Cel ćwiczenia:
Celem niniejszego ćwiczenia jest zaobserwowanie i zbadanie zjawiska interferencji promieni światła na przykładzie pierścieni Newtona. Dzięki wykonanym w trakcie ćwiczenia pomiarom obliczymy długość fali świetlnej oraz (przy znanej długości światła) promień krzywizny wykorzystanej soczewki płasko-wypukłej. Podczas wykonywania ćwiczenia nie zajmowaliśmy się interferometrem Michelsona.
Podstawy fizyczne:
Jednym z najbardziej charakterystycznych zjawisk ruchu falowego jest interferencja. W ogólnym sformułowaniu, jest to efekt nakładania się fal, w wyniku czego może wystąpić wzmocnienie natężenia fali wypadkowej (jeśli fale nakładają się w zgodnych fazach) lub też osłabienie (jeśli fale nakładają się w fazach przeciwnych). Fazą nazywamy argument funkcji okresowej opisującej rozchodzącą się falę. By zjawisko to można było zaobserwować nakładające się fale muszą być spójne, a więc muszą posiadać stałą w czasie różnicę faz. W przypadku jeśli ten warunek nie zostanie spełniony, nie zaobserwujemy obrazu interferencyjnego (ponieważ w pewnych chwilach czasu fazy będą zgodne – powodując wzmocnienie, a w innych chwilach przeciwne – powodując osłabienie).
Większość źródeł światła nie jest spójna, ponieważ każdy atom przechodząc z wyższego poziomu energetycznego do niższego wysyła krótki ciąg falowy, niezależnie od innych atomów znajdujących się w stanach wzbudzonych. Interferencję możemy zaobserwować stosując niespójne źródło światła, jeśli zapewnimy spójność wzajemną interferujących promieni. Osiągniemy to dzieląc promień światła biegnący ze źródła na dwa, z których każdy przebędzie inną drogę, a następnie spowodujemy ich ponowne nałożenie. Możemy wówczas przyjąć, iż te dwa promienie są wysyłane przez dwa wzajemne spójne źródła. Warunkiem zachowania spójności tych promieni jest różnica przebytych przez nie dróg. Nie może być zbyt duża, w przeciwnym wypadku promień, który przebył dłuższą drogę może „nie zdążyć” spotkać się ze swym macierzystym ciągiem falowym i spójność wzajemna nie będzie zachowana.
Interferencję taką można uzyskać przez umieszczenie soczewki na płytce jak na rysunku.
Opis działania stanowiska pomiarowego
Połóżmy na płaską płytkę szklaną soczewkę płasko-wypukłą o dużym promieniu krzywizny tak, aby strona wypukła dotykała płytki (rysunek 1). Pomiędzy soczewką a płytką tworzy się szczelina powietrza o zmiennej grubości. Oświetlamy teraz ten układ światłem monochromatycznym o długości fali λ biegnącym prostopadle do powierzchni płytki. Promienie odbite od wypukłej strony soczewki (1’) będą mogły interferować z promieniami odbitymi od górnej powierzchni płytki (1”) gdyż są wzajemnie spójne jako pochodzące z podziału tego samego promienia macierzystego (1), a różnica dróg optycznych między nimi nie jest duża (Δ<100λ). Zgodnie z wcześniej przedstawionymi rozważaniami wzmocnienie następuje gdy:
nΔ=mλ, (m=0,1,2,3…)
a osłabienie jeżeli:
nΔ=(2m+1)λ2
Różnicę dróg optycznych nΔ w naszym przypadku stanowi odcinek 2e (gdyż n=1 a światło przebywa odcinek e dwukrotnie). Ze względu na zmianę fazy na przeciwną przy odbiciu od środka optycznie gęstszego, należy jeszcze do 2e dodać λ/2. Potwierdzeniem wspomnianego skoku fazy jest powstanie ciemnego prążka w punkcie styku soczewki z płytką.
Przebieg ćwiczenia:
Pierścienie Newtona.
1. Włączyć monochromatyczne źródło światła o znanej długości fali, a mianowicie lampę sodową o długości fali λ=589,3 nm.
2. Położyć na stoliku pomiarowym soczewkę i znaleźć ostry obraz pierścieni Newtona.
3. Zmierzyć średnice (a nie promienie, gdyż trudno jest określić położenie środka) 5-ciu pierścieni Newtona notując ich rząd interferencji m.
4. Używając światła o nieznanej długości fali zmierzyć średnice 5-ciu pierścieni Newtona (notując m). Światło o nieznanej długości fali otrzymuje się przepuszczając światło białe przez filtry w naszym wypadku czerwonego i zielonego).
Obliczenia
Opracowanie wyników zapisano recznie na oddzielnej stronie
Wnioski:
· Udało nam się zaobserwować interferencję światła za pomocą podziału promienia biegnącego ze źródła na dwa, z których każdy przebył inną drogę, po czym doszło do ich nałożenia. W mikroskopie widzieliśmy dokładny obraz promieni Newtona, na podstawie którego wykonaliśmy szereg obliczeń uzyskując promień krzywizny soczewki oraz dwie długości światła dla dwóch różnych filtrów interferencyjnych
· Wyniki zarówno promienia krzywizny jak i długości fali dla dwóch różnych filtrów interferencyjnych otrzymane na podstawie jednego pomiaru nie są wynikami dokładnymi, co jest zgodne z założeniem teoretycznym (im więcej pomiarów, tym dokładniejszy wynik).
· Obliczona długość światła przepuszczonego przez pierwszy filtr interferencyjny odpowiada barwie zielonej światła widzialnego co jest zgodne z prawdą.
· Obliczona długość światła przepuszczonego przez drugi filtr interferencyjny odpowiada barwie z pogranicza żółtej/pomarańczowej światła widzialnego co również jest zgodne z prawdą.
· Na niepewność pomiaru długości światła ma duży wpływ dokładność promienia krzywizny soczewki oraz jej niepewność (uzyskana w pierwszej części ćwiczenia).
krzycho1022