11285

Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона

Лабораторная работа

Физика

Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения радиуса кривизны линзы. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в ла

Русский

2013-04-05

260 KB

208 чел.

Определение радиуса кривизны линзы

с помощью колец Ньютона

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения радиуса кривизны линзы. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор проф., д.т.н. В.С. Кунаков

© Издательский центр ДГТУ, 2010

Цель работы:  1. Определение  радиуса кривизны линзы с помощью  колец Ньютона.

                           2. Определение длины волны света по известному    радиусу кривизны линзы.

Оборудование:   Микроскоп, осветитель, плосковыпуклая линза, плоскопараллельная пластинка, светофильтры.

 

Теория метода


       Схема опыта для получения интерференции в виде колец Ньютона приведена на рис. 1. Плосковыпуклая линза большого радиуса кривизны  накладывается выпуклой стороной на плоскую стеклянную пластинку. Между соприкасающимися в точке А поверхностями линзы и пластинки образуется клинообразный воздушный слой. Если на такую систему вертикально сверху падает пучок монохроматического света, то световые волны, отраженные от нижней поверхности линзы (луч 1) и верхней поверхности пластинки (луч 2), будут интерферировать между собой. При этом образуются интерференционные линии, имеющие форму концентрических светлых и темных колец (рис. 2).    

При отражении от нижней пластинки, представляющей оптически более плотную среду, чем воздух, волны меняют фазу на противоположную, что эквивалентно уменьшению пути на . В месте соприкосновения линзы с пластинкой (рис. 1) толщина воздушной прослойки значительно меньше длины волны. Поэтому разность хода между лучами, возникающими в этой точке, определяется лишь потерей полуволны при отражении от пластинки: . Следовательно, в центре интерференционной картины (рис. 2) наблюдается темное пятно.

Оптическая разность хода в отражённом свете при интерференции  в тонких плёнках в случае нормального падения света:

      (1)

Условие минимума при интерференции:

,      (2)

где -порядок интерференционного минимума,  - показатель преломления воздуха, - толщина воздушного зазора, - длина волны света в вакууме.

Приравниваем (1) и (2):

        (3)

Из прямоугольного треугольника ODC (рис. 1) по теореме Пифагора:

Учитывая, что , т.к.  получаем:

 ,        (4)

где - радиус кривизны линзы.

Подставляя (4) в (3), получаем:

      .

Учитывая, что диаметр кольца , а , получаем формулу для расчёта радиуса кривизны линзы:

,        (5)

где - номер кольца,  - диаметр - го тёмного кольца.

Для более точного результата необходимо сделать измерения двух колец и по разности их диаметров получить рабочую формулу для определения радиуса кривизны линзы:

 ,      (6)

где  и  - номера колец.

Из формулы (6) мы можем получить формулу для расчёта длины волны света по известному радиусу кривизны линзы:

             .           (7)

Описание экспериментальной установки

Установка для наблюдения колец Ньютона и проведения измерений (рис.3) представляет собой микроскоп 1. На предметный столик 2 микроскопа помещена система: плоско-выпуклая линза с плоско- параллельной пластинкой в оправе 3. Свет от лампочки  через линзу 4 параллельным пучком падает на монохроматический светофильтр 5 и полупрозрачную пластинку 6, расположенную под углом 45º к лучам падающего света. Отражённый от пластинки 6 свет падает на систему линза-пластинка, после отражения от которых свет попадает в объектив микроскопа. Интерференционная картина рассматривается через окуляр микроскопа 7. В поле зрения микроскопа наблюдатель будет видеть  кольца Ньютона в увеличенном виде. Окуляр микроскопа снабжён окулярным микрометром (специальная шкала с перекрестием), с помощью которого измеряются радиусы (диаметры) колец Ньютона (рис. 2). Цена деления шкалы микрометра зависит от длины тубуса микроскопа 8 (таблица находится на рабочем столе). Перемещением тубуса 9 добиваются фокусировки микроскопа, т.е. резкого изображения колец Ньютона в фокальной плоскости окуляра.

К лабораторной работе прилагается переводная таблица, в которой указано, какой линейной величине на объекте соответствует одно деление шкалы 8 окулярного микрометра.

Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений

ЗАДАНИЕ 1. Определение радиуса кривизны линзы

  1.     Установить по заданию преподавателя длину тубуса .
  2.     Определить цену деления микроскопа (с) по длине тубуса  и по таблице перевода, представленной на рабочем столе.
  3.     Установить на пути лучей светофильтр с известной длиной волны по заданию преподавателя (например, красный).
  4.     Измерить по окулярному микрометру микроскопа диаметры нескольких колец Ньютона, начиная с первого (не менее пяти). Для этого для выбранного кольца отметить число делений на шкале слева () и справа () от центра. Разность между этими значениями даёт диаметр данного кольца (в делениях):

-.

Например, на рис. 2 для 5-го тёмного кольца =12 делений, а =48 делений. Следовательно, диаметр 5-го тёмного кольца равен 36 делений.

  1.     Диаметр колец Ньютона (в ) определяется по формуле:

.   

  1.     Вычислить по формуле (6) радиус кривизны линзы три раза (для разных сочетаний  и ).
  2.     Найти среднее значение радиуса кривизны линзы.
  3.     Результаты эксперимента занести в таблицу 1.

Таблица 1.

Но-мера колец

кра-

сный

 

 

 

%

 1

 2

 3

 4

 5

 6

Ср

  1.     Вычислить абсолютную () и относительную () погрешности по формулам:

;   .

Окончательный результат записывается в виде:

.

ЗАДАНИЕ 2. Определение длины световой волны

  1.  Установить на пути лучей светофильтр с неизвестной длиной волны (например, зелёный).
  2.  Занести в таблицу 2 среднее значение радиуса кривизны линзы, полученного в задании 1.
  3.  Повторить пункты (2 -5) задания 1 для данного светофильтра.
  4.  Вычислить по формуле (7) длину волны три раза (для разных сочетаний  и ).
  5.  Найти среднее значение длины волны зелёного света.

   Результаты эксперимента занести в таблицу 2.

Таблица 2.

Но-мера колец

 

Зелён

 

 

 

%

 1

 2

 3

 4

 5

 6

Ср.

6.   Вычислить абсолютную () и относительную () погрешности

    по формулам:

;        

Окончательный результат записывается в виде:

.

Контрольные вопросы

  1.  Что называется интерференцией света?
  2.  Почему интерференция считается одним из основных доказательств волновой природы света?
  3.  Почему интерференционная картина в белом свете имеет радужную окраску?
  4.  Что такое оптическая разность хода лучей?
  5.  Какие лучи называются когерентными?
  6.  Условия максимума и минимума при интерференции.
  7.  Способ получения интерференционной картины в виде колец Ньютона?
  8.  Как получаются кольца Ньютона?
  9.  Вывести радиусы тёмных колец в отражённом свете.
  10.  Вывести радиусы светлых колец в отражённом свете.
  11.  Чем отличаются кольца в отражённом и проходящем свете?
  12.  Перечислите известные вам применения интерференционных методов.

Рекомендуемая литература

  1.  Савельев И.В. Курс общей физики (т.3). М.: Наука, СПб.: Лань, 2006.
  2.  Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. шк., 2004.
  3.  Справочное руководство по физике. Ч.2. Колебания, волны, оптика, атомная и ядерная физика: Учеб.-метод. пособие.- Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2009.
  4.  Федосеев В.Б. Физика. Ростов н/Д: Феникс, 2009.

Техника безопасности

  1.  К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с её устройством и принципом действия.
  2.  Для предотвращения опрокидывания установки необходимо располагать её только на горизонтальной поверхности.
  3.  Не следует касаться пальцами поверхностей оптических деталей микроскопа.


Составители: С.И. Егорова, И.Н. Егоров, Г.Ф. Лемешко

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ

С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

Методические указания к лабораторной работе № 6

по физике

(Раздел «Оптика»)

Методические указания к лабораторной работе по физике

Редактор

ЛР №                от           . В набор           В печать                      .

Объём          усл. п.л.,      уч.-изд.л. Офсет. Формат 60х84/64.

Бумага тип №3. Заказ №       . Тираж        .Цена «С».

Отпечатано типографией ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344010, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,1.


EMBED Equation.3

Рис. 1

О

EMBED Equation.3

1

2

EMBED Equation.3

А

D

C

6

0

1

2

4

5

Рис. 2

6

5

4

3

2

140

130

8

9

Рис. 3

S

7


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75844. Ожоги. Морфологические изменения в коже и тканях при ожогах разной степени тяжести 60.5 KB
  Во время катастроф аварий войн с применением зажигательных смесей ядерного оружия ожоги могут быть превалирующим видом поражения. Ожоги это повреждения вызванные термической химической или лучевой энергией. Термические ожоги в результате воздействия на ткани высокой температуры.