WWW.PDF.KNIGI-X.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Разные материалы
 

«Кафедра общей и ядерной физики ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА ПРИ НАБЛЮДЕНИИ КОЛЕЦ НЬЮТОНА Методические указания к лабораторной работе по физике № 3-11 для студентов всех направлений и форм ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е.АЛЕКСЕЕВА»

Кафедра общей и ядерной физики

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

ПРИ НАБЛЮДЕНИИ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

Методические указания к лабораторной работе по физике № 3-11 для студентов всех направлений и форм обучения Нижний Новгород 2015 Составители: Е.Г. Дегтерв, А.Н. Мешков, В.Г. Мизонова, Г.М. Соколова, Н.Ф. Яшина УДК 537.85 Интерференция света при наблюдении колец Ньютона: метод.

указания к лаб.работе по курсу «Физика» для студентов всех направлений и форм обучения/ НГТУ; сост.: Е.Г. Дегтерв и др. – Нижний Новгород, 2015. – 13 с.

Даны сведения по интерференции, методам ее наблюдения, описание лабораторной установки, методика измерения радиуса кривизны линзы.

Научный редактор А.А. Радионов Редактор Э.Б. Абросимова Подп. к печ. 25.03.2015. Формат 60х84 1/16. Печать офсетная. Бумага газетная. Усл. печ. л. 1. Тираж 300 экз. Заказ.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.

Типография НГТУ. 603950, Н. Новгород, ул. Минина, 24.



© Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, 2015 Цель работы – ознакомиться с явлением интерференции света на примере образования колец Ньютона, рассчитать радиус кривизны линзы.

Приборы и оборудование: кассета с линзой и плоской стеклянной пластинкой; измерительный микроскоп с осветителем и предметным столиком.

Теоретическая часть Явление интерференции.

Интерференцией называют процесс сложения волн, при котором результирующая интенсивность отличается от суммы интенсивностей складываемых волн:

I I1 I 2. (1) В результате имеет место стационарное перераспределение интенсивности в пространстве, при этом в одних точках пространства возникают максимумы интенсивности, в других – минимумы.

Условия наблюдения интерференции.

Для наблюдения интерференции волн любой природы необходимо выполнение двух условий:

1) волны должны быть когерентными, то есть согласованными по фазе. Волны когерентны, если разность фаз не меняется за время наблюдения;

2) колебания, вызванные этими волнами в точке наблюдения, должны иметь одинаковые направления. Иначе говоря, векторы E – напряжнности электрического поля складываемых волн – должны быть направлены вдоль одной линии. Второе условие необходимо, поскольку при взаимно перпендикулярном направлении невозможно, например, получить нулевую интенсивность при сложении.

Оптическая разность хода. Связь разности фаз с оптической разностью хода волн. Пусть в точку наблюдения приходят две волны, напряжнности электрического поля которых в этой точке имеют вид

–  –  –

Реализация интерференции от естественных источников.

Волны, излучаемые естественными источниками света (Солнце, лампы накаливания), некогерентны по своей природе. В силу фундаментальных физических причин излучение всегда имеет статистический (случайный) характер. Атомы светового источника излучают независимо друг от друга в случайные моменты времени, и излучение каждого атома длится очень короткое время 108 с. Результирующее излучение источника в каждый момент времени состоит из вкладов огромного числа атомов.





Отдельные «порции» излучения длительностью порядка (время когерентности), называют цугами. Цуги имеют пространственную длину c, называемую длиной когерентности. Время и длина когерентности зависят от степени немонохроматичности волны. Для солнечного света длина когерентности составляет примерно lког 4 мкм.

Конечные размеры источника излучения определяют так называемую ширину когерентности. Для солнечного света она примерно равна hког 50 мкм [2]. На несколько порядков больше длина и ширина когерентности лазерного излучения. Реальную волну можно считать когерентной самой себе только в пределах длины когерентности и ширины когерентности. Колебания в разных цугах не согласованы между собой. Поэтому интерференционную картину от разных источников получить невозможно.

