Obiectiv: familiarizat cu fenomenul de interferență a inelelor Newton în exemplu, empiric determinarea razei de curbură a lentilei.
1.1 informații teoretice Scurt
Propagarea luminii în spațiu, precum și o parte a fenomenelor asociate cu interacțiunea dintre lumină și materie sunt explicate teoria ondulatorie. Conform acestei lumina este o undă electromagnetică, și diferă de alte unde electromagnetice în lungime. Oscilațiile undei de lumină apar vectori ale câmpurilor electrice și magnetice. Acești vectori sunt perpendiculare una pe cealaltă și ambele sunt perpendiculare pe direcția de propagare a luminii. În general, vibrațiile considerate doar câmpul electric, acesta este numit un vector de lumină. Intensitatea câmpului magnetic este scăzut, deoarece câmpul magnetic este substanțial nu reacționează cu substanța.
Fenomenul de interferență luminii se produce atunci când suprapunerea a două sau mai multe valuri de lumină constă în faptul că intensitatea undei care rezultă nu este egală cu suma intensităților undelor sunt suprapuse. La unele puncte în intensitate spațiu este mai mare decât suma în cealaltă - cea mai mică; există un sistem de maxime și minime de intensitate, care se numește un model de interferență. O condiție obligatorie a undelor de interferență este coerența lor. De asemenea, este necesar ca oscilație a vectorului de lumină a avut loc într-o direcție sau în direcții similare.
Ei au numit valuri coerente care, în fiecare punct al spațiului creează vibrații cu o diferență de fază constantă. Lăsați lumina oscilație a primului vector val descris de formula cos E1 = A1 + (wt J1), iar al doilea val - cos E2 = A2 + (wt J2). În conformitate cu principiul superpoziției la câmpul electric al vectorului de undă a luminii din valoarea rezultată va fi egală cu suma E1 și E2. acesta va oscila armonios, amplitudinea vibrațiilor la pătrat
Intensitatea undei luminii este proporțională cu amplitudinea medie pătrată de oscilație a vectorului de lumină. Pentru valuri coerente toate cantitățile de pe partea dreaptă a formulei (1.1) sunt constante, în timp ce intensitatea undei rezultat
În funcție de diferența de fază a oscilațiilor treilea termen cu formula (1.2) poate varia de la (la j2 -j1 = (2k + 1) p, k = 0, 1, 2, ...) la (la j2 -j1 = 2kp, k = 0, 1, 2, ...). În primul caz, cel puțin intensitatea undei rezultante în al doilea - maxim.
Fazele inițiale ale oscilațiilor J1 și J2 la fiecare punct determinat de distanțele care trec l1 lungime de undă și l2. și anume distanțele de la acest punct la sursa undelor luminoase coerente.
unde # 955; - lungime de undă. Apoi, diferența fazei de oscilație
Aici - valuri diferență accident vascular cerebral care se suprapun peste un punct dat. Această valoare determină complet rezultatul interferenței, adică apariția la punctul de intensitate a luminii maximă sau minimă. Condiția pentru apariția maxim
apariție condiția minimă
Observarea arată că, la aplicarea luminii din două surse independente, nu se produce interferențe, intensitatea luminii la toate punctele egale cu suma intensităților. Motivul pentru aceasta este faptul că lumina de la orice sursă, alta decât un laser, este compus din trenuri de undă care sunt emise în mod independent atomi individuali. timp de radiație a unui atom de ordinul 10 -8. Ca rezultat, unda de lumină care are loc după intervale scurte modificări aleatorii fazei inițiale de oscilație a vectorului de lumină, de asemenea, variază în mod aleatoriu direcția de vibrație. Timpul în care faza inițială de oscilație rămâne neschimbată, iar timpul de coerență numit notat # 964; coh. Este evident că # 964; coh <<10 -8 с. Лишь в течение этого времени сохраняется неизменной интерференционная картина при наложении света от двух независимых источников, наблюдать ее невозможно.
Radiația laser a atomilor individuali induși, are proprietăți apropiate de un val monocromatic. Dar monochromaticity completă nu a ajuns, frecvența de radiație a lua diferite valori în intervalul Dw. Diferențele în frecvențele dau naștere la o diferență de fază, care crește cu timpul. Astfel de valuri pot fi coerente decât a lungul timpului coerență # 964; coh = 2p / Dw. Pentru lasere această valoare este mai mică de 10 -5 s, observarea interferenței după aplicarea radiațiilor a celor două lasere este de asemenea imposibil.
