Установка для наблюдения колец Ньютона
На кафедре физики УГТУ-УПИ прибор для наблюдения колец Ньютона смонтирован на базе микроскопа - компаратора типа МИР-12. Он состоит из массивного основания, на котором крепится стол 1, имеющий форму прямоугольной рамы. К основанию рамы прикреплен дугообразный кронштейн 2, на котором установлены измерительное устройство и микроскоп объектива микроскопа.
Рис. 5
Оптическая система, с помощью которой получаются кольца Ньютона, представляет собой массивную линзу с большим 30...60 см радиусом кривизны и плоскопараллельную стеклянную пластину, которые укреплены в металлической обойме 3. Обойма может перемещаться вдоль стола компаратора. Она закрепляется в нужном положении посредством винтов 4. Источником света служит лампочка накаливания со светофильтром или неоновая лампочка 5, укрепленная на оправе объектива микроскопа
В поле зрения окуляра одновременно наблюдаются кольца Ньютона и визирная линия, по которой измеряются диаметры колец.
Измерительное устройство состоит из микрометрического винта с барабаном, вращением которого обеспечивается перемещение окуляра микроскопа в горизонтальном направлении. Отсчет по визирной линии положения левого и правого края колец производится по миллиметровой шкале 9 и круговой шкале барабана 8, позволяющей отсчитывать десятые и сотые доли миллиметра. Разность показаний шкалы и является диаметром кольца Ньютона.
Порядок работы
В компьютерном варианте данной лабораторной работы можно выделить три этапа работы:
1. Изучение теоретической части данного методического описания.
2. Выполнение экспериментальной части работы с элементами тестового контроля. При ответах на контрольные вопросы следует принять радиус кривизны линзы равным 40,5 см и длину волны равной 612 нанометрам (нм).
3. Обработка опытных данных, вычисление искомой величины и погрешности измерений, оформление отчета.
В компьютерном варианте данной работы достаточно точно моделируются условия проведения измерений. Экспериментатор видит вертикальную визирную линию, которую можно перемещать с помощью клавиатуры влево или вправо и наводить ее на левый или правый край кольца. Наводить визирную линию следует на темные кольца. Поскольку само темное кольцо имеет некоторую толщину, то рекомендуется наводить визир на центральную часть темного кольца, при этом от тщательности измерений зависит точность результатов расчета.
Очевидно, разность отсчетов для одного и того же кольца, сделанных справа и слева от центрального темного пятна дает величину его диаметра. Всего необходимо измерить диаметры четырех колец и представить результаты в отчет в виде таблицы.
Таблица 1.Результаты измерения диаметров колец Ньютона
| Кольцо | Положение конца диаметра кольца | Диаметр кольца D = X п – Х л | |
| Слева Справа | |||
Далее по формуле (14):
рассчитываются длины волн для различных пар колец (всего возможно шесть комбинаций), радиус кривизны линзы следует принять равным 40,5 см.
Расчет среднего значения длины волны и погрешности ее определения следует провести двумя способами.
1. Формулу (14) преобразуем к виду:
где .(15)
Значения , и заносят в таблицу 2.
Расчет значений Таблица 2
| l – k | ,мм | , мм | ,мм | мм | A, мм2 | мм2 | мм4 |
| 4 – 1 | |||||||
| 4 – 2 | |||||||
| 4 – 3 |
мм2 мм4
Из данных таблицы 2 определяется средняя длина волны света и доверительная граница случайной погрешности A по формулам: , (16)
(17)
где n - число комбинаций колец, внесенных в таблицу 2;
- коэффициент Стьюдента для данного n и доверительной вероятности p= 0,95 ( для трех комбинаций он равен 4,3).
Систематической погрешностью в определении A пренебрегаем вследствие ее малости, следовательно, .
Доверительная граница абсолютной погрешности результата измерения длины волны определяется по формуле
(18)
где
(19)
Величина =0,5 см. Окончательный результат записывается в виде:
. (20)
2. Графический метод определения длины волны
Формулу (14) для определения длины волны можно переписать в виде:
(21)
если внести обозначения: ,
то эта формула примет вид:
(22)
Графиком, соответствующим формуле (22), в координатах x-y является прямая линия (рис.6). Для построения этого графика значения заносятся в таблицу 3.
Причем для расчета всех значений х k - берется равным 1, а 1 - принимает значения последовательно от 2 до 4.
Расчет значений х и y. Таблица 3
| мм | мм | мм | мм | мм2 | |
| 1=2-1 2=3-1 3=4-1 |
Угол наклона графика позволяет оценить длину волны :
(23)
Рис.6.