Работа N 71.1. КОЛЬЦА НЬЮТОНА

Прежде чем приступить к работе, необходимо ознакомиться с введением по теме «Интерференция и дифракция».

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: измерить длины волн излучения ртутной лампы и радиус кривизны линзы из анализа интерференционной картины в виде колец Ньютона.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Явление интерференции можно наблюдать при освещении тонких прозрачных пленок, когда разделение световой волны на два когерентных пучка происходит вследствие отражения света от двух поверхностей пленки. В результате такого отражения возникают когерентные световые волны, которые при наложении дают локализованные интерференционные картины. Место локализации зависит от формы пленок, условий наблюдения и освещения.

Пусть в точку О на прозрачную пластину падает пучок света (луч 1), часть света отразится от верхней поверхности пластины в точке О (луч 2), другая часть, преломившись в точке О, отразится от нижней поверхности (луч 3) (рис.1)Пусть n1 и n2 - показатели преломления среды и материала пластины соответственно, i - угол падения, r - угол преломления, d - толщина пластины. Определим оптическую разность хода D лучей 2 и 3:

D = n2(OC+СB) - n1(OA). Из рисунка 1 видно, что: OC=OB=d/cosr, OA=OBsini, OB=2d tgr.

Рис.1.

Учитывая, что n2 /n1 = sin i /sin r, можно получить:

При вычислении разности хода необходимо учесть, что при отражении световой волны от границ раздела сред, если n2 >n1, фаза колебаний изменяется на p (это соответствует разности хода лучей l/2). В рассматриваемом случае если n2 >n1, то изменяет фазу луч 2; если n2 < n1, то фаза изменяется у луча 3 в точке C. С учетом этого выражение для разности хода лучей следует записать так

Таким образом, получается, что разность хода лучей 2 и 3 определяется толщиной пластины и углом падения (так как угол преломления определяется углом падения).

Результат интерференции зависит от значения D. При D = ml получаются максимумы, при D=(2m +1)l/2 - минимумы интенсивности (здесь m - целые числа).

При d=const (плоскопараллельная пластина) разность хода определяется только углом падения (рис.2). Для наблюдения интерференционной картины плоскопараллельную пластину освещают непараллельным пучком монохроматического света и параллельно ей располагают линзу, в фокальной плоскости которой находится экран. В отсутствии линзы интерференционная картина локализована в бесконечности, так как интерферируют параллельные между собой лучи.

Рис.2

Рис.3.

Лучи, падающие на пластину под одним и тем же углом, но в разных плоскостях, создают на экране совокупность точек с одинаковой освещенностью, которая, очевидно, будет иметь форму окружности. Лучи, падающие под другим углом, создают на экране кольцо с другой освещенностью. Если для некоторого значения i выполняется условие D = ml, на экране образуется светлое кольцо, если D=(2m +1)l/2 - темное. Такая картина носит название «полосы равного наклона».

В случае, когда пластина имеет форму тонкого клина (d ¹ const) и освещается параллельным пучком света(i = const) (рис.3) оптическая разность хода интерферирующих лучей (а значит, условие максимума и минимума освещенности) зависит от толщины пластины в том или ином ее месте. Интерференционная картина, наблюдаемая в этом случае, локализована над (или под) поверхностью клина и носит название полос равной толщины. Для правильного клина она представляет собой чередование светлых и темных полос параллельных ребру клина. Локализация полос равной толщины зависит от угла падения i и от угла клина a, при фиксированном a картина расположена тем ближе к поверхности, чем меньше угол падения, и для нормально падающего света (i =0)полосы равной толщины локализованы на поверхности клина.

Рис.4.

Классическим примером полос равной толщины являются кольца Ньютона. Они наблюдаются, когда выпуклая поверхность линзы малой кривизны соприкасается с плоской поверхностью хорошо отполированной пластины. При этом воздушная прослойка постепенно утолщается от центра к краям. Кольца Ньютона можно наблюдать как в отраженном, так и в проходящем свете (рис.4).

Пусть на линзу падает монохроматический параллельный пучок света по нормали к ее плоской поверхности. В результате сложения волн, отраженных от верхней и нижней границ воздушной прослойки, будет наблюдаться интерференционная картина. Так как для точек, равноудаленных от центра, толщина воздушной прослойки одинакова, то в результате наблюдается следующая картина: в центре расположено темное пятно, окруженное рядом светлых и темных концентрических колец убывающей толщины (рис.4,а). При наблюдении в проходящем свете интерференционная картина будет негативная, т.е. в центре будет светлое пятно (рис.4,б).

Определим диаметр колец Ньютона, наблюдаемых в отраженном свете. Учитывая, что при отражении на границе воздух-стекло происходит потеря полуволны l/2, оптическая разность хода двух интерферирующих волн на расстоянии rm от центра линзы равна D= 2bm + l/2, где bm - толщина воздушного клина в этом месте. Условие минимума интенсивности (темное кольцо) выполняется, если оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн. Следовательно, условие образования m-го темного кольца:

2bm + l/2=(2m + 1) l/2 или 2bm = ml . (1)

Рис.5 Величину bm можно вычислить из геометрических соотношений (рис.5).

ОВ= ОА= R, где R - радиус кривизны линзы, тогда:

R2 = rm2 + (R - bm)2 = rm2 + R2 - 2Rbm + bm2

Ввиду малости bm величиной bm2 можно пренебречь. С учетом этого приближения получаем

bm = rm2/2R