INVESTIGAREA INTERFERENȚEI LUMINII AT
OBSERVAREA RINGELOR DIN NEWTON
Obiectiv: Formularea studiului ipoteze și de a examina un exemplu de afișare a unei lumină interferență de un aparat pentru observarea inelelor Newton, pentru a determina raza de curbură a lentilei și lungimea de undă a luminii pentru a determina diferența cale (diferența de fază) între undele interferon riruyuschimi.
Aparate și accesorii: MBS-10 filtre microscop, o sursă de lumină albă, un șurub micrometric-MOB 1-16H ocular ocular sau cu un obiect scara - celula micrometri pentru a produce inele ale lui Newton, alimentarea cu energie a dispozitivului de fixare a lămpii.
Adăugarea a două sau mai multe valuri luminoase coerente, ca urmare a căreia se produce o creștere în unele puncte ale spațiului, iar în altele o scădere a amplitudinii valului rezultat, se numește interferență a luminii.
Valurile sunt numite coerente. dacă au frecvențe egale și o diferență constantă între fazele inițiale. Sursele de valuri coerente sunt numite surse coerente. În plus, pentru a observa interferențele, este necesar ca oscilațiile vectorului E al câmpurilor electromagnetice ale undelor interferente să fie îndreptate în aceeași direcție, adică undele de interferență să fie polarizate într-un singur plan.
Există mai multe moduri de a observa interferența luminii. Să luăm în considerare interferența luminii asupra reflexiei de pe o placă subțire.
Fie ca o rază de raze monocromatice paralele cu lungimea de undă l (figura 1) să cadă pe o placă paralelă (film) paralelă cu grosime d la un unghi i.
Selectați razele 1 și 2 ale acestei raze. Raza 1 după refracție la punctul A este reflectată la punctul B și apoi după refracție la punctul C (grinda 1) interferează cu raza 2 reflectată în acest punct. deoarece razele 1 și 2 sunt coerente. Intensitatea luminii astfel crește sau scade, ceea ce depinde de diferența de cale optică a razei. Diferența de cale optică în lumina reflectată va fi
unde npl este indicele de refracție absolut al substanței plăcii; nв - indicele de refracție absolut al aerului, egal cu unul (placa este în aer). Adăugarea în (1) l / 2 ia în considerare schimbarea de fază de către p atunci când lumina este reflectată dintr-un mediu dens mai optic la punctul C.
După cum reiese din figura 1, diferența în calea razelor # 916; poate fi exprimată prin grosimea plăcii d și unghiul de incidență i
Dacă D este egal cu un număr par de semnale, atunci oscilațiile luminoase la punctul C cresc, adică există un maxim de interferență. Atunci când D este egal cu un număr impar de jumătăți de undă, la punctul C se formează un minim de interferență. În consecință, în lumina reflectată una dintre condițiile
În formulele de mai sus, litera k denotă ordinea interferenței, K poate lua valorile 0, 1, 2.
În lumina transmisă, diferența de cale optică D diferă de D pentru lumina reflectată cu l / 2 (acest lucru poate fi demonstrat de cititor).
În consecință, maxima de interferență în lumina reflectată corespunde minimelor de interferență în lumina transmisă și invers. Dacă observatorul vede o placă de culoare, care corespunde l. atunci observatorul II vede placa ca întunecată și invers.
Lăsați placa (sau filmul) să aibă o secțiune a penei cu un unghi mic a (figura 2). Diferența căii razei, definită prin formula (2), este aplicabilă aici, dar numai pentru o anumită grosime a pantei d.
Lăsați unghiul de incidență i = 0. adică, razele cad în mod normal pe pană (strict vorbind, cad în mod normal pe suprafața inferioară a pantei), apoi D și, în consecință, condițiile max și min vor fi determinate de d; iar modelul de interferență este o alternanță între benzi luminoase și întunecate, localizate pe suprafața pană și paralele cu marginea pantei. Fiecare bandă de interferență corespunde unei anumite grosimi a pantei d. Modelul de interferență se numește "dungi de grosime egală". Cel mai interesant exemplu de benzi de grosime egală sunt inelele lui Newton.
