光的干涉——牛頓環與劈尖前言：光的干涉是重要的光學現象之一，它為光的波動性提供了重要的實驗證據。光的干涉現象廣泛的應用于科學研究、工業生產和檢測技術中，如用作測量光波波長，精確地測量微小物體的長度、厚度和角度，檢測加工工件的光潔度和平整度及機械零件的內應力分布等。目錄艾薩克牛頓簡介牛頓光學方面的成就牛頓環拓展實驗研究光的干涉現象應用實驗心得一、艾薩克·牛頓簡介艾薩克·牛頓(1643年1月4日~1727年3月31日)爵士，英國皇家學會會員，（SirIsaacNewton)是一位英格蘭物理學家、數學家、天文學家、自然哲學家和煉金術士。他在1687年發表的論文《自然哲學的數學原理》里，對萬有引力和三大運動定律進行了描述。這些描述奠定了此后三個世紀里物理世界的科學觀點，并成為了現代工程學的基礎。他通過論證開普勒行星運動定律與他的引力理論間的一致性，展示了地面物體與天體的運動都遵循著相同的自然定律；從而消除了對太陽中心說的最后一絲疑慮，并推動了科學革命。在力學上，牛頓闡明了動量和角動量守恒的原理。在光學上，他發明了反射式望遠鏡。二、牛頓光學方面的成就從1670年到1672年，牛頓負責講授光學。在此期間，他研究了光的折射，表明棱鏡可以將白光發散為彩色光譜，而透鏡和第二個棱鏡可以將彩色光譜重組為白光。他還通過分離出單色的光束，并將其照射到不同的物體上的實驗，發現了色光不會改變自身的性質。牛頓還注意到，無論是反射、散射或發射，色光都會保持同樣的顏色。因此，我們觀察到的顏色是物體與特定有色光相合的結果，而不是物體產生顏色的結果。從這項工作中，他得出了如下結論：任何折光式望遠鏡都會受到光散射成不同顏色的影響，并因此發明了反射式望遠鏡（現稱作牛頓望遠鏡）來回避這個問題。他自己打磨鏡片，使用牛頓環來檢驗鏡片的光學品質，制造出了優于折光式望遠鏡的儀器，而這都主要歸功于其大直徑的鏡片。1671年，他在皇家學會上展示了自己的反射式望遠鏡。皇家學會的興趣鼓勵了牛頓發表他關于色彩的筆記，這在后來擴大為《光學》一書。但當羅伯特?胡克批評了牛頓的某些觀點后，牛頓對其很不滿并退出了辯論會。兩人自此以后成為了敵人，這一直持續到胡克去世。牛頓認為光是由粒子或微粒組成的，并會因加速通過光密介質而折射，但他也不得不將它們與波聯系起來，以解釋光的衍射現象。而其后世的物理學家們則更加偏愛以純粹的光波來解釋衍射現象。現代的量子力學、光子以及波粒二象性的思想與牛頓對光的理解只有很小的相同點。牛頓環拓展實驗研究1.新技術應用的背景自從有了計算機技術的蓬勃發展,圖像處理技術的日趨完善,由于其具有很強的靈活度、較高的精度、較好再現性并且可以隨時調整,而深入各個領域,例如在航空遙感、醫用圖像處理和工業領域中的應用等。如果將數字圖像技術應用大學物理實驗一些微細測量過程中,則可以大大降低操作者的操作強度。并且,由于其具有較高的測量精度,大大減小了在實驗過程中的實驗誤差。牛頓環干涉實驗是目前高校普通物理實驗中普遍開設的，足見其重要性和示范性。但是實驗觀測時還是采用顯微鏡和刻度尺這種傳統的方式，存在一定的弊端，有待改進：1.由于讀數顯微目鏡觀察口很小，視場范圍很窄。2.眼睛一直盯著測微目鏡的分劃板，容易疲勞，也容易記錯條紋數3.干涉暗紋的中心位置定位不準確，誤差很大4.轉動顯微目鏡鼓輪容易帶進回程誤差5.如果中途出現碰撞、振動等干擾，會造成記數失敗。現在這里將數字圖像技術合理地引入到牛頓環實驗中來，以此消除以上弊端，很好的實現了傳統方法與現代科技的結合，顯著提高可操作性和實驗精度。2.理論支持hrR·hrR·o1.