牛顿环产生的干涉条纹是:A. 同心圆环。B. 平行条纹。C. 抛物线形状的条纹。D. 双曲条纹。
A. 同心圆环。
B. 平行条纹。
C. 抛物线形状的条纹。
D. 双曲条纹。
题目解答
答案
解析
本题考查牛顿环干涉条纹的形状,解题思路是根据牛顿环的原理来分析其干涉条纹的特征。
牛顿环是由一块曲率半径较大的平凸透镜放在一块光学平板玻璃上构成的。在透镜和平板玻璃之间形成一个厚度由中心向边缘逐渐增加的空气薄膜。当一束平行光垂直照射到这个装置上时,空气薄膜上下表面反射的光会发生干涉。
设平凸透镜的曲率半径为$R$,与平板玻璃接触点为$O$,距离$O$点$r$处空气薄膜的厚度为$e$。根据几何关系可得$r^{2}=R^{2}-(R - e)^{2}=2Re - e^{2}$,由于$R\gg e$,所以$e^{2}$项可以忽略,即$e=\frac{r^{2}}{2R}$。
对于空气薄膜上下表面反射光的光程差$\Delta = 2e+\frac{\lambda}{2}$(其中$\frac{\lambda}{2}$是由于光从光疏介质(空气)射向光密介质(玻璃)在反射时产生的半波损失),将$e=\frac{r^{2}}{2R}$代入光程差公式可得$\Delta=\frac{r^{2}}{R}+\frac{\lambda}{2}$。
当光程差满足干涉加强条件$\Delta = k\lambda$($k = 1,2,3,\cdots$)时,可得$\frac{r^{2}}{R}+\frac{\lambda}{2}=k\lambda$,进一步化简得到$r=\sqrt{(k - \frac{1}{2})R\lambda}$;当光程差满足干涉减弱条件$\Delta=(2k + 1)\frac{\lambda}{2}$($k = 0,1,2,\cdots$)时,可得$\frac{r^{2}}{R}+\frac{\lambda}{2}=(2k + 1)\frac{\lambda}{2}$,化简得到$r=\sqrt{kR\lambda}$。
从上述推导可以看出,对于同一级干涉条纹($k$值相同),$r$是一个定值,即干涉条纹是以接触点$O$为圆心的同心圆环。