Două valuri de lumină coerente pentru a observa interferența poate obține stripat în nici un fel un val de lumină. În cazul în care cele două părți ale luminii val din nou să se impună reciproc, un model de interferență. Atunci când această diferență de lungime calea undelor punct înainte de punctul de aplicare divizat nu trebuie să depășească distanța parcursă de lumină în timpul coerentei timp lkog = c # 964; coh. Cantitatea Lkog numită lungimea de coerență. în timpul # 964; coh radiație coerentă încetează să mai fie ea însăși, și, prin urmare, o parte a sursei de radiație, separate de o distanță mai mare decât lkog. nu coerent.
Există mai multe modalități de divizare radiații a sursei de lumină în două părți. În experimentul lui Young a folosit trecerea luminii prin două găuri mici, într-un ecran opac. oglinzi Fresnel - două oglinzi plane dispuse la un unghi puțin mai mic de 180 °. Ele reflectă lumina de la o sursă la ecran, creând în fiecare punct al ecranului de două superpoziției valuri coerente. Același obiectiv este realizat prin utilizarea unui biprism Fresnel, două valuri coerente sunt cauzate de refracție a luminii prismă dublu. Atunci când observăm interferența întotdeauna caută să reducă intervalul de frecvență Dw, care conține valuri de frecvență de interferență. Pentru aceasta lumina este trecut prin filtru.
experimente simple în care există o interferență, lumina este reflectată de un film subțire (vezi. Figura 1.1). Lumina care a trecut prin filtru este direcționat pe suprafața superioară a filmului, unghiul de incidență # 945;. Această lumină este reflectată parțial de suprafața filmului, parțial refractate și se extinde spre interior substanță. unghiul său de refracție # 946;, n - indicele de refracție al materialului filmului. Lumina refractata este din nou parțial reflectată de suprafața inferioară a filmului și iese printr-o suprafață superioară, suprapuse pe lumina reflectată de suprafața superioară. Astfel, există o diviziune în două valuri cu superpoziție lor în continuare. Diferența cale optică a celor două valuri
Diferența căii optice se obține din diferența geometrică prin înmulțire pe indicele de refracție n. Nevoia pentru aceasta este diferența dintre lungimea de undă a luminii în mediul # 955; lungimea de undă în aer # 955; 0. Lungimea de undă este egală cu produsul din perioada de oscilație și viteza de propagare a undei, prin urmare, # 955; 0 / # 955; = (c T) / (v T) = c / v = n. care este # 955; n ori mai mare decât # 955; 0. accident vascular cerebral valuri diferență în comparație cu lungimea de undă, aceste lungimi ale căii, în mijlocul filmului cade de n ori mai mare. scădere # 955; 0/2 datorită schimbării în faza de oscilație a undei de lumină asupra reflecție de limita mediului dens. La punctul de reflexie a fazei undei de oscilație reflectate diferă de faza undei incidente pe p, ceea ce corespunde unei variații în continuare a diferenței de cale optică # 955; 0/2. Acest fenomen este cunoscut sub numele de „pierderea a jumătate de val.“ Atunci când valurile de reflecție de la limita unui mediu mai puțin dens, care este, pe suprafața inferioară a filmului este o schimbare de fază în oscilație nu se produce.
La film de constanta diferenta de grosime a undelor de interferență pot fi diferite pentru diferite locuri ale filmului, datorită diferențelor între unghiuri de incidență # 945;. Punctele pentru care unghiul # 945; Este nevoie de valori similare care corespund condițiilor de apariție a maxim (1.3) și minimă (1,4) formează o bandă. Vizual, acestea sunt observate ca dungi închise la culoare și lumină pe suprafața filmului, aceasta se numește dungi model de interferență de înclinare egale. Când incidentul pe un plan de film subțire unghi de incidență val, la toate punctele de același, interferența în acest caz, duce la dependența intensității undei reflectate de grosimea filmului h. Dacă grosimea filmului în diferite locații nu sunt identice, punctele pentru care condițiile de apariție a maxim (1.3) și minimă (1.4) formează o linie. De-a lungul acestor linii, există benzi de lumină și întuneric, numite franjuri de grosime egală.
1.2 Descrierea instalării și metoda de investigare
1.2 Descrierea instalării
inelele lui Newton sunt o varietate de benzi de grosime egală. Ele apar atunci când lumina este reflectată de la partea de jos a suprafeței lentilei convexă și suprafața sticlei plane, care se referă la acest obiectiv (a se vedea. Figura 1.2). În acest caz, rolul jucat de un strat subțire de film de aer între suprafețele plăcii lentilei și suprafața plană. Lumina este direcționată de deasupra obiectivului, trece prin filtru și proprietățile sale este aproape de monocromatic undă plană care se propagă de-a lungul axei optice a sistemului. Deoarece inelele sunt observate la grosimi foarte mici ale diferenței de aer hk și rk lor raze sunt foarte mici în comparație cu raza de curbură a lentilelor R, unghiul de incidență pe suprafața inferioară a lentilei poate fi considerată ca fiind aproximativ zero. Apoi, diferența de călătorie val, reflectată de suprafața lentilelor inferioară și suprafața superioară a plăcii
deoarece n = 1 pentru aer. condiție maximă (1.3) și minimă (1.4) vor fi operate în conformitate cu anumite valori ale h pentru toate punctele cercurilor cu razele r corespunzătoare. Modelul interferență va fi sub formă de lumină concentrice și inele întunecate. În centru, într-un loc de lentile de contact și placa va fi o pată întunecată.
Hk denotă grosimea fantei de aer în care condiția apariției minimă interferență k. Apoi rk este egală cu raza inelului întunecat k, în conformitate cu teorema lui Pitagora
Deoarece hk este foarte mic, putem neglija termenul în partea dreaptă. Din compararea formulelor (1.4) și (1.6), care apoi au k-lea inel întuneric rază
Observarea inelelor lui Newton și măsurarea razelor lor se realizează cu ajutorul unui microscop (figura 1.3). Sistemul de lentile și plachetei este montat pe o masă cu medicament P, un tabel cu două șuruburi se pot deplasa în orice direcție orizontală. Între vizualizare tub T și lentila pe microscop este setat semioglindă 45 ° oplicheskoy lumină axa îndreptată spre ea din iluminatorului S. reflectată propagă lumina de oglindă de-a lungul axei optice în jos, se ajunge prin lentile și placa lentilei. Sistemul de lentile-placă reflectată revine de lumină de-a lungul axei optice care trece prin lentila, oglinda semitransparentă și un ocular OK. Această lumină este compusă din două valuri coerente care interferează cu formarea inelelor lui Newton. oglindă semitransparentă în același timp servește ca un filtru roșu pentru a trece doar lumina cu o lungime de undă # 955 = 6,5 x 10 -7 m.
Pentru a măsura diametrele inelelor Newton plasate în ocularul imaginii scală microscop care se suprapune pe imaginea inelelor. Diviziune de scală a0 = 0,02 mm = 2 x 10 -5 m. Pentru a determina raza de curbură a lentilelor R, măsurăm diametrele inelelor Newton m-lea k-lea și. Conform formulei (1.7), aceste diametre sunt asociate cu raporturile razei de curbură
Const apare în formulă, deoarece obiectivul nu poate atinge suprafața plăcii din cauza prezenței de murdărie în punctul de tangență. Aceasta modifică diferența de drum dintre undele reflectate pentru toate punctele de pe o singură valoare (Const). atunci
1.3 Ordinea de performanță și
prelucrarea rezultatelor măsurătorilor
1. Porniți dispozitivul de iluminare, pentru a verifica dacă inelele lui Newton sunt în câmpul vizual al microscopului. Dacă este necesar, reglați calitatea imaginii utilizând mișcarea verticală a șurubului și baril mișcare inele Newton în centrul câmpului cu șuruburile muta masa. Scara trebuie să treacă prin centrul sistemului de inel.
2. Măsura de trei ori diametrele primelor patru inele Newton (k = 1, 2, 3, 4). Măsurătoarea a fost realizată pentru diverse diametru naprvlenie prin rotirea scalei împreună cu ocularul. Rezultatele măsurătorilor sunt scrise în tabelul 1.1.
6. Se calculează și completați tabelul 1.2 valoarea medie a razei de curbură a lentilelor R, erorile absolute ale măsurătorilor individuale R DR, iar eroarea medie absolută.
7. Se calculează în raport de eroare de măsurare R, scrie rezultatul final în format standard.
2.4 Review Întrebări
1. Care este interferența luminii? În ce condiții este observat?
2. Ce fel de valuri sunt numite coerente? Cum să obțineți valuri de lumină coerente?
3. Care este timpul de coerență? De ce nu interferența luminii atunci când sunt aplicate pe două surse reale?
4. Cum să contactați lumina nonmonochromaticity timp coerență? Ce se face pentru a crește timpul și lungimea de coerență?
5. În ce condiții interferență duce la intensitatea maximă și minimă a luminii?
6. Care este diferența cale optică între undele de lumină? Ceea ce o face diferită de diferența cale geometrică?
7. Care este diferența de lungime a căii atunci când lumina este reflectată de suprafețele de film subțire? Care este pierderea jumătate de undă pe reflecție?
8. Cu o astfel de bandă de grosime egală și înclinația egală?
9. Care este inelele lui Newton? Cum ele apar?
10. Pe măsură ce lumina trece prin microscop când observarea inelelor lui Newton?