МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АГРАРНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ФИЗИКИ И ХИМИИ

Лабораторный практикум по курсу общей физики

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Часть III (оптика)

для студентов очного и заочного отделений БГАТУ

МИНСК

2005

УДК 53(07)

ББК 22.3я7

Л 12

Учебно-методическое пособие «Лабораторный практикум по курсу общей физики» для студентов очного и заочного отделений БГАТУ рассмотрено на заседании методической комиссии агроэнергетического факультета, рекомендовано к изданию на ротапринте БГАТУ и использованию в учебном процессе (протокол № 7 от 1 марта 2005г.)

Составители: Дымонт Василий Петрович, доц., к.ф.-м.н.;

Малишевский Виктор Феликсович, зав. кафедрой, к.ф.-м.н.;

Чобот Геннадий Михайлович, доц., к.ф.-м.н..

Рецензенты: доктор технических наук, профессор кафедры общей

физики МГПУ им. М.Танка

Добрянский Валерий Михайлович;

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой

сопротивления материалов БГАТУ

Орда Александр Николаевич;

старший преподаватель кафедры физики и химии БГАТУ

Веселко Наталья Ивановна.

Ответственный за выпуск: зав. кафедрой физики и химии к.ф.-м.н., доцент

Малишевский В. Ф.

Компьютерный набор, оформление: Дымонт В.П.

Введение

Вы приступили к изучению заключительного раздела общей физики, который включает: волновую оптику; элементы квантовой оптики; элементы квантовой механики и зонной теории твердых тел; элементы физики атомного ядра.

Как видите, почти во всех названиях тем присутствует слово «элементы». Мы будем изучать не теории в полном объеме, а лишь некоторые основные положения, необходимые нам для понимания физической сути наблюдаемых явлений. Такое поверхностное знакомство связано не только с ограниченностью во времени, но, в первую очередь, со сложностью наглядного представления вводимых в данном разделе физических представлений. Сложностью, обусловленной тем, что мы должны рассматривать явления, происходящие в так называемом «микромире». В мире, где весь наш повседневный опыт, наши устоявшиеся взгляды оказываются несостоятельными.

Но именно благодаря этим не очень наглядным теориям – квантовой механике, квантовой электронике, теории твердого тела, физике атомного ядра и элементарных частиц, человечество не только продолжает познавать законы природы, но и успешно движется по пути технического прогресса, применяя эти законы.

Задача данного практикума – убедиться в неразрывной связи физических теорий, какими бы отвлеченными от реальности они не казались, с явлениями, непосредственно наблюдаемыми в эксперименте. А так же осознать, что без глубокого знания теории невозможно понять суть наблюдаемых явлений, тем более использовать их для практических нужд.

Лабораторная работа 3.1 Кольца Ньютона

Цель работы:

Наблюдая интерференционную картину (кольца Ньютона), определить: длину волны используемого света; радиус кривизны используемой линзы.

Оборудование:

Лабораторная установка для наблюдения колец Ньютона

Теоретическое введение

Одним из доказательств волновой природы света является интерференция световых волн. Явление интерференции может наблюдаться только для когерентных волн.

Две или несколько волн полностью когерентны если они:

- имеют одинаковые длины волн (частоты колебаний),

- колебания происходят в одинаковой фазе или с постоянной разностью фаз,

- амплитуды волн постоянны,

- волны имеют одинаковую поляризацию.

При наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности – это явление и называется интерференцией.

Особенно отчетливо интерференция проявляется в том случае, когда интенсивность двух интерферирующих волн одинакова.

П ервый эксперимент по наблюдению интерференции света в лабораторных условиях принадлежит И. Ньютону. Он наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Интерференционная картина имела вид концентрических колец (рис.1), получивших название колец Ньютона.

Рис.1 Кольца Ньютона

(В зеленом свете) (В красном свете)

Ньютон не смог объяснить, почему возникают кольца, однако он понимал, что это связано с какой - то периодичностью световых процессов.

Возникновение колец Ньютона объясняется интерференцией световых волн, отраженных от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки между линзой и плоской пластинкой.

Пусть на линзу нормально к поверхности падает пучок монохроматических световых волн. Часть пучка, пройдя линзу и отразившись от поверхности раздела «линза – воздушная прослойка» в точке А, пойдет в направлении 1 (Рис.2).

Другая часть пучка, пройдя линзу, воздушную прослойку АВ и отразившись от стеклянной пластинки в точке В, пойдет по пути 2. Направления отраженных лучей будут почти совпадать. Совпадение будет тем лучше, чем больше радиус линзы . Если радиус линзы велик, можно считать, что AB = BC.

Д ля количественной оценки интерференции нужно знать оптическую разность хода между двумя лучами: 1 и 2.

Оптической разностью пути двух интерферирующих лучей называют величину, равную разности оптических длин путей, пройденных лучами 1 и 2.

Оптической длиной пути называется геометрическая длина пути световой волны умноженная на абсолютный показатель преломления среды, в которой распространяется волна.

В нашем случае рассматриваемая среда – воздух, а для воздуха . Тогда оптическая разность пути ,будет равна AB + BC 2d

Необходимо учесть, что фаза отраженных от оптически более плотной среды волн изменяется на . Оптически более плотной является та среда, абсолютный показатель преломления которой имеет большее значение.

В нашем случае первый луч отражается в точке A от оптически менее плотной среды (воздушной прослойки между линзой и стеклянной пластинкой) и, следовательно, его фаза не меняется. Второй луч проходит воздушную прослойку AB и отражается в точке B от оптически более плотной среды (стеклянной пластинки), следовательно, его фаза изменяется на (волна сдвигается на ). Тогда полная оптическая разность хода будет равна:

Зная оптическую разность хода, можно записать условия наблюдения максимума интенсивности (светлых колец) и минимума интенсивности (темных колец) в интерференционной картине.

Условие наблюдения максимума:

– оптическая разность хода равна целому числу длин волн или четному числу полуволн. Для нашего случая: , откуда , или , где номер светлых колец.

Условие наблюдения минимума:

– оптическая разность хода равна нечетному числу полуволн.

Для нашего случая: , откуда

Значение соответствует центральному темному пятну. Значения соответствуют первому, второму и т.д. темным кольцам. Отсчет величины проводится от центра интерференционной картины.

Найдем чему равен радиус -го темного кольца Ньютона.

Из рис.2 видно, что

Учитывая, что , можно пренебречь величиной в сравнении с . Тогда получим:

Подставив выражение для условия наблюдения минимума ( ), получим величину квадрата радиуса -го темного кольца

.

(1)

Таким образом, если известна длина световой волны , которой освещается пластинка с линзой и измерен радиус темного кольца, можно определить радиус кривизны линзы . Такой способ особенно удобен при больших значениях .

Очевидно, что если мы знаем радиус кривизны линзы можно определить длину световой волны , которой освещается пластинка с линзой.