ДОСЛІДЖЕННЯ ІНТЕРФЕРЕНЦІЇ СВІТЛА ПРИ
Спостереження кілець Ньютона
Мета роботи: сформулювати гіпотезу дослідження і вивчити один з прикладів прояву інтерференції світла на установці для спостереження кілець Ньютона, визначити радіус кривизни лінзи і довжину хвилі світла, визначити різницю ходу (різниця фаз) між Інтерфом-рірующімі хвилями.
Прилади й приналежності: мікроскоп МБС-10, світлофільтри, джерело білого світла, мікрометр окулярний гвинтовий МОВ-1-16Х або окуляр зі шкалою, об'єкт - мікрометр, осередок для отримання кілець Ньютона, блок живлення для лампи освітлювача.
Додавання двох або кількох когерентних світлових хвиль, в результаті якого в одних точках простору відбувається збільшення, а в інших - зменшення амплітуди результуючої хвилі, називається інтерференцією світла.
Хвилі називаються когерентними. якщо вони мають рівні частоти і постійну різницю початкових фаз. Джерела когерентних хвиль називаються когерентними джерелами. Крім того, для спостереження інтерференції необхідно, щоб коливання вектора Е електромагнітних полів интерферирующих хвиль зі вершать уздовж одного і того ж напрямку, т. Е. Щоб интерферирующие хвилі були поляризовані в одній площині.
Існує кілька способів спостереження інтерференції світла. Розглянемо інтерференцію світла при відбитті від тонкої пластинки.
Нехай на прозору плоскопараллельную пластинку (плівку) товщиною d падає під кутом i пучок паралельних монохроматичних променів з довжиною хвилі l (рис. 1).
Виділимо промені 1 і 2 цього пучка. Луч 1 після заломлення в точці А відбивається в точці В і потім після заломлення в точці С (промінь 1) інтерферує до показаного у цій точці променем 2. так як промені 1 і 2 є когерентними. Інтенсивність світла при цьому або зростає, або зменшується, що залежить від оптичної різниці ходу променів. Оптична різниця ходу променів у відбитому світлі буде дорівнює
де nпл - абсолютний показник заломлення речовини пластинки; nв - абсолютний показник заломлення повітря, що дорівнює одиниці (пластинка знаходиться в повітрі). Додавання в (1) l / 2 враховує зсув по фазі на p при відображенні світла від оптично більш щільного середовища в точці С.
Як випливає з рис.1, різниця ходу променів # 916; можна виразити через товщину пластинки d і кут падіння i
Якщо D буде дорівнює парним числом напівхвиль, то світлові коливання в точці С посилюються, т. Е. Має місце інтерференційний максимум. У разі рівного розподілу D непарному числу півхвиль в точці С утворюється інтерференційний мінімум. Отже, у відбитому світлі може реалізуватися одна з умов
У наведених формулах буквою k позначений порядок інтерференціі.k може приймати значення 0, 1, 2.
У світлі, оптична різниця ходу D відрізняється від D для відбитого світла на l / 2 (це може показати Новомосковсктель).
Отже, максимумів інтерференції у відбитому світлі відповідають мінімуми інтерференції в прохідному світлі і навпаки. Якщо спостерігач I бачить пластинку пофарбованої в колір, відповідний l. то спостерігач II бачить пластинку затемненій, і навпаки.
Нехай пластинка (або плівка) має перетин клину з малим кутом a (рис.2). Різниця ходу променів, що визначається формулою (2), може бути застосована і тут, але тільки для певної товщини клина d.
Нехай кут падіння i = 0. т. е. промені падають нормально на клин (строго кажучи, падають нормально на нижню поверхню клина), тоді D і, отже, умова max і min буде визначатися d; і інтерференційна картина являє собою чергування світлих і темних смуг, локалізованих на поверхні клина і паралельних ребру клина. Кожна интерференционная смуга відповідає певній товщині клина d. Інтерференційна картина називається "смугами рівної товщини". Найбільш цікавим прикладом смуг рівної товщини є кільця Ньютона.
Якщо помістити лінзу з дуже малою кривизною на плоску скляну пла Стіну (рис. 3), то між лінзою і пластиною близько точки дотику Про утворюється повітряний клин. Лінза висвітлюється променями, що падають нормально до поверхні повітряного клина. Відбиті промені 1 і 1 ¢. будучи когерентним, будуть интерферировать. (Промені 1 і 1 ¢ розділені в просторі для наочності). Інтерференційні смуги рівної товщини, що виникають при цьому, мають вигляд концентричних кіл з центром в точці О (рис. 4). Їх називають кільцями Ньютона. У центрі знаходиться темна пляма (мінімум нульового порядку). Воно оточене системою чергуються світлих і темних кілець, ширина і інтенсивність яких поступово зменшуються в міру віддалення від центральної плями.
У світлі спостерігається додаткова картина - центральна пляма світле, таке кільце темне і т. Д. Умова (2) для D запишеться в цьому випадку
де показник заломлення повітря дорівнює одиниці, а член l / 2 враховує зсув по фазі на p при відображенні світла від поверхні пластини. Світлі кільця відповідають d, для яких
Рекомендації щодо виконання вправи
"Вимірювання довжини хвилі та радіусу кривизни лінзи"
1. Підготуйте мікроскоп до роботи.
2. Увімкніть освітлювач, призначений для проведення дослі-нання в білому відбитому світлі. Сфокусуйте мікроскоп так, щоб була видна інтерференційна картина. (Як правило, мікроскоп заздалегідь сфокусований на інтерференційні кільця і, додаткову фокусування проводити не потрібно).
3. Перемістіть, при необхідності, осередок таким чином, щоб інтерференційна кар-тину виявилася в центрі поля зору окуляра. Якщо на предметному столику є мікрогвинти для переміщення осередку, то краще користуватися ними.