平晶和平板玻璃之間形成空氣膜，光線垂直入射。2.計算光程差(把空氣膜看成劈尖，任意位置的厚度為h)：3.4.明環5．暗環3.研究方法利用特殊的視頻攝像頭和計算機結合傳統光學實驗系統，構建廉價的數字圖像采集系統，將現代圖像處理技術合理地溶入普通物理實驗中的光學實驗中可增強實驗直觀性解決實驗觀察及演示難的問題。通過圖像增強、二值化和圖像細化銳化處理等數字圖像處理技術得到單像素的牛頓環干涉條紋，實現干涉條紋中心的精確定位，提高測量精度。圖像結果清晰易見。4.研究內容整個實驗裝置由牛頓環裝置、讀數顯微鏡、鈉光燈、電源、CCD數字圖像芯片、視頻采集系統以及數字圖像處理軟件等組成。（一）引入攝像頭，獲取數字圖像一.CCD數字攝像頭及其參數攝像頭是一種視頻輸入設備，其工作原理大致為：景物通過鏡頭生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉為電信號，經過A/D(模數轉換轉換后變為數字圖像信號，再送到數字信號處理芯片中加工處理，再通過USB接口傳輸到電腦中處理，通過顯示器就可以看到圖像了。攝像頭具有視頻輸出功能，可作為一種圖像演示設備。二.改進后的實驗裝置在原來實驗裝置中的顯微鏡的目鏡后面加裝一個與電腦相連的攝像頭，攝像頭與目鏡緊貼即可，其中攝像頭作用是替代人的眼睛進行觀察，將實驗現象清晰地傳到電腦上。三.實驗操作實驗操作與原來的操作稍有不同，一是手動調節攝像頭焦距，使調焦后能看清目鏡分劃板上的叉絲，二是當調節出清晰的干涉條紋后，在測量數據之前，用攝像頭通過電腦拍攝下它們的圖像。（二）牛頓環干涉條紋的數字化處理過程在干涉暗紋弦長測量中，為了提高實驗精度，可通過圖像處理技術，得到單像素條紋，然后根據單像素條紋骨架所在的位置計算其弦長。通過攝像頭獲得的干涉圖樣還需要進行條紋的圖像處理,以便進行計算時采集到更為準確的數據。本實驗的圖樣處理過程如下:(1)條紋灰度處理;(2)條紋邊緣增強;(3)條紋銳化處理。（三）實驗數據的處理一.定標為了真實反應圖樣的點與點之間的長度,必須進行單位轉換即進行轉換因子的確立:巧妙地引入了游標卡尺,將游標卡尺作為參照物,通過CCD攝像頭拍攝得定標成像圖,選取游標卡尺最小刻度1mm,在成像圖中通過測量可以得到轉換因子為多少像素/mm.。二.數據處理與比較分別將由傳統方法和改進后方法所得數據計算，計算出各自的偏差，以此驗證改進的效果。5.研究過程中可能存在的難點一．CCD攝像頭、監視器和鏡頭的選擇與配合。二．合適燈光照度的控制。三．圖像的灰度處理，邊緣增強和銳化處理。6.研究創新之處：一.直接在電腦上觀察實驗現象擴大了視場范。增強教學的直觀性。二.用攝像頭代替眼睛觀察實驗現象的方法，起到保護實驗者的眼睛的作用。三.應用數字成像技術，可以最大限度的提高圖像的清晰度。四.用數字圖像方法測幾何距離，重復性好，能滿足實驗要求。五.在圖像上直接測量，避免了實驗過程中不小心帶進的回程誤差。四、光的干涉現象應用 ΔhΔh待測塊規λ標準塊規平晶1、測細小直徑、厚度、微小變化HHba等厚條紋平晶等厚條紋平晶待測元件標準驗規標準驗規待測透鏡暗紋3、檢驗透鏡球表面質量實驗心得通過這次的實驗，我們懂得了不僅僅學習的是課本上的知識，還有很大程度是培養科學實驗技能，了解更多的課外知識，培養了自學能力，通過閱讀實驗講義和查閱相關資料，網絡課程教學資源，學習理解實驗原理，設計思想和測量方法，了解實驗儀器的使用方法，等等。獨立試驗能力，儀器說明書，掌握實驗原理及方法，做好平時的準備，分析與研究的能力，理論聯系實際的能力，最關鍵的是我們缺的創新能力