Dacă o lentilă cu o curbură foarte mică este plasată pe o placă de sticlă plană (Figura 3), se formează o pensetă de aer între lentilă și placă în apropierea punctului de contact dintre ele. Obiectivul este iluminat de razele care cad în mod normal pe suprafața panăi de aer. Imaginile reflectate 1 și 1 ¢. fiind coerente, vor interveni. (Iarele 1 și 1 ¢ sunt separate în spațiu pentru claritate). Benzile de interferență de grosime egală care apar în acest caz au forma cercurilor concentrice cu un centru la punctul O (figura 4). Se numesc inele Newton. În centru este un punct întunecat (minim de ordine zero). Este înconjurat de un sistem de inele alternative și întunecate, lățimea și intensitatea acestora scăzând treptat în timp ce vă deplasați de la fața locului central.
În lumina transmisă, se observă o imagine suplimentară: fața centrală este luminată, inelul următor este întunecat etc. Starea (2) pentru D este scrisă în acest caz
unde indicele de refracție al aerului este luat egal cu unitatea, iar termenul l / 2 ia în considerare schimbarea de fază cu p atunci când lumina se reflectă de pe suprafața plăcii. Inelele de lumină corespund d, pentru care
Recomandări pentru exercițiu
"Măsurarea lungimii de undă și a razei de curbură a lentilei"
1. Pregătiți microscopul pentru funcționare.
2. Porniți iluminatorul conceput pentru a efectua studiul în lumină reflectată alb. Focalizați microscopul astfel încât modelul de interferență să fie vizibil. (De regulă, microscopul se concentrează preliminar asupra inelelor de interferență și nu este necesar să se efectueze focalizarea suplimentară).
3. Deplasați celula, dacă este necesar, astfel încât modelul de interferență să fie în centrul câmpului vizual al ocularului. Dacă pe scena există micro-șuruburi pentru a mișca celula, atunci este mai bine să le folosiți.
Notă: Dacă inelul nu este suficient de microscop contrastul și focalizarea nu îmbunătățește rata de contrast, este necesară setarea produs în laborator a celulei, și anume, prin intermediul unor piulițe sau șuruburi care sunt pe partea de sus a celulei, este necesară pentru a aduce obiectivul la placa plan paralel (piulițe sau șuruburi strânge un pic). În cazul în care inelele sunt contrastante, dar la fața locului central al modelului de interferență puternic turtit, lentile trebuie să se mute departe de o placă-plan paralel. Pentru a face acest lucru, este necesar să deșurubați puțin piulițele sau șuruburile. Reglarea trebuie făcută folosind o cheie mică sau o șurubelniță.
4. Așezați pe traseul fasciculului luminos un filtru de lumină roșie cu o lungime de undă cunoscută # 955; e = 670 nm
6. Măsurați diametrul fiecărui inel de cel puțin 3 ori. Înregistrați datele de măsurare în tabel.
7. Plasați pe calea fasciculului luminos un filtru verde care trece lumina cu o lungime de undă necunoscută.
8. Se efectuează toate măsurătorile descrise la punctele 5.6. Înregistrați rezultatele măsurătorilor în același tabel.
9. Calculați prin formula lungimea de undă necunoscută
unde este lungimea de undă cunoscută. Înregistrați valoarea lungimii de undă necunoscute în tabel.
9. Comparați valoarea lungimii de undă experimentată a luminii verzi cu lungimea de undă verde în spectrul de mercur. Tabelul liniilor spectrale principale ale spectrului de mercur este prezentat la locul de muncă sau este localizat la asistentul de laborator.
10. Calculați raza de curbură a cristalinului prin formula (11) sau (12). Pentru calcul se recomandă utilizarea metodei grafice pentru calculul razei de curbură. Pentru aceasta este necesar să se construiască un grafic al dependenței pătratelor de raze ale inelelor măsurate rm de numerele lor m. Conform punctului (12), graficul are forma unei linii drepte a cărei coeficient angular este egal cu R1. Cunoscând valorile lui l, determină R.
