Описание экспериментальной установки

В данной работе используется лабораторный оптический комплекс ЛКО – 1 (рис.2).

Рис.2. Оптический комплекс ЛКО – 1А: 1 – набор светофильтров (объект 42); 2 – дополнительный узел для получения интерференционной кар­тины «кольца Ньютона»; 3 – тумблер «сеть»; 4 – тумблер «лампа»; 5 – регулятор тока лампы «J2»

Для получения интерференционной картины «кольца Ньютона» на оптическую скамью комплекса ЛКО – 1А устанавливают дополнительный оптический узел (рис.3).

Рис.3. Внешний вид установки с дополнительным оптическим узлом: 1– набор светофильтров; 2 – «кольца Ньютона» (объект 46); 3 – отражатель; 4 – линза (объект 13); 5 – микрометрический винт; 6 – поворотное зеркало; 7 – окуляр-микрометр; 8 – модуль 8.

Рис. 4. Оптическая схема получения интерференционной картины

Оптическая схема получения интерференционной картины «кольца Ньютона» приведена на рисунке 4. Свет а от лампы 1 через собирающую линзу и светофильтр 2, помещенный в кассету, направляется на зеркало 3, ус­тановленное под углом 45° к падающему свету. Отразившись от него и пройдя полупрозрачное зеркало 5, свет а′ попадает на объект 46 «кольца Ньютона» - 4. Луч с объекта 46 возвращается снова на полупрозрачное зеркало 5 в точку, с которой отражается вместе со вторым падающим лучом b. Таким образом, между лучами а′ и b возникает оптическая разность хода. Интерференционная картина, локализованная вблизи отражающих поверхностей объекта 46 «кольца Ньютона», изображается линзой (7) в объектной плоскости F и наблюдается визуально в увеличенном виде через окуляр-микрометр. Объект 46 – «кольца Ньютона» (4) представляет собой сложенные вместе плоскую пластинку и линзу с выпуклой поверхностью радиусом около 3 метров (рис.4).

Координаты «колец Ньютона» определяют с помощью визира окуляр-микрометра следующим образом. В фокальной плоскости окуляра (рис.4) расположена неподвижная шкала с делениями от 0 до 8 мм, подвижное перекрестие и репер в виде двойного штриха (биштрих). Неподвижная шкала в поле зрения окуляра служит для отсчета полных оборотов барабана. При повороте барабана микрометра на один оборот перекрестие в поле зрения окуляра перемещается на одно деление шкалы, которое равно 1 мм. По шкале, нанесенной на барабан микрометрического винта (разделенный по окружности на 100 частей), отсчитывают сотые доли миллиметра. Отсчет по барабану определяется делением шкалы, находящимся против репера, нанесенного на неподвижный цилиндр окуляр-микрометра. Полный отсчет перемещения складывается из отсчета по не­подвижной шкале и отсчета по барабану микрометрического винта 5 (рис.3).

Пример: биштрих на неподвижной шкале расположен между деле­ниями 5 и 6, а репер на шкале барабана находится против деления «35» . Полный отсчет будет равен 5 + 0.01 ∙ 35 = 5,35 мм (рис.5).

Рис. 5.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение радиуса кривизны линзы

1. На панели комплекса ЛКО-1А включить тумблер «сеть» (рис.2).

2. Включить тумблер «лампа» (рис.2).Установить красный светофильтр (λ = 647 нм). Регулятор тока лампы J₂ вывести в положение, соответст­вующее четкому изображению «колец Ньютона», и с помощью винта модуля 8 установить интерференционную картину в центре поля зрения окуляр-микрометра (должен делать инженер или преподаватель). Установить перекрестие на середину центрального пятна.

3. Измерить с помощью окуляр-микрометра координаты 5-6 темных колец. Для этого, вращая микрометрический винт, установить перекрестие на крайнее справа отчетливо видимое темное кольцо и произвести отсчет Х_прав по шкале (мм) и барабану (сотые доли мм) окуляр-микрометра.

4. Вращая винт микрометра и двигаясь к центральному кольцу, последова­тельно устанавливать перекрестие на следующие кольца и производить отсчеты. Для увеличения точности отсчета для каждого кольца проводят не менее 3 измерений (смещают положение перекрестия с исследуемого кольца и снова возвращают на кольцо, проводя отсчет) Найти среднее значение измерений и занести в таблицу 1.

5. Переместить перекрестие через центральное темное кольцо и установить его на левые части тех же самых темных колец. Отсчеты Х _лев. произвести аналогично п.3-4. Данные занести в таблицу.

6. Рассчитать радиусы колец по формуле

,

где β – коэффициент увеличения окуляр-микрометра равный 0,657. Данные занести в таблицу.

7. Комбинируя попарно радиусы колец вычислить радиус кривизны линзы по формуле

, (7)

где k и n – произвольно выбранные номера колец, радиусы которых и . Данные занести в таблицу 1.

8. Вычислить среднее значение радиуса кривизны линзы .

9. Окончательный результат для радиуса кривизны линзы R представить с учетом абсолютной погрешности измерений.

10. Определить радиус кривизны линзы графическим способом. Для этого построить график зависимости величины от его номера n. Через нанесенные на график точки провести прямую. Затем определить угловой коэффициент полученной прямой по формуле . Значение вычислить по формуле

. (8)

11. Сравнить среднее значение , рассчитанное по формуле (7) с значением, определенным графическим способом по формуле (8).

Таблица 1

№	Хпр, мм	Хлев, мм	r, мм	r2, мм	k	n				R, м	, м
…

Задание 2. Определение длины волны света

1. Установить зеленый светофильтр (или указанный преподавателем).

2. Повторить пункты 3-4 задания 1. Данные занести в таб­лицу 2.

3. Построить график зависимости величины от номера n. Через полученные точки провести прямую линию наиболее близкую к нанесенным точкам и проходящую через начало координат.

4. По графику определить угловой коэффициент полученной прямой .

5. Рассчитать длину волны света, пропускаемого светофильтром, по формуле

.

(радиус R принять равным из таблицы 1).

Таблица 2

№	Хпр , мм	Хлев, мм	r, мм	r2, мм	Δn	Δrn2	, м	λ, м
…

Контрольные вопросы

1. Какое явление называется интерференцией?

2. Какие волны называются когерентными?

3. Вывести условия max и min при интерференции двух волн.

4. Показать ход лучей, которые дают интерференционную картину в виде «колец Ньютона» в отраженном свете.

5. Вывести формулу для расчета радиусов колец в отраженном свете.

6. Что будет наблюдаться в центре интерференционной картины, если наблюдения проводить в проходящем свете?

7. Где плотнее расположены интерференционные кольца - в центре или на периферии? Почему?

8. Как влияет радиус кривизны линзы на интерференционную картину?

9. Как изменится расстояние между кольцами с увеличением показателя преломления вещества в зазоре между линзой и пластинкой?

Лабораторная работа № 60