Примітка: Якщо кільця недостатньо контрастні і фокусування мікроскопа не покращує контрастність, необхідно, щоб лаборант зробив настройку осередки, а саме, з допомогою гайок або гвинтів, що знаходяться зверху комірки, потрібно наблизити лінзу до плоскопараллельной платівці, (гайки або гвинти трохи закрутити). Якщо кільця контрастні, але центральна пляма інтерференційної картини сильно розплющене, лінзу потрібно відсунути від плоскопараллельной пластинки. Для цього гайки або гвинти необхідно трохи відкрутити. Регулювання потрібно проводити за допомогою маленького гайкового ключа або викрутки.
4. Помістіть на шляху світлового пучка червоний світлофільтр з через відомою довжиною хвилі # 955; е = 670 нм
6. Виміряйте діаметр кожного кільця не менше 3 разів. Дані вимірювань занесіть в таблицю.
7. Помістіть на шляху світлового пучка зелений світлофільтр, який пропускає світло з невідомої довжиною хвилі.
8. Проведіть всі вимірювання згідно процедури, наведеної в пунктах 5,6. Результати вимірювань занесіть в ту ж таблицю.
9. Розрахуйте за формулою невідому довжину хвилі
де lе - відома довжина хвилі. Запишіть значення невідомої довжини хвилі в таблицю.
9. Порівняйте значення отриманої в експерименті довжини хвилі зеленого світла з довжиною хвилі зеленого кольору в спектрі ртуті. Таблиця основних спектральних ліній спектра ртуті наведена на робочому місці, або знаходиться у лаборанта.
10. Обчисліть за формулою (11) або (12) радіус кривизни лінзи. Для розрахунку рекомендується застосовувати графічний метод розрахунку радіуса кривизни. Для цього необхідно побудувати графік залежності квадратів радіусів виміряних кілець rm від їх номерів m. Згідно (12) графік має вигляд прямої, кутовий коефіцієнт якої дорівнює Rl. Знаючи значення lе, визначте R.
Питання і завдання для самостійної роботи
1. Якщо лінза ледь стосується платівки, то, що спостерігається у відбитому (що проходить) світлі в центрі Інтерфом-ренціонной картини - максимум або мінімум? Що необхідно зробити, щоб в центрі інтерференційної картини у відбитому світлі черзі спостерігати мінімум і максимум?
2. Яким способом в даній лабораторній роботі отримують когерентні хвилі для спостереження кілець у відбитому і прохідному світлі?
3. Чому інтерференційна картина, що отримується на установці Ньютона, має вигляд концентричних кілець?
4. Які відмінності в інтерференційної картини можна спостерігати, якщо вести спостереження у відбитому світлі, а потім в що проходить?
5. Якщо установка для спостереження кілець Ньютона освітлюється білим све-те, то як будуть виглядати кільця? Виділіть рівні складності в даній роботі.
6. Поясніть формули (3) і (4), застосовуючи поняття довжини когерентності.
7. Виділіть рівні складності в даній роботі. Поясніть, як в даній роботі отримують монохроматичне світло?
8. Якщо повітря між лінзою і пластинкою замінити водою з великим показу-телем заломлення, ніж у повітря, то, що зміниться в інтерферен-ної картині?
9. Як змінюються кільця Ньютона при зміні радіуса кривизни лінзи, показника заломлення матеріалу лінзи, показника заломлення матеріалу плоскопараллельной пластинки?
10. Від чого залежить контрастність кілець Ньютона?
11. Як співвідносяться умови мінімумів і максимумів в відбитому і прохо-дящем світлі?
12. Визначте область, в якій локалізовані кільця Ньютона.
13. Кільця Ньютона - це смуги «рівної товщини» або смуги «рівного на-клона»?
14. Збільшуються або зменшуються діаметри кілець, якщо джерело монохроматичного світла з довжиною хвилі 600 нм замінити джерелом монохроматичного світла з довжиною хвилі 450 нм?
15. Чому при виконанні роботи не рекомендується вимірювати діаметри ко-ник, близьких до центру?
16. Як зміниться інтерференційна картина в її центрі, якщо лінзу по-статечно піднімати над платівкою?
17. Назвіть приклади використання установки для спостереження кілець Ньютона.
18. Установка для спостереження кілець Ньютона освітлюється монохроматичним світлом, падаючим нормально. При заповненні простору між лінзою і скляною пластинкою прозорою рідиною радіуси темних кілець у відбитому світлі зменшилися в 1,21 рази. Визначте показник заломлення рідини [1,46].
19. На сферичної поверхні плоско-опуклою скляною лінзи є шліфований плоский ділянку радіусом 3 мм, яким вона стикається з плоскою скляною пластинкою. Радіус кривизни сферичної поверхні лінзи - 150 см. Знайдіть радіус шостого світлого кільця при спостереженні у відбитому світлі з довжиною хвилі 0,655 мкм.
20. Плоскоопукла скляна лінза з радіусом кривизни сферичної поверхні 12,5 см притиснута до скляній пластинці. Діаметри десятого і п'ятнадцятого темних кілець Ньютона у відбитому світлі рівні 1,00 і 1,50 мм. Визначте довжину хвилі світла [0,50] мкм.
21. Дві дотичні тонкі симетричні скляні лінзи - одна двоопуклої, інша Двояковогнутая - утворюють систему з оптичною силою 0,50 дптр. У світлі з довжиною хвилі 0,61 мкм, відбитому від цієї системи, спостерігають кільця Ньютона. Визначте:
а) радіус десятого темного кільця;
б) як зміниться радіус цього кільця, якщо простір між лінзами заповнити водою?