42341

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

Лабораторная работа

Физика

При этом образуются интерференционные полосы имеющие форму концентрических светлых и темных колец. Условие минимума: Условие максимума: Условие возникновения темных колец выражено уравнением 2d = λk. Тогда условие образования темных колец примет вид Подставляя значение d в уравнение для получаем .

Русский

2013-10-29

218.5 KB

29 чел.

Лабораторная работа 7.2.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ
С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

Библиографический список

1.Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

2.Годжаев М. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1977.

3.Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука, 1980.

Цель работы: ознакомление с интерференционным явлением – кольцами Ньютона, представляющими собой так называемые полосы равной толщины.

Приборы и принадлежности: осветитель, плоскопараллельная пластинка и плосковыпуклая линза, закрепленные в оправе, светофильтр, проекционная линза, экран.

Описание метода и экспериментальной установки

Выпуклая поверхность линзы L (рис. 1) с большим радиусом кривизны R соприкасается в  точке О с плоской поверхностью хорошо отполированной пластинки Е так, что остающаяся между ними воздушная прослойка постепенно утолщается от точки соприкосновения к краям. 

При нормальном падении на такую систему   монохроматического света, световые волны, отраженные от нижней поверхности линзы и верхней поверхности пластинки, будут интерферировать между собой. При этом образуются интерференционные полосы, имеющие форму концентрических светлых и темных колец.

При отражении световой волны от пластинки,  оптическая  плотность которой больше чем у воздуха,  фаза волны изменяется  на π, что эквивалентно уменьшению или увеличению оптической разности хода интерферирующих лучей на . В месте соприкосновения линзы с пластинкой  остается тонкая воздушная прослойка, толщина которой значительно меньше длины волны. Поэтому разность хода между лучами, возникающая в этой точке, определяется лишь потерей полуволны при отражении от пластинки, то есть . Следовательно, в центре интерференционной картины при наблюдении в отраженном свете будет темное пятно.

Так как между линзой L и пластинкой Е находится воздух
(
n = 1) и пучок света падает практически нормально к  нижней поверхности линзы (кривизна линзы мала) и к верхней поверхности пластинки, то оптическая разность хода между лучами, отраженными в точках А и В, будет

.

Условие минимума:

Условие максимума:

Условие возникновения темных колец выражено уравнением

2d = λk.

Величина d может быть выражена через радиус кривизны линзы и радиус темного интерференционного кольца . Действительно, из рис. 1 видим, что . Если значение d мало по сравнению с R, то  и, следовательно, .

Однако эта формула не может быть применена для опытной проверки. Действительно, поскольку на поверхности даже очищенного стекла всегда присутствуют пылинки, то стеклянная линза не примыкает плотно к плоскопараллельной пластинке, а между ними имеется незначительный зазор величиной а. Из–за этого возникает дополнительная разность хода величиной 2а. Тогда условие образования темных колец примет вид

Подставляя значение d в уравнение для , получаем

.

Величина а не может быть измерена непосредственно, но ее можно исключить следующим образом. Для кольца m

и следовательно,

Откуда

или окончательно

 (1)

Зная длину волны и радиусы  и  темных интерференционных колец, можно определить радиус кривизны линзы R.

Установка, используемая в данном случае для измерения радиусов колец, изображена на рис. 2.

Здесь О – осветитель, S – система для получения колец Ньютона, L – линза для получения увеличенного изображения колец на экране, Ф – светофильтр, М – экран с миллиметровой бумагой для измерения радиусов колец, полученных на экране.

Так как с помощью данной установки измеряются не радиусы самих колец, а радиусы их изображений на экране, необходимо учесть увеличение, даваемое линзой. Из геометрической оптики известно, что коэффициент увеличения

   ,    (2)

где  - радиус кольца Ньютона в проекции на экране (увеличенный),  - радиус кольца Ньютона, f - расстояние от полученного изображения до линзы (в данном случае – расстояние от экрана до линзы), d – расстояние от предмета до линзы (в данном случае – расстояние от системы, с помощью которой получаются кольца Ньютона, до линзы.

Учитывая полученные соотношения (2), формулу (1) можно окончательно записать в следующем виде:

  (3)

После определения среднего значения R необходимо найти доверительный интервал (величину ошибки в определении R), пользуясь известной формулой определения ошибки для косвенных измерений.

Принимая в расчетной формуле , m и k за постоянные величины, получаем для ошибки ΔR:

          или

,

где  и  - ошибки в определении  и  соответственно.

