牛顿环与劈尖实验论文

光的干涉——牛顿环与劈尖前言：光的干涉是重要的光学现象之一，它为光的波动性提供了重要的实验证据。光的干涉现象广泛的应用于科学研究、工业生产和检测技术中，如用作测量光波波长，精确地测量微小物体的长度、厚度和角度，检测加工工件的光洁度和平整度及机械零件的内应力分布等。目录艾萨克牛顿简介牛顿光学方面的成就牛顿环拓展实验研究光的干涉现象应用实验心得一、艾萨克·牛顿简介艾萨克·牛顿(1643年1月4日~1727年3月31日)爵士，英国皇家学会会员，（SirIsaacNewton)是一位英格兰物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里，对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点，并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性，展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律；从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑，并推动了科学革命。在力学上，牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理。在光学上，他发明了反射式望远镜。二、牛顿光学方面的成就从1670年到1672年，牛顿负责讲授光学。在此期间，他研究了光的折射，表明棱镜可以将白光发散为彩色光谱，而透镜和第二个棱镜可以将彩色光谱重组为白光。他还通过分离出单色的光束，并将其照射到不同的物体上的实验，发现了色光不会改变自身的性质。牛顿还注意到，无论是反射、散射或发射，色光都会保持同样的颜色。因此，我们观察到的颜色是物体与特定有色光相合的结果，而不是物体产生颜色的结果。从这项工作中，他得出了如下结论：任何折光式望远镜都会受到光散射成不同颜色的影响，并因此发明了反射式望远镜（现称作牛顿望远镜）来回避这个问题。他自己打磨镜片，使用牛顿环来检验镜片的光学品质，制造出了优于折光式望远镜的仪器，而这都主要归功于其大直径的镜片。1671年，他在皇家学会上展示了自己的反射式望远镜。皇家学会的兴趣鼓励了牛顿发表他关于色彩的笔记，这在后来扩大为《光学》一书。但当罗伯特?胡克批评了牛顿的某些观点后，牛顿对其很不满并退出了辩论会。两人自此以后成为了敌人，这一直持续到胡克去世。牛顿认为光是由粒子或微粒组成的，并会因加速通过光密介质而折射，但他也不得不将它们与波联系起来，以解释光的衍射现象。而其后世的物理学家们则更加偏爱以纯粹的光波来解释衍射现象。现代的量子力学、光子以及波粒二象性的思想与牛顿对光的理解只有很小的相同点。牛顿环拓展实验研究1.新技术应用的背景自从有了计算机技术的蓬勃发展,图像处理技术的日趋完善,由于其具有很强的灵活度、较高的精度、较好再现性并且可以随时调整,而深入各个领域,例如在航空遥感、医用图像处理和工业领域中的应用等。如果将数字图像技术应用大学物理实验一些微细测量过程中,则可以大大降低操作者的操作强度。并且,由于其具有较高的测量精度,大大减小了在实验过程中的实验误差。牛顿环干涉实验是目前高校普通物理实验中普遍开设的，足见其重要性和示范性。但是实验观测时还是采用显微镜和刻度尺这种传统的方式，存在一定的弊端，有待改进：1.由于读数显微目镜观察口很小，视场范围很窄。2.眼睛一直盯着测微目镜的分划板，容易疲劳，也容易记错条纹数3.干涉暗纹的中心位置定位不准确，误差很大4.转动显微目镜鼓轮容易带进回程误差5.如果中途出现碰撞、振动等干扰，会造成记数失败。现在这里将数字图像技术合理地引入到牛顿环实验中来，以此消除以上弊端，很好的实现了传统方法与现代科技的结合，显著提高可操作性和实验精度。2.理论支持hrR·hrR·o1.平晶和平板玻璃之间形成空气膜，光线垂直入射。2.计算光程差(把空气膜看成劈尖，任意位置的厚度为h)：3.4.明环5．暗环3.研究方法利用特殊的视频摄像头和计算机结合传统光学实验系统，构建廉价的数字图像采集系统，将现代图像处理技术合理地溶入普通物理实验中的光学实验中可增强实验直观性解决实验观察及演示难的问题。通过图像增强、二值化和图像细化锐化处理等数字图像处理技术得到单像素的牛顿环干涉条纹，实现干涉条纹中心的精确定位，提高测量精度。图像结果清晰易见。4.研究内容整个实验装置由牛顿环装置、读数显微镜、钠光灯、电源、CCD数字图像芯片、视频采集系统以及数字图像处理软件等组成。（一）引入摄像头，获取数字图像一.CCD数字摄像头及其参数摄像头是一种视频输入设备，其工作原理大致为：景物通过镜头生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D(模数转换转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了。摄像头具有视频输出功能，可作为一种图像演示设备。二.改进后的实验装置在原来实验装置中的显微镜的目镜后面加装一个与电脑相连的摄像头，摄像头与目镜紧贴即可，其中摄像头作用是替代人的眼睛进行观察，将实验现象清晰地传到电脑上。三.实验操作实验操作与原来的操作稍有不同，一是手动调节摄像头焦距，使调焦后能看清目镜分划板上的叉丝，二是当调节出清晰的干涉条纹后，在测量数据之前，用摄像头通过电脑拍摄下它们的图像。（二）牛顿环干涉条纹的数字化处理过程在干涉暗纹弦长测量中，为了提高实验精度，可通过图像处理技术，得到单像素条纹，然后根据单像素条纹骨架所在的位置计算其弦长。通过摄像头获得的干涉图样还需要进行条纹的图像处理,以便进行计算时采集到更为准确的数据。本实验的图样处理过程如下:(1)条纹灰度处理;(2)条纹边缘增强;(3)条纹锐化处理。（三）实验数据的处理一.定标为了真实反应图样的点与点之间的长度,必须进行单位转换即进行转换因子的确立:巧妙地引入了游标卡尺,将游标卡尺作为参照物,通过CCD摄像头拍摄得定标成像图,选取游标卡尺最小刻度1mm,在成像图中通过测量可以得到转换因子为多少像素/mm.。二.数据处理与比较分别将由传统方法和改进后方法所得数据计算，计算出各自的偏差，以此验证改进的效果。5.研究过程中可能存在的难点一．CCD摄像头、监视器和镜头的选择与配合。二．合适灯光照度的控制。三．图像的灰度处理，边缘增强和锐化处理。6.研究创新之处：一.直接在电脑上观察实验现象扩大了视场范。增强教学的直观性。二.用摄像头代替眼睛观察实验现象的方法，起到保护实验者的眼睛的作用。三.应用数字成像技术，可以最大限度的提高图像的清晰度。四.用数字图像方法测几何距离，重复性好，能满足实验要求。五.在图像上直接测量，避免了实验过程中不小心带进的回程误差。四、光的干涉现象应用 ΔhΔh待测块规λ标准块规平晶1、测细小直径、厚度、微小变化HHba等厚条纹平晶等厚条纹平晶待测元件标准验规标准验规待测透镜暗纹3、检验透镜球表面质量实验心得通过这次的实验，我们懂得了不仅仅学习的是课本上的知识，还有很大程度是培养科学实验技能，了解更多的课外知识，培养了自学能力，通过阅读实验讲义和查阅相关资料，网络课程教学资源，学习理解实验原理，设计思想和测量方法，了解实验仪器的使用方法，等等。独立试验能力，仪器说明书，掌握实验原理及方法，做好平时的准备，分析与研究的能力，理论联系实际的能力，最关键的是我们缺的创新能力