Эксперимент в физике. Физический практикум. - Шутов В. И.
ISBN:5-9221-0632-5
Скачать (прямая ссылка):
• Какую роль играет бипризма Френеля в получении интерференционной картины?
• Выведите формулу для ширины интерференционной полосы в схеме Френеля.
5
п
Контрольные вопросы
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 27
В работе изучается явление интерференции в опыте с кольцами Ньютона, определяется радиус кривизны плоско-выпуклой собирающей линзы, являющейся частью установки для получения интерференционных колец.
Теоретическое введение
При падении световой волны на тонкую прозрачную пластину (или пленку) происходит отражение от обеих поверхностей пластинки. В результате возникают две когерентные световые волны, которые при известных условиях могут интерферировать.
В интерференционном опыте Ньютона роль тонкой пленки, от поверхности которой отражаются когерентные волны, играет воздушный зазор между соприкасающимися друг с другом плоскопараллельной толстой стеклянной пластиной и плоско-выпуклой линзой с большим (порядка 20 см) радиусом кривизны (рис.1).
Рис. 1.
При нормальном падении света интерференционная картина, наблюдаемая в отраженном свете, представляет собой систему концентрических
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ С КОЛЬЦАМИ
НЬЮТОНА
Кольца Ньютона
175
светлых и темных колец, получивших название колец Ньютона. Центры колец находятся в точке касания выпуклой поверхности линзы с плоско-параллельной пластиной, причем в центре интерференционной картины наблюдается темное пятно (рис. 2).
Найдем радиусы г колец Ньютона в случае падения света по нормали к плоской поверхности линзы и пластинке. В этом случае оптическая разность хода До отраженных волн 1 и 2 равна удвоенной толщине 1г воздушного зазора (рис. 1).
В2 = (В - К)2 + г2 и К2 - 2ВЛ + г2. (1)
Здесь В, — радиус кривизны линзы, г — радиус окружности, всем точкам которой соответствует одинаковый зазор 1г. Ввиду малости 1г мы пренебрегли величиной К2 по сравнению с величиной 2В1г. В соответствии с (1) Н = г2/27?.
Чтобы учесть возникающее при отражении от пластины изменение фазы на тт при вычислении разности хода А, надо к величине А о = 21г прибавить Л/2. В результате получится:
К 2
В точках, для которых А = шЛ, возникают рис 2
максимумы, а в точках, для которых А = = (т — 1/2)Л, возникают минимумы интенсивности света. С учетом этого и формулы (I) для радиусов светлых гт и темных г'т интерференционных колец получим
АД, (2)
г'т = ^/{т - 1)ЛД, (3)
где т = 1, 2, 3, ... — порядковый номер кольца.
Соотношения (2) и (3) позволяют в эксперименте определить радиус кривизны В линзы по измеренным значениям радиусов светлых и темных колец при известной длине волны Л света.
Экспериментальная часть
Экспериментальная установка состоит из бинокулярного микроскопа МБС-10, осветителя со светофильтром, оправки с закрепленными в ней п л о с ко п арал л е л ь н о й пластиной и исследуемой плоско-выпуклой линзой, прижатых друг к другу.
176
Кольца Ньютона
Один из окуляров микроскопа вывернут и на его месте стоит насадка с осветителем и светофильтром. Таким образом, включая осветитель, мы освещаем рабочий столик микроскопа квазимонохроматическим светом перпендикулярно его поверхности. Источником света служит лампочка накаливания. Используемый красный светофильтр пропускает свет, длина волны которого Л = 630 =Ь 10 нм. Оправка с пластиной и линзой помещается на рабочем столике микроскопа под его объективом. Перемещая по столику оправку и настраивая микроскоп, добиваются наблюдения четкой интерференционной картины. Измерение радиусов светлых и темных колец производится при помощи измерительной шкалы, цена деления которой зависит от установленного увеличения микроскопа.
По измеренным значениям радиусов гт и г'т и известному значению длины волны Л рассчитывается радиус кривизны линзы. В соответствии с соотношениями (2) и (3) для радиуса кривизны В получаем расчетные формулы:
В =-^-; В = —^—. (4)
(т - 1/2) Л (т - 1)Л
Порядок выполнения и обработка результатов измерений
1. Ознакомьтесь с устройством микроскопа и его настройкой.
2. Поместите на столик микроскопа оправку с пластиной и линзой.
3. Включите осветитель.
4. Настройте микроскоп и добейтесь наблюдения четкой интерференционной картины. Перемещая оправку с пластиной и линзой совместите центр измерительной шкалы с центром интерференционной картины.
5. Проведите измерения радиусов светлых (или темных) интерференционных колец. Для каждого измеренного значения радиуса гт рассчитайте по формулам (4) значение Вт радиуса кривизны линзы. Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу.
т 1 2 3 4 5
гт,мм
Вт , ММ
N
Е Яг
6. Рассчитайте среднее значение радиуса кривизны линзы В = -^=^—
Кольца Ньютона 177
7. Для каждого вычисленного по (4) значения В; оценивают погрешности:
е(В4) = 2е{тт) + е(Х) = ^1 + АВ4 = е(В4Щ.
При оценке погрешностей считать, что Д(гш) = 1 мм.
Для окончательного результата вычисляют АВ, = 1а —-- как поту
грешность прямых измерений.
Окончательный результат запишите в виде: В = В ± АВ .
Контрольные вопросы
• В чем состоит явление интерференции волн?