Для нахождения ошибок  и  следует:

  1.  Определить погрешности отдельных измерений:

    и    

  1.  Вычислить квадраты погрешностей отдельных измерений ()2 и ()2.
  2.  Определить среднеквадратичную погрешность результата серии измерений

  1.  Для выбранной надежности  найти t(α, n) и вычислить

и

  1.  Рассчитать погрешность измерения радиуса кривизны линзы – ΔR (при той же надежности α).

Записать окончательный результат

     при      

  1.  Оценить относительную погрешность

.

Порядок выполнения работы

  1.  Включить осветитель.
  2.  Перемещением линзы добиться отчетливого изображения колец на экране.
  3.  Измерить расстояния f и d.
  4.  Зарисовать на миллиметровке 4 – 5 темных колец Ньютона для данной длины волны .
  5.  Измерить диаметр каждого кольца 3 раза.
  6.  Результаты измерений занести в таблицу 1.
  7.  По итогам вычислений данных таблицы 1 заполнить
    таблицу 2.
  8.  Группируя попарно радиусы колец Ньютона, рассчитать три раза радиус линзы R.
  9.  Определить относительную и абсолютную ошибки.


Таблица 1

кольца

, мм

, мм

, мм

, мм

, мм

1

2

3

4

5

Таблица 2

№№ выбранных  колец

Радиусы колец

Длина волны

, м

, м

м

м

k

m

, м

, м


Контрольные вопросы

  1.  Что такое интерференция?
  2.  При каком условии можно наблюдать интерференционную картину?
  3.  Что такое «полосы равной толщины» и «полосы равного наклона»? К какому случаю можно отнести полученную в данной лабораторной работе интерференционную картину?
  4.  Вывести формулу для радиусов темных и светлых колец.
  5.  Как изменятся радиусы светлых колец, если между линзой и плоскопараллельной пластинкой налить воду (n = 1,3). Считать, что показатель преломления линзы и пластинки больше, чем показатель преломления воды.
  6.  Можно ли получить кольца Ньютона, если вместо плоскопараллельной пластины использовать плосковыпуклую линзу? Чему в этом случае будут равны радиусы светлых колец, если линзы сделаны из одного и того же материала, их радиусы кривизны одинаковы и линзы находятся в воздухе?

PAGE  15


d

L

d

EMBED Equation.3  

Рис. 1

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Е

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

О

S

Ф

L

М

d

f

Рис. 2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11283. Изучение поляризации света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков 251 KB
  Изучение поляризации света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков Указания содержат краткое описание рабочей установки принцип действия гониометра и методику получения поляризованного света. Методические указания предназначены для студентов инже
11284. Изучение спектра атома водорода. Определение постоянной Ридберга 290 KB
  Изучение спектра атома водорода. Определение постоянной Ридберга Указания содержат краткие сведения о боровской теории водородоподобного атома спектральном методе исследования и порядок выполнения лабораторной работы. Методические указания предназначены для вып...
11285. Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона 260 KB
  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
11286. Изучение явления дифракции света на ультразвуковой дифракционной решетке 183 KB
  Изучение явления дифракции света на ультразвуковой дифракционной решетке Изучение явления дифракции света на ультразвуковой дифракционной решетке: метод указания к лабораторной работе №3. Ростов н/Д: Издательский центр ДГГУ 2011. 10 с. Указания содержат кратк...
11287. Изучение явления дифракции света от дифракционной решетки 240 KB
  Изучение явления дифракции света от дифракционной решетки Указания содержат краткое описание рабочей установки и методику измерения длины световой волны с помощью дифракционной решётки. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальн
11288. Изучение явления дисперсии света и определение показателя преломления вещества призмы 1.34 MB
  Изучение явления дисперсии света и определение показателя преломления вещества призмы Указания содержат краткую теорию дисперсии света и порядок выполнения лабораторной работы. Методические указания предназначены для выполнения лабораторной работы ст...
11289. Магнитное вращение плоскости поляризации (эффект Фарадея) 328 KB
  Магнитное вращение плоскости поляризации эффект Фарадея Указания содержат краткое описание рабочей установки методику изучения явления вращения плоскости поляризации в магнитном поле и получения зависимости угла вращения плоскости поляризации от индукции магн...
11290. Изучение явления интерференции света при помощи бипризмы Френеля 273.5 KB
  Изучение явления интерференции света при помощи бипризмы Френеля Указания содержат краткое описание рабочей установки и методику получения интерференции с помощью бипризмы Френеля. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей в
11291. ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА 202 KB
  ОПЫТ ФРАНКА И ГЕРЦА Цель работы. 1.Определение первого потенциала возбуждения атомов инертного газа аргон или криптон по вольтамперной зависимости IU электронной лампы. 2. Определение энергии возбуждения атомов инертного газа длины волны и массы излученного фот