Визначення довжини світлової хвилі за допомогою кілець Ньютона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторна робота

На тему: Визначення довжини світлової хвилі за допомогою кілець Ньютона

Мета роботи: вивчити явище інтерференції світла на прикладі кілець Ньютона, освоїти методику вимірювання довжини світлових хвиль за допомогою цього методу .

Прилади і матеріали: установка для спостерігання кілець Ньютона, що зібрана на базі інструментального мікроскопу, ртутна лампа, світлофільтр. інтерференція світло ньютон лінза

Теоретичні відомості

Інтерференцією світла називається явище, яке здійснюється при накладанні двох або кількох когерентних хвиль і полягає у стійкому часі їхнього взаємного підсилення в одних точках простору й ослаблення - в інших.

Хвилі називаютькогерентними, якщо вони мають однакову частоту, сталу різницю початкових фаз і однаковий напрям коливань. Внаслідок поперечності електромагнітних хвиль умова їхньої когерентності недостатня для утворення інтерференційної картини. Треба, щоб інтерферуючі хвилі були поляризовані в одній площині.

Когерентність - це узгоджене протікання у просторі й часі кількох коливань чи хвильових процесів, що проявляється при їх накладанні.

При експериментальному здійсненні когерентності треба враховувати просторову й часову когерентність. Часову когерентність зв'язують із ступенем монохроматичності хвиль чи коливань, а просторову - з розмірами джерела світла й геометрією інтерференційної схеми.

З повсякденного досліду видно, що при накладанні світла від двох незалежних джерел, навіть при застосуванні світлофільтрів для монохроматизації випромінювання, ніколи не вдається спостерігати явище інтерференції. Таким чином, хвилі, які випромінюють будь-які незалежні джерела світла завжди некогерентні, бо жодне реальне джерело не дає точно монохроматичного світла. Це пов'язано з тим, що атом випромінює світло протягом ф=10^-8с, переходячи зі збудженого стану до нормального. Крім того, атоми випромінюють світло незалежно один від одного. Ось чому початкові фази рівні.

Група хвиль, що випромінює атом при цьому, називається цугом хвиль. Довжина цуга L = фc = 10^-8 • 3 • 10⁸ = 3 м.

Дістати систему когерентних світлових хвиль можна, якщо пучок світла, який виходить з джерела, яким-небудь способом розчленити на два пучки, а потім обидва пучки звести разом; при цьому світлові пучки проходять різні шляхи; цим створюється різниця ходу й при накладанні пучки інтерферують.

Якщо перша хвиля пройшла в середовищі з показником заломлення п₁ шлях l₁, а друга хвиля в середовищі з показником заломлення п₂ шлях l₂, то оптична різниця ходу

Д = п₂ l₂ - п₁ l₁ = L₂ - L₁,

де L_і - оптична довжина шляху.

Стаціонарна інтерференційна картина утворюється тоді, коли оптична різниця ходу менша довжини цуга хвиль: Д? L.

Умови інтерференційних максимумів і мінімумів такі:

Д = ± mл - максимум (m = 0, 1, 2, 3, …),

Д = ± (2m + 1)•л/2 - мінімум (m = 1, 2, 3, …). (1)

де m - порядок інтерференційного максимуму або мінімуму.

Інтерференція світла - досить поширене явище. Кожному доводилося спостерігати райдужне забарвлення мильних плівок, тонких плівок мінерального масла, кольори мінливості на поверхні загартованих деталей, вкритих тонким прозорим шаром окислів. Ці явища зумовлені інтерференцією світла в тонких плівках, яке виникає внаслідок накладання когерентних хвиль, що відбиваються від нижньої і верхньої поверхонь плівок.

Можливий випадок - інтерференція світла в тонких плівках змінної товщини. У цьому разі різниця ходу при освітленні паралельним пучком світла залежатиме від товщини плівки. Тому умови максимуму й мінімуму освітленості виконуватимуться при певних товщинах плівки. Такі інтерференційні смуги називають смугами рівної (однакової) товщини. Окремим випадком смуг рівної товщини є кільця Ньютона, які спостерігають у досліді, схема якого зображена на рис. 306.1.