Întrebări și sarcini pentru munca independentă
1. În cazul în care lentila atinge greu placa, atunci ceea ce se observă în lumina reflectată (transmisă) în centrul interferenței - maxim sau minim? Ce ar trebui făcut pentru ca, în centrul modelului de interferență în lumina reflectată, să se poată observa alternanța minimă și maximă?
2. Care este metoda din această lucrare de laborator pentru a obține valuri coerente pentru observarea inelelor în lumină reflectată și transmisă?
3. De ce modelul de interferență obținut la instalarea Newton arată ca inele concentrice?
4. Ce diferențe în modelul de interferență pot fi observate dacă observăm în lumină reflectată și apoi în lumina transmisă?
5. Dacă instalația de observare a inelelor lui Newton este aprinsă de o lumină albă, cum vor arăta inelele? Evidențiați nivelurile de dificultate din această lucrare.
6. Explicați formulele (3) și (4), aplicând conceptul de lungime de coerență.
7. Evidențiați nivelurile de dificultate din această lucrare. Explicați cum în această lucrare primiți lumină monocromatică?
8. Dacă aerul dintre lentilă și placă este înlocuit cu apă cu un indice de refracție mai mare decât aerul, ce se va schimba în modelul de interferență?
9. Cum se schimbă inelele lui Newton când se schimbă raza de curbură a lentilei, indicele de refracție al materialului lentilei, indicele de refracție al materialului plăcii paralele plane?
10. Ce determină contrastul inelelor lui Newton?
11. Cum se corelează condițiile de minimă și maximă în lumina reflectată și transmisă?
12. Determinați regiunea în care sunt localizate inelele lui Newton.
13. Inelele lui Newton sunt benzi de "grosime egală" sau bandă "egală cu clona"?
14. Diametrele inelului cresc sau scad dacă o sursă de lumină monocromatică cu o lungime de undă de 600 nm este înlocuită de o sursă de lumină monocromatică cu o lungime de undă de 450 nm?
15. De ce se recomandă să nu se măsoare diametrele inelelor în apropierea centrului atunci când se efectuează lucrarea?
16. Cum se va schimba modelul de interferență în centrul său, dacă lentila este ridicată pas cu pas peste placă?
17. Numează exemple de utilizare a instalației pentru a observa inelele lui Newton.
18. Instalația de observare a inelelor Newton este iluminată de lumină monocromatică, care cade în mod normal. Atunci când spațiul dintre lentilă și placa de sticlă a fost umplut cu un lichid transparent, razele inelelor întunecate în lumina reflectată au scăzut cu 1,21 ori. Determinați indicele de refracție al lichidului [1,46].
19. Pe suprafața sferică a unei lentile din sticlă plană convexă există o secțiune plane plană cu o rază de 3 mm, cu care intră în contact cu o placă de sticlă plană. Raza de curbură a suprafeței sferice a lentilei este de 150 cm. Găsiți raza celui de-al șaselea inel de lumină atunci când este privită în lumină reflectată cu o lungime de undă de 0.655 μm.
20. O lentilă din sticlă plano-convexă cu o rază de curbură a unei suprafețe sferice de 12,5 cm este presată pe o placă de sticlă. Diametrele celui de-al zecelea și al cincisprezecelea inel închis al lui Newton în lumina reflectată sunt egale cu 1,00 și 1,50 mm. Determinați lungimea de undă a luminii [0,50] μm.
21. Două lentile de sticlă simetrice subțiri adiacente - una biconvexă, cealaltă biconcave - formează un sistem cu o putere optică de 0,50 D. În lumina cu o lungime de undă de 0,61 μm, reflectată de acest sistem, sunt observate inelele lui Newton. Definiți:
a) raza celui de-al zecelea inel întunecat;
(b) Cum se va schimba raza acestui inel dacă spațiul dintre lentile este umplut cu apă?
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: