基于Matlab牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的仿真研究*

韋 仙　馮中營　康睿丹

(太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系　山西 太原　030008)

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基于Matlab牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的仿真研究*

韋 仙馮中營康睿丹

(太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系山西 太原030008)

根據(jù)光的干涉理論，改變牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)參數(shù),分析干涉條紋的疏密程度，采用Matlab編程，有效地觀測光強(qiáng)分布情況.可將抽象的光學(xué)規(guī)律直觀化，彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件的局限性，與真實(shí)牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)等厚干涉現(xiàn)象的理解.

牛頓環(huán)等厚干涉Matlab仿真

光的干涉現(xiàn)象揭示了光具有波動(dòng)性[1].兩列或幾列光波在空間相遇時(shí)相互疊加，在某些區(qū)域始終加強(qiáng)，在另一些區(qū)域則始終削弱，形成穩(wěn)定的強(qiáng)弱分布的現(xiàn)象.利用計(jì)算機(jī)模擬牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)，一方面不受實(shí)驗(yàn)條件、場地的限制，另一方面能夠直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并通過改變曲率半徑、入射光波、介質(zhì)折射率等參數(shù)，分析牛頓環(huán)的干涉條紋變化與參數(shù)的關(guān)系，有助于學(xué)生理解等厚條紋的形成與特點(diǎn)[2].

1　基本原理

牛頓環(huán)裝置是由曲率半徑較大的平凸透鏡和平板玻璃組成，如圖1所示.

圖1　牛頓環(huán)裝置

在透鏡凸面和平板玻璃間形成一層空氣薄膜，且空氣層以接觸點(diǎn)為中心向四周逐漸增厚，當(dāng)單色光垂直入射到透鏡上時(shí)，入射光將在此空氣薄膜上下兩表面反射，產(chǎn)生相干光，形成的干涉條紋是以接觸點(diǎn)為圓心的一系列明暗相間、內(nèi)疏外密的同心圓環(huán)，稱為牛頓環(huán)[3].

設(shè)R為平凸透鏡的曲率半徑，r為干涉條紋半徑，e為其空氣薄膜的厚度，λ為入射光的波長.則透鏡下表面所反射的光1與玻璃平板上表面的反射光2發(fā)生干涉，兩束相干光的光程差

(1)

由圖1中的幾何關(guān)系可得

由于各處空氣膜的厚度不同，所以光程差也不同，因而會(huì)產(chǎn)生相長或者相消干涉.相長干涉產(chǎn)生明紋的條件是

(2)

得明環(huán)半徑平方為

(3)

相消干涉產(chǎn)生暗紋的條件是

(4)

得暗環(huán)半徑平方為

(5)

2　實(shí)驗(yàn)仿真研究

利用Matlab軟件編程模擬得干涉圖樣，逐一改變?nèi)肷洳ㄩLλ,曲率半徑R和介質(zhì)折射率n這3個(gè)參數(shù)，分析牛頓環(huán)的變化情況[4,5].

2.1曲率半徑對(duì)牛頓環(huán)的影響

分別設(shè)置曲率半徑的值為R1=3m，R2=5m，R3=10m，得出牛頓環(huán)的圖形變化如圖2所示.

(a)R=3 m

(b)R=5 m

(c)R=10 m

由圖2可以看出，隨著曲率半徑的增加，條紋間距逐漸變大，這是由于根據(jù)光程差表達(dá)式及干涉條件知，每級(jí)明或暗環(huán)都與一定的膜厚度e相對(duì)應(yīng)，即介質(zhì)膜上表面同一條等厚線上形成同一級(jí)次的干涉條紋，而條紋級(jí)數(shù)從中心到四周逐級(jí)變大，當(dāng)曲率半徑增大時(shí)，介質(zhì)膜厚度變小，級(jí)數(shù)也隨之變小，說明內(nèi)層條紋向外移動(dòng)，也可由式(3)或者式(5)看出，對(duì)于同一級(jí)條紋，R逐漸增大，明環(huán)(或暗環(huán))的半徑r也隨之增大，所以觀察到條紋變疏的現(xiàn)象.

2.2入射光波對(duì)牛頓環(huán)的影響

選擇不同的入射光波，紫光(λ1=435.8nm)、黃光(λ2=589.3nm)、紅光(λ3=435.8nm)，不同波長對(duì)應(yīng)的干涉圖樣如圖3所示，根據(jù)式(3)或式(5)，明或暗環(huán)的半徑值與波長成正比，即隨著波長逐漸增大，牛頓環(huán)的條紋間距逐漸變寬.

(a)λ=435.8 nm

(b)λ=589.3 nm

(c)λ=435.8 nm

2.3介質(zhì)折射率對(duì)牛頓環(huán)的影響

改變牛頓環(huán)裝置中平凸透鏡間隙介質(zhì)的折射率能夠得到不同的干涉條紋，設(shè)R=5m，單色黃光λ=589.3nm，介質(zhì)折射率分別為空氣(n1=1)、酒精(n2=1.329)、甘油(n3=1.473 0)，從圖4看出，折射率越大，牛頓環(huán)干涉條紋越密，這是由于在式(3)和式(5)中，明環(huán)或者暗環(huán)的半徑值與介質(zhì)折射率成反比.

(a)n=1

(b)n=1.329

(c)n=1.773 0

3　結(jié)論

本文根據(jù)光學(xué)等厚干涉條紋理論，分析入射光波波長、曲率半徑、介質(zhì)折射率對(duì)干涉條紋的影響，并利用Matlab語言編程，通過調(diào)整輸入?yún)?shù)，模擬牛頓環(huán)干涉實(shí)驗(yàn)的光強(qiáng)分布情況，更直觀地顯示隨著參數(shù)改變牛頓環(huán)疏密程度的變化.這種計(jì)算機(jī)仿真的方法廣泛應(yīng)用于理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)的各方面，既彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)中參數(shù)條件難以改變的不足，又解決了實(shí)際實(shí)驗(yàn)中單色光源較難找到的問題，加深學(xué)生理解.當(dāng)然，仿真模擬得再好，也是對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)的一種補(bǔ)充與輔助，任何時(shí)候也不能替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，只有真實(shí)實(shí)驗(yàn)和仿真模擬相結(jié)合，教學(xué)才能達(dá)到更好的效果.

1姚啟鈞.光學(xué)教程(第3版).北京:高等教育出版社,2002

2張三慧.大學(xué)物理學(xué)(第3版).北京：清華大學(xué)出版社,2008

3仉志余,馮中營.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(第3版).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014

4姚琴芬.Matlab語言在物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2011,24(6):52～54

5韓敬,鐘方川.Matlab在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2008,21(1):88～90

The Simulation Study on Newton Ring Experiment Based on Matlab

Wei XianFeng ZhongyingKang Ruidan

(Faculty of Science, Taiyuan Institute of Technology, Taiyuan, Shanxi030008)

According to the theory of optical interference，we can do an analysis of the interference fringe density by changing the Newton ring experiment parameters. And we can effectively observe the distribution of light intensity by Matlab programming. That provide the help for the understanding of the phenomenon of equal thickness interference. It has positive effect to show the abstract optical laws to the students and make up for the limitations of the experimental conditions.

Newton ring; equal thickness interference; Matlab; simulation

韋仙(1988-)，女，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)閴嚎s感知與矩陣填充.

2016-05-12)

*太原工業(yè)學(xué)院院級(jí)青年科學(xué)基金,項(xiàng)目編號(hào)：2014LQ05