Плоскоопукла лінза з великим радіусом R кривизни опуклої поверхні повернута цією поверхнею до плоскої пластини А і дотикається до неї в точці О. Паралельний пучок світла падає нормально на плоску поверхню ВС лінзи й частково відбивається від верхньої (точка Е) й нижньої (точка F) поверхонь повітряного проміжку між лінзою і пластиною. При накладанні відбитих хвиль виникає інтерференція в точці Е. Оптична різниця ходу між променями, відбитими від верхньої і нижньої поверхонь повітряного зазора на відстані DE = r від точки О,

Д = 2EF+л/2

(член л/2 враховує зсув за фазою на р при відбиванні світла від поверхні пластини). Оскільки , де DO = EF, DE = r, DM = 2R - EF ? 2R, бо EF = л/2 - л/4 ??2R, отже

, . (2)

Геометричне місце точок однакової товщини EF - є коло. Зі співвідношення (2) і умов (1) випливає, що радіуси m світлого ( ) й темного ( ) кілець у відбитому світлі

(m = 1, 2, 3, …);

(m = 0, 1, 2, 3, …);

Очевидно, в світлі, що проходить,

(m = 0, 1, 2, …) і (m = 1, 2, 3, …).

Радіуси кілець Ньютона зростають пропорційно кореню квадратному від їх номера, тобто чим далі від центра, тим менша різниця між радіусами сусідніх кілець.

Якщо прилад освітлювати білим світлом, для деяких довжин хвиль виконується умова максимуму відбивання, а для деяких - мінімуму. Тому кільця Ньютона будуть забарвлені.

Вимірюючи радіуси кілець та знаючи радіус кривизни лінзи, визначають довжину хвилі світла, що освітлює прилад. Через те, що сферична лінза не дотикається ідеально до плоскої поверхні пластинки через наявність пилинок, для визначення л користуються такою формулою:

,

де r_m, r_k - радіуси m- і k-го кілець R - радіус кривизни лінзи.

Інтерференція світла широко використовується в техніці для вимірювання розмірів тіл, контролю якості шліфування пластин лінз, для просвітлювання оптики.

Хід роботи:

1. Ввімкнути ртутну лампу. Одержати в полі зору окуляру мікроскопа чітке зображення інтерференційної картини.

2. Пересуваючи столик препарато-водія, сумістити центр інтерференційної картини з точкою перетину ліній перехрестя.

3. Виміряти діаметри відповідно 5, 10 і 15 темних кілець. Вимірювання повторити 3 рази для кожного з кілець по взаємно перпендикулярних напрямках.

4. Результати вимірювання записати в таблицю.

Обробка результатів експерименту та їх аналіз:

1. Знайти середнє значення радіусів темних кілець Ньютона .

2. Обчислити довжину хвилі за формулою .

3. Знайти похибки.

4. Результати обчислень занести в таблицю.

1) R=3

d₁= r₂ - r₁= 3,22 - 2,12= 1,1мм r₁= 0550мм

d₂= 1,03мм r₂= 0,545мм

d₃= 1,11мм r₃= 0,555мм

r = 0,55мм

2) R=5

d₁= 1,37мм r₁= 0,685мм

d₂= 1,334мм r₂= 0,667мм

d₃= 1,31мм r₃= 0,655мм

r = 0,663мм

3) R=7

d₁= 1,5мм r₁= 0,750мм

d₂= 1,54мм r₂= 0,770мм

d₃= 1,52мм r₃= 0,750мм

r = 0,760мм

Висновок

На уроці я вивчив явище інтерференції світла на прикладі кілець Ньютона та освоїв методику вимірювання довжини світлових хвиль за допомогою цього методу . Для цього я використовував установку для спостерігання кілець Ньютона, що зібрана на базі інструментального мікроскопу, ртутну лампу та світлофільтр.

Контрольні запитання

1. Що таке смуги рівної товщини і рівного нахилу?

2. Вивести формулу радіуса світлого кільця Ньютона у відбитому світлі.

3. Навести приклади практичного використання інтерференції світла.

4. Чому ширина кілець Ньютона зменшується зі збільшенням їх радіуса?

Размещено на Allbest.ru