Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец ньютона методические указания к лабораторной работе №6 по физике (Раздел «Оптика») Ростов-на-Дону 2010 (стр. 1 из 2)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ

С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

Методические указания к лабораторной работе № 6

по физике

(Раздел «Оптика»)

Ростов-на-Дону 2010

Составители: С.И. Егорова, И.Н. Егоров, Г.Ф. Лемешко

УДК 530.1

«Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона»: Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010. - 10 с.

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методики определения радиуса кривизны линзы. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

Печатается по решению методической комиссии факультета

«Нанотехнологии и композиционные материалы»

Научный редактор проф., д.т.н. В.С. Кунаков

Цель работы: 1. Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона.

2. Определение длины волны света по известному радиусу кривизны линзы.

Оборудование: Микроскоп, осветитель, плосковыпуклая линза, плоскопараллельная пластинка, светофильтры.

Теория метода

Схема опыта для получения интерференции в виде колец Ньютона приведена на рис. 1. Плосковыпуклая линза большого радиуса кривизны

накладывается выпуклой стороной на плоскую стеклянную пластинку. Между соприкасающимися в точке А поверхностями линзы и пластинки образуется клинообразный воздушный слой. Если на такую систему вертикально сверху падает пучок монохроматического света, то световые волны, отраженные от нижней поверхности линзы (луч 1) и верхней поверхности пластинки (луч 2), будут интерферировать между собой. При этом образуются интерференционные линии, имеющие форму концентрических светлых и темных колец (рис. 2).

При отражении от нижней пластинки, представляющей оптически более плотную среду, чем воздух, волны меняют фазу на противоположную, что эквивалентно уменьшению пути на

. В месте соприкосновения линзы с пластинкой (рис. 1) толщина воздушной прослойки значительно меньше длины волны. Поэтому разность хода между лучами, возникающими в этой точке, определяется лишь потерей полуволны при отражении от пластинки:

. Следовательно, в центре интерференционной картины (рис. 2) наблюдается темное пятно.

Оптическая разность хода в отражённом свете при интерференции в тонких плёнках в случае нормального падения света:

(1)

Условие минимума при интерференции:

, (2)

где

-порядок интерференционного минимума,

- показатель преломления воздуха,

- толщина воздушного зазора,

- длина волны света в вакууме.

Приравниваем (1) и (2):

(3)

Из прямоугольного треугольника ODC (рис. 1) по теореме Пифагора:

Учитывая, что

, т.к.

получаем:

, (4)

где

- радиус кривизны линзы.

Подставляя (4) в (3), получаем:

Учитывая, что диаметр кольца

, а

, получаем формулу для расчёта радиуса кривизны линзы:

, (5)

где

- номер кольца,

- диаметр

- го тёмного кольца.

Для более точного результата необходимо сделать измерения двух колец и по разности их диаметров получить рабочую формулу для определения радиуса кривизны линзы:

, (6)

где

- номера колец.

Из формулы (6) мы можем получить формулу для расчёта длины волны света по известному радиусу кривизны линзы:

. (7)

Описание экспериментальной установки

Установка для наблюдения колец Ньютона и проведения измерений (рис.3) представляет собой микроскоп 1. На предметный столик 2 микроскопа помещена система: плоско-выпуклая линза с плоско- параллельной пластинкой в оправе 3. Свет от лампочки

через линзу 4 параллельным пучком падает на монохроматический светофильтр 5 и полупрозрачную пластинку 6, расположенную под углом 45^º к лучам падающего света. Отражённый от пластинки 6 свет падает на систему линза-пластинка, после отражения от которых свет попадает в объектив микроскопа. Интерференционная картина рассматривается через окуляр микроскопа 7. В поле зрения микроскопа наблюдатель будет видеть кольца Ньютона в увеличенном виде. Окуляр микроскопа снабжён окулярным микрометром (специальная шкала с перекрестием), с помощью которого измеряются радиусы (диаметры) колец Ньютона (рис. 2). Цена деления шкалы микрометра зависит от длины тубуса микроскопа 8 (таблица находится на рабочем столе). Перемещением тубуса 9 добиваются фокусировки микроскопа, т.е. резкого изображения колец Ньютона в фокальной плоскости окуляра.

К лабораторной работе прилагается переводная таблица, в которой указано, какой линейной величине на объекте соответствует одно деление шкалы 8 окулярного микрометра.

Порядок выполнения работы и обработка результатов измерений

ЗАДАНИЕ 1. Определение радиуса кривизны линзы

1. Установить по заданию преподавателя длину тубуса

2. Определить цену деления микроскопа (с) по длине тубуса

и по таблице перевода, представленной на рабочем столе.

3. Установить на пути лучей светофильтр с известной длиной волны по заданию преподавателя (например, красный).

4. Измерить по окулярному микрометру микроскопа диаметры нескольких колец Ньютона, начиная с первого (не менее пяти). Для этого для выбранного кольца отметить число делений на шкале слева (

) и справа (

) от центра. Разность между этими значениями даёт диаметр данного кольца (в делениях):

Например, на рис. 2 для 5-го тёмного кольца

=12 делений, а

=48 делений. Следовательно, диаметр 5-го тёмного кольца равен 36 делений.

5. Диаметр колец Ньютона (в

) определяется по формуле:

6. Вычислить по формуле (6) радиус кривизны линзы три раза (для разных сочетаний