Для наблюдения интерференции в этих условиях найден прим, который используется во всех интерференционных устройствах: каждую элементарную волну разделяют на части, затем создают малую оптическую разность хода между этими частями (например, в тонком воздушном зазоре, как в данной работе), и снова складывают. При этом складываются колебания, относящиеся к одному и тому же цугу. И хотя фазы каждого из этих колебаний также подвержены случайным изменениям во времени, эти изменения одинаковы, поэтому разность фаз остается постоянной. Для наблюдения устойчивой интерференционной картины в этом случае необходимо, чтобы складываемые части находились в пределах длины и ширины когерентности. Поэтому для реализации интерференции применяют очень тонкие плнки, зазоры между стклами, а также лазеры, у которых длина когерентности на несколько порядков больше.

Оптическая схема наблюдения колец Ньютона. Кольца Ньютона возникают, если направить свет на линзу, которая выпуклой стороной соприкасается с плоской поверхностью хорошо отполированной пластинки (рис.1).

Рис.1

При этом образуется воздушная прослойка между поверхностями линзы и пластинки, толщина которой d постепенно увеличивается от центра к краям. Световые пучки II и III (рис.1), отражнные от нижней и верхней границы этой воздушной прослойки, будут интерферировать между собой. Образование пучков II и III здесь происходит следующим образом.

Исходный луч I падает на поверхность линзы вертикально. Луч II – отражение в точке А от границы раздела стекло линзы – воздух. Луч III – отражение в точке В от границы раздела воздух – стеклянная пластинка.

Активная часть линзы с радиусом r, где образуются кольца Ньютона, невелика – доли миллиметра, радиус кривизны линзы R – единицы сантиметров. Поэтому отраженные лучи II и III идут почти вертикально и AB BD d. Попадая в глаз наблюдателя, лучи II и III обусловливают интерференционную картину (в отраженном свете). Отметим, что остальные лучи, полученные при многократном переотражении от границ воздушного зазора, много меньше по интенсивности и на вид интерференционной картины практически не влияют.

Оптическая разность хода лучей II и III равна 2d. (12) Первое слагаемое обусловлено тем, что луч III проходит лишний путь 2d через воздушный зазор. Второе слагаемое 0 обусловлено тем, что в соответствии с граничными условиями при отражении света от оптически более плотной среды (от стекла в точке В) вектор E волны меняет направление на обратное, то есть фаза изменяется на. Формально это учитывают, вводя добавочный оптический путь [1].

Если эта разность хода соответствует условию минимума, то в точке, где пучки II и III сходятся, будет темно. На другом расстоянии r от центра, где выполняется условие максимума, отражение даст максимум.

Толщина d одинакова для всех точек окружности с радиусом r.

Вследствие этого интерференционная картина в целом имеет вид концентрических колец. Можно сказать, что кольцо Ньютона – геометрическое место точек одинаковой толщины воздушного зазора d. Интерференционную картину в подобных случаях называют полосами равной толщины [1].

–  –  –

Приравнивая правые части первых двух уравнений, получим 2d k 0.

Следовательно, квадрат искомого радиуса темных колец Ньютона в отраженном свете будет равен

–  –  –

Описание установки и методика измерений. Установка состоит из измерительного микроскопа (рис.3), предметного столика и расположенной на нем кассеты – жестко скрепленных друг с другом линзы и плоскопараллельной стеклянной пластинки. Микроскоп содержит объектив 1, окуляр 2, осветитель 3, отсчетный механизм 4, винт смещения шкалы 5, вращающийся отсчетный барабан 6.

–  –  –

Оптическая схема установки показана на рис.4. Свет от лампы – осветителя 1 проходит коллиматор (на рисунке не показан), красный светофильтр 2 отражается вниз от светоделительной пластинки 3 и через объектив (на рисунке не показан) падает на кассету 4 с линзой и плоскопараллельной пластинкой.

Отраженный от кассеты свет с изображением колец Ньютона поднимается вверх, проходит в окуляр 6 и в глаз наблюдателя через пластинку 3. Подвижные пластинки 5 предназначены для измерения диаметров колец Ньютона. На одной из них нанесена шкала с ценой деления 0,25 мм, на другой – сплошная вертикальная визирная нить. В окуляре видно: изображение концентрических колец Ньютона, шкала, сплошная нить. Передвигая сплошную нить поворотом барабана (6 на рис. 3) от одной стороны кольца Ньютона до другой, по шкале барабана можно измерить диаметр кольца.

Шкала барабана разделена на 100 делений, поэтому цена одного деления шкалы отсчетного барабана в 100 раз меньше цены деления шкалы в окуляре и составляет 2,5·10-6м = 2,5 мкм.

Кассета (4 на рис. 4) находится на предметном столике микроскопа.

При повороте по часовой стрелке винта с насечкой, расположенного под столиком на его оси, столик поднимается вверх, позволяя ввести линзу кассеты в поле зрения микроскопа.

Примечание:

1. В поле зрения микроскопа имеется еще пунктирная вертикальная нить. Дополнительный винт, расположенный около винта 5 на рис. 3, регулирует положение этой нити. Пунктирная нить и регулирующий е положение винт в работе не используются.

2. Винт 5 смещает одновременно шкалу и нити. Положение винта 5 устанавливается при настройке, и этот винт при выполнении работы не используется.

3. Не следует поворачивать ось светоотделительной пластины (два выступа на корпусе вблизи осветителя). При неверном положении пластины нарушается работа прибора. Например, если пластина повернута на 900 по отношению к положению на рис. 4, то свет в окуляр поступает, а наблюдение колец невозможно.

4. Для контроля цены деления шкалы можно, вместо кассеты, поместить на столик линейку с миллиметровой шкалой.

Указания по технике безопасности

1. Включать установку только с разрешения преподавателя или лаборанта.

2. Запрещается оставлять установку включенной.

3. Запрещается вынимать осветитель. При включенном приборе не трогать трансформатор питания осветителя. Трансформатор расположен в нижней части микроскопа, его входное напряжение 220 В.

4. Запрещается работать в помещении одному.

–  –  –

1. Включить в сеть осветитель.

2. Поместить кассету на предметный столик микроскопа линзой вверх.

3. Поворачивая винт предметного столика и перемещая кассету по столику, сфокусировать микроскоп на какую-либо деталь на кассете.

При повороте винта предметного столика удерживать столик от проворачивания.

4. Перемещением кассеты по столику поместить точку касания линзы с пластинкой примерно в центр поля зрения микроскопа.

5. Поднимая или опуская предметный столик, сфокусировать микроскоп на кольца Ньютона так, чтобы они оказались в центре поля зрения микроскопа.

6. Один из способов настройки изображения колец следующий.

Вначале настраивают микроскоп на металлическую поверхность корпуса кассеты (становится видна структура обработки поверхности). Затем выполняют действия п.4. Затем поднимают столик на 12–14 смещений винта столика (каждое около 600). При правильной фокусировке в поле зрения микроскопа, кроме колец Ньютона, четко видны неоднородности, пятна на поверхности пластины.

7. Для диоптрической наводки на резкость изображения визирной нити и колец окуляр имеет резьбу.

8. Произвести измерения диаметра центрального темного пятна (диска), перемещая сплошную визирную нить поворотом барабана (6 на рис. 3). Цена деления шкалы микроскопа 0,25 мм, цена деления шкалы на барабане 2,5 мкм. Номера колец отсчитывают, начиная от центрального.

Зная радиус центрального темного пятна, устанавливают визирную нить справа (или слева) от центра на второе, третье и т. д. темные кольца и, пользуясь шкалой барабана, находят интервалы между соседними кольцами. Вычисляют радиусы второго, третьего и т. д. колец. Результаты следует занести в таблицу.

Таблица r0,см rk2,мм № кольца, k R,см

9. По результатам измерений построить график зависимости rk2(k), который должен соответствовать линейной функции (17). Используя график, найти радиус кривизны линзы и радиус сошлифованного участка.

Длина волны равна 0=650 нм. Полученные данные занести в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Сущность явления интерференции. Условия наблюдения интерференции.

2. Оптическая разность хода. Условия максимума минимума интенсивности при интерференции.

3. Метод реализации интерференции от естественных источников.

4. Оптическая схема наблюдения колец Ньютона.

5. Вывод формулы для радиуса темных колец Ньютона в отраженном свете.

Список литературы

1. Савельев,И.В. Курс общей физики. Кн. 4. Волны.

Оптика/И.В.Савельев. – М.: Астрель, 2008.

2. Иродов,И.Е. Волновые процессы/И.Е.Иродов. – М.: Бином.

Лаборатория знаний, 2010.

3. Трофимова,Т.И. Курс физики/Т.И.Трофимова. – М.: Высшая шк.,2007.

4. Сивухин,Д.В. Общий курс физики. Оптика/Д.В.Сивухин. – М.:

Похожие работы:

«ПРОЕКТНАЯ ДЕКЛАРАЦИЯ объекта, расположенного по адресу: г. Санкт-Петербург, Петроградский район, проспект Медиков, дом 10, литера Ж Опубликована в газете «Невское время» № 87 (5301) от 18.05.2013 Информация о Застройщике Застройщик: Открытое акционерное общество «Строительная Фирменное наименование: корпорация «Возрождение Санкт – Пет...»

«A. А. Васин, А. С. Уразов МГУ имени М. В. Ломоносова О МЕХАНИЗМАХ ПОДАВЛЕНИЯ КОРРУПЦИИ В ИЕРАРХИЧЕСКИХ КОНТРОЛИРУЮЩИХ СТРУКТУРАХ Тема борьбы с коррупцией сохраняет непреходящую актуальность в России. Для достижения перелома в этой борьбе необходимо исправить некоторые ошибки,...»

«eib ариадна Медицинская Информационная Система Комплексная автоматизация медицинских учреждений Содержание Общая информация Эффект от использования системы Функциональные возможности Справочная подсистема Административная подсистема Регистрационная подси...»

«Министерство связи и массовых коммуникаций Российской Федерации ОДОБРЕНО Решение секции №1 Научнотехнического совета Минкомсвязи России «Научно-техническое и стратегическое развитие отрасли» от 21 апреля 2010 года № 2 МОДЕЛЬ УГРОЗ И НАР...»

«274 Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева № 3(90) ЭКОНОМИКА, ИННОВАЦИИ И МЕНЕДЖМЕНТ УДК 336.74 М.Ю. Малкина, Ю.С. Барабашина ВЗАИМОСВЯЗЬ СТАВКИ РЕФИН...»

«СЫКТЫВКАРСКИЙ ЛЕСНОЙ ИНСТИТУТ КАФЕДРА ВОСПРОИЗВОДСТВА ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ БОТАНИКА САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ Методические указания для подготовки дипломированного специалиста по направлению 656200 «Лесное хозяйство и ландшафтное строительство специальности 250201 «Лесное хозяйство» СЫКТЫВКАР 2007 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО...»

«Федеральное агентство по печати и массовым коммуникациям Радиовещание в России Состояние, тенденции и перспективы развития ОТРАСЛЕВОЙ ДОКЛАД Москва УДК 654.19 (470) ББК 76.031 Р15 Доклад подготовлен Некоммерческим партнерством «Медиа Комитет» Под общей редакцией О.Я.Ермолаевой, А.В. Шарикова Авто...»

«ОАО «РОССИЙСКИЙ ИНСТИТУТ ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВА И ИНВЕСТИЦИОННОГО РАЗВИТИЯ «ГИПРОГОР» Заказчик: Администрация МО «Багратионовский муниципальный район»Муниципальный контракт: №55-ОК-АДМ от 25.11.09 г.ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ПЛАН НИВЕНСКОГО СЕЛЬСКОГО ПОСЕЛЕНИЯ БАГРАТИОНОВСКОГО РАЙОНА КАЛИНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ ГЕНЕРАЛЬНЫ...»

«Федеральное агентство по образованию Архангельский государственный технический университет Ольга Борисовна Бессерт Обучение индивидуальному чтению Монография Архангельск УДК 81.24 ББК 81.2-92П Б 53 Рецензенты:...»








 
2017 www.pdf.knigi-x.ru - «Бесплатная электронная библиотека - разные матриалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.