Лабораторная работа № 3-2к кольца Ньютона

Цель работы: наблюдение полос равной толщины, измерение радиуса кривизны линзы.

Оборудование: Устройство для наблюдения колец Ньютона, микроскоп «Микромед-6» при наблюдении колец Ньютона в проходящем свете или микроскоп МЛ-2 при наблюдении в отражённом свете, объект – микрометр, видеокамера высокого разрешения DSM500, компьютер.

 

Методика эксперимента

Кольца Ньютона, это классический пример кольцевых полос равной толщины, наблюдаемых при интерференции лучей, отражённых от поверхностей зазора между стеклянной пластинкой и соприкасающейся с ней выпуклой линзой.

Видность интерференционных полос характеризуют отношением интенсивностей света в максимумах и минимумах по формуле:

. (1)

Эта величина изменяется в пределах от нуля, при для некогерентного света, до единицы, при в случае когерентного света.

Полосы могут наблюдаться как в отражённом, так и в прошедшем свете. Однако в последнем случае видность интерференционной картины существенно ниже. Действительно, если лучи 1 и 2 примерно равны по интенсивности, то луч 3 во много раз сильнее луча 4 (рис. 1.), поскольку коэффициент отражения от стекла равен примерно 4 %, а как следует из формулы (1) максимальная видность реализуется при равных интенсивностях интерферирующих лучей.

Рис. 1. Получение полос равной толщины в воздушном клине. Углы отклонения лучей от нормали сильно преувеличены.

 

Интенсивности колец в проходящем и отражённом свете дополнительны, то есть в любой точке зазора сумма их интенсивностей постоянна и равна интенсивности падающей плоской волны (рис. 2.). Это является следствием выполнения закона сохранения энергии, переносимой светом при интерференции.

Рис. 2.

 

Измерив, радиус тёмного или светлого кольца, по формулам (5.3) и (5.4) можно рассчитать радиус линзы. Однако непосредственный расчёт по формуле (5.3) может привести к значительным погрешностям. Следует обратить внимание на то, что формулы (5.3) и (5.4) справедливы лишь в случае идеального (точечного) контакта сферической поверхности линзы с пластинкой. Но идеальных контактов не бывает, и в общем случае номера наблюдаемых колец могут не совпадать с порядком интерференции, и это обстоятельство необходимо учитывать при расчётах.

Поэтому радиус линзы определяют по измеренным радиусам и двух колец с номерами, соответственно, и по формуле:

.

На практике удобнее измерять не радиусы колец Ньютона, а их диаметры , поэтому формулу лучше переписать в виде:

. (2)

Для типичных линз радиусы колец Ньютона и расстояния между ними малы. Поэтому наблюдение и измерение радиусов интерференционных колец осуществляется с помощью микроскопа. В настоящей работе используется микроскоп «Микромед-6», оснащённый цифровой видеокамерой высокого разрешения DCM500, подключённой к компьютеру. Наблюдение колец Ньютона ведётся в проходящем не монохроматическом свете, поэтому кольца имеют радужную окраску.

 

Порядок выполнения работы

Перед началом выполнения работы необходимо изучить теорию интерференции, ознакомиться с описанием микроскопа «Микромед-6», инструкцией по его эксплуатации (см. Приложение № 3) и описанием программы «scopephoto» (см. файл «user_guide»).

При работе с микроскопом необходимо соблюдать аккуратность. Категорически запрещается прилагать большие усилия при вращении рукояток вертикального перемещения тубуса 2 и координатного предметного столика 6. Работу рекомендуется проводить в следующей последовательности.

 

Задание 1.

 

1. Поднимите тубус микроскопа вверх рукоятками 2. Установите устройство для наблюдения колец Ньютона на предметный столик микроскопа Микромед - 6. Опустите тубус микроскопа так, чтобы между объективом тубуса и окном объект - микрометра обязательно оставался небольшой зазор. Не соблюдение этого условия приводит к поломке микроскопа!!!

2. Включите источник света микроскопа и, перемещая тубус микроскопа по вертикали, добейтесь резкого изображения колец Ньютона рукоятками 2 грубой и точной фокусировки. При необходимости перемещайте изображение в центр поля зрения в горизонтальной плоскости рукоятками 6.

3. Включите компьютер и запустите с рабочего стола программу «scopephoto».

4. Получите изображение колец Ньютона на мониторе компьютера. Для этого на открывшейся вкладке Start Page выберите последовательно Live Capure/Scope Tek DCM500.

5. Рукояткой 6 точной фокусировки микроскопа добейтесь максимальной резкости изображения на экране монитора. На изображении должно наблюдаться не менее пяти тёмных колец Ньютона. В случае необходимости для повышения степени монохроматичности света, и соответственно, большего количества наблюдаемых колец Ньютона можно использовать светофильтры.

6. Сохраните полученное изображение в созданной вами папке на диске D. Для этого в основном меню выберите Layer/New и введите название слоя (свою фамилию и номер группы). Далее в том же основном меню выберите Draw/Line/Horizontal Line (или другой инструмент, например, Any Line).

7. На сохранённом изображении выполните измерения диаметров не менее пяти колец Ньютона. Для этого при помощи мыши с нажатой левой кнопкой нанесите на изображение выбранного кольца горизонтальную линию, проходящую через центр кольца (щелчок левой кнопкой вначале линии, нажатая левая кнопка для нанесения линии и щелчок левой кнопкой в конце линии). Запишите диаметр кольца в пикселях и в миллиметрах. Если размер пикселя неизвестен, то его нужно определить по снимку объект-микрометра (файл «объект-микрометр») с помощь программы «scopephoto».

8. Измерения выполните не менее трёх раз для каждого кольца, найдите среднее значение и данные занесите в таблицу.

Таблица 1

 

Номер кольца	Диаметр кольца , пк.	Диаметр кольца , мм.

 

9. По формуле

вычислите радиус кривизны линзы, где и диаметры, а и номера колец. За величину примите значение =550 нм.

После окончания измерений сохраните файл на диске D компьютера в папке с названием своей группы (например, СВ_01..) и при необходимости на своём личном съёмном диске (флэш - карта, компакт диск и т.п.).

10. Оцените погрешность измерений по формуле Стьюдента и запишите результат в формате:

.