кольца ньютона цель опыта общие принципы

О П Т И К А / В ОЛ Н О ВА Я О П Т И К А
UE4030350
Л А Б О РАТО РН Ы Й П РА К Т И К У М П О ФИЗ И К Е
КОЛЬЦА НЬЮТОНА
UE4030350
ЦЕЛЬ ОПЫТА
ПОРЯДОК
ПРОВЕ ДЕНИЯ
ОПЫ ТА
Наблюдение колец Ньютона в монохроматическом свете.
• Наблюдение колец Ньютона при
прохождении монохроматического света
через установку.
• Измерение радиуса колец и определение
радиуса кривизны сферического тела.
• Определение степени деформации
установки при вдавливании сферы в
пластину.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Кольца Ньютона получаются с помощью установки, состоящей из плоской стеклянной пластины и
сферического тела с большим радиусом кривизны. Если параллельные лучи монохроматического
света падают на эту установку под прямым углом к ней, получаются чередующиеся светлые и
темные кольца с центром в точке, где поверхности соприкасаются. В этом опыте кольца Ньютона
исследуются с помощью монохроматического света, проходящего через установку. Радиус кривизны R
сферического тела можно определить по радиусам интерференционных колец r, если известна длина
волны λ.
ОБЩ ИЕ ПРИНЦИПЫ
ОЦЕНОЧНЫЙ РАСЧЕ Т
Кольца Ньютона – это явление, которое можно наблюдать ежедневно.
Они возникают вследствие интерференции света, отражающегося от
верхней и нижней границ воздушного зазора между двумя очень близко
расположенными параллельными поверхностями. В случае белого света
это дает цветную интерференцию, поскольку условия интерференционного
максимума зависят от длины волны.
Чтобы определить радиус r, берется среднее значение измеренных
радиусов для точки пересечения слева и справа. Увеличение,
создаваемое линзой, также учитывается.
После этого строится график зависимости значений r 2 от n-1, при
этом точки графиков оказываются лежащими на прямых линиях с
наклонами a = R ⋅λ , которые пересекают оси координат в точках
b = 2 ⋅R ⋅d0 . Поскольку длины волн известны, можно рассчитать радиус
кривизны R. Он приблизительно равен 45 м. Сплющивание сферы d0
при ее вдавливании в пластину составляет менее одного микрона.
Чтобы преднамеренно получить кольца Ньютона, используется установка,
состоящая из плоской стеклянной пластины и сферического тела с
большим радиусом кривизны. Сферическое тело касается плоской
стеклянной пластины так, что получается воздушный зазор. Если
параллельные лучи монохроматического света падают на эту установку
под прямым углом к ней, получаются чередующиеся светлые и темные
кольца с центром в точке, где поверхности соприкасаются. Темные
кольца получаются в результате гасящей интерференции, а светлые – в
результате усиливающей интерференции. Световые волны, отражающиеся
от границы между сферическим телом и воздухом, интерферируют
с волнами, отражающимися от границы между плоской пластиной и
воздухом. Интерференционные кольца видны как в отраженном, так и в
проходящем свете. Но при прохождении света интерференция всегда будет
усиливающейся в центре вне зависимости от длины волны падающего
света.
Расстояние между интерференционными кольцами не одинаково. Толщина
d воздушного зазора меняется пропорционально расстоянию r от точки
контакта сферического тела и пластины. Из Рис. 1 видно, что:
(1)
R 2 = r 2 + ( R - d ) R: радиус кривизны
d=
r2
λ
= ( n − 1) ⋅ ,
2 ⋅R
2
Поэтому радиусы светлых колец определяются выражением
НЕОБХОДИМОЕ ОБОРУДОВА НИЕ
Кол-во
2
(3)
Наименование
№ по каталогу
1
Прецизионная оптическая скамья модели D длиной 100 см
U10300
6
Передвижное крепление оптической скамьи модели D, 90/50
U103111
1
Блок управления для спектральных ламп (230 В, 50/60 Гц)
U21905-230 или
Блок управления для спектральных ламп (115 В, 50/60 Гц)
U21905-115
1
Спектральная лампа Hg 100
U8476870
1
Выпуклая линза на ножке, f = +50 мм
U17101
1
Выпуклая линза на ножке, f = +100 мм
U17102
1
Ирисовая диафрагма на ножке
U17010
1
Стеклянная вставка для опытов с кольцами Ньютона
U22018
1
Держатель элементов
U22010
1
Интерференционный фильтр 578 нм
U22021
1
Интерференционный фильтр 546 нм
U22019
1
Проекционный экран
U17130
1
Тяжелая круглая опора весом 1 кг
U13265
1
Карманная рулетка длиной 2 м
U10073
r 2 = (n − 1)⋅R ⋅λ .
Видно, что сферическое тело слегка деформировано в точке
соприкосновения с пластиной. Переписав выражение (2), можно получить
приближение этой деформации из следующего выражения:
(4)
r
Рис. 1: Схема воздушного зазора между выпуклой линзой и плоской
пластиной
r2
d=
− d0 для r 2 ≥ 2 ⋅R ⋅d0 2 ⋅R
r² / mm²
= 578 nm
200
= 546 nm
100
0
0
5
ri 2 = (n − 1)⋅R ⋅λ + 2 ⋅R ⋅d0 В этом опыте исследуются кольца Ньютона с помощью света, излучаемого
ртутной лампой, который преобразуется в монохроматический с помощью
интерференционных фильтров. Интерференционная картина фокусируется
на экране с помощью линзы объектива.
Рис. 3: Кольца Ньютона в желтом свете
www.3bscientific.ru, E-mail: sales.spb@3bscientific.com, тел. (812) 334-2223
n-1
10
Рис. 2: Взаимосвязь между радиусами r2 светлых интерференционных
колец и их порядковыми номерами n
Поэтому радиусы светлых колец теперь определяются выражением:
(5)
d
2
Это означает, что если толщина d мала, для светлых интерференционных
колец выполняется следующее:
(2)
R
R-d