2，有rk2+rk1=|L25-L5′|和rk2-rk1=|L25-L5|或者rk2+rk1=|L25′-L5|和rk2-rk1=|L25′-L5′|. 通过

可计算出每组的平凸透镜的曲率半径Ri，然后再取平均值. 测量实验数据和计算结果如表1所示.

表1 测量平凸透镜曲率半径相关数据1 (mm)

由表1中的10组Ri计算出曲率半径的平均值为R=440.076 mm.

2.4.2 传统装置实验测得的数据及处理

基于传统装置测得实验数据及计算结果如表2所示.

采取同样的计算方法，由表2中数据计算出曲率半径的平均值为R=433.93 mm.

2种装置实验得到的结果，都给出了大小十分接近的值，说明在本次创新性实验完全满足教学实验误差范围的要求.

表2 测量平凸透镜曲率半径相关数据2 (mm)

3 结束语

多功能型分光仪各部件灵活多变，共轴调节简单方便，精准度高，同时通过变换配件可以搭建各种光学实验装置. 如学生可以根据实验内容的需求自主选择所需使用仪器部件，合理地设计实验步骤，再在多功能型分光仪上搭建实验装置. 这是自主完成的科学实验，可以摆脱教条式的普通物理实验教学模式. 如此学生不但能够更好地掌握理论课教学内容，而且潜移默化地培养了创新能力. 因此，可以说像多功能型分光仪这种创新性实验装置在培养学生创新性方面起着十分重要的作用[5-6].