Interferencyjny pomiar krzywizny soczewki przy pomocy pierścieni Newtona



Podobne dokumenty
LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

WYZNACZANIE PROMIENIA KRZYWIZNY SOCZEWKI I DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ PIERŚCIENI NEWTONA

( Wersja A ) WYZNACZANIE PROMIENI KRZYWIZNY SOCZEWKI I DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ PIERŚCIENI NEWTONA.

Wyznaczanie długości fali świetlnej metodą pierścieni Newtona

Wyznaczenie długości fali świetlnej metodą pierścieni Newtona

POMIAR ODLEGŁOŚCI OGNISKOWYCH SOCZEWEK. Instrukcja wykonawcza

Ć W I C Z E N I E N R O-7

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Zjawisko interferencji fal

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

Sposób wykonania ćwiczenia. Płytka płasko-równoległa. Rys. 1. Wyznaczanie współczynnika załamania materiału płytki : A,B,C,D punkty wbicia szpilek ; s

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA METODĄ SZPILEK I ZA POMOCĄ MIKROSKOPU

Wyznaczanie współczynnika załamania światła

Zjawisko interferencji fal

Temat: Pomiar współczynnika załamania światła w gazie za pomocą interferometru Michelsona

Pomiar ogniskowych soczewek metodą Bessela

LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 2 ULTRADZWIĘKOWE FALE STOJACE - WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FAL

DOKŁADNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 51: Współczynnik załamania światła dla ciał stałych

Zjawisko interferencji fal

DOKŁADNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI 1

Badanie zjawisk optycznych przy użyciu zestawu Laser Kit

Wyznaczanie wartości współczynnika załamania

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

Ć W I C Z E N I E N R O-7

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 3 Temat: Wyznaczenie ogniskowej soczewek za pomocą ławy optycznej.

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA SZKŁA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU CZĘŚĆ (A-zestaw 1) Instrukcja wykonawcza

Opis matematyczny odbicia światła od zwierciadła kulistego i przejścia światła przez soczewki.

POMIAR ODLEGŁOŚCI OGNISKOWYCH SOCZEWEK

Prawa optyki geometrycznej

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA SZKŁA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU.

Doświadczalne wyznaczanie ogniskowej cienkiej soczewki skupiającej

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

Wyznaczanie zależności współczynnika załamania światła od długości fali światła

35 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 2

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

WYZNACZANIE OGNISKOWYCH SOCZEWEK

ZADANIE 52 INTERFERENCYJNY POMIAR KRZYWIZNY SOCZEWKI (pierścienie Newtona) Cel ćwiczenia W ćwiczeniu, przy znanej długości fali świetlnej, pomiar

Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą mikroskopu i pryzmatu

Ćwiczenie z fizyki Doświadczalne wyznaczanie ogniskowej soczewki oraz współczynnika załamania światła

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 34 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 2. ZAŁAMANIE ŚWIATŁA. SOCZEWKI

BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

I PRACOWNIA FIZYCZNA, UMK TORUŃ

+OPTYKA 3.stacjapogody.waw.pl K.M.

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

BADANIE MIKROSKOPU. POMIARY MAŁYCH DŁUGOŚCI

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Zagadnienia: równanie soczewki, ogniskowa soczewki, powiększenie, geometryczna konstrukcja obrazu, działanie prostych przyrządów optycznych.

Wyznaczanie ogniskowej soczewki za pomocą ławy optycznej

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ. Instrukcja wykonawcza

mgr Mateusz Wojtaszek, dr Dagmara Sokołowska Dodatek A Promień światła zawsze wraca do punktu, z którego został wysłany.

ĆWICZENIE 41 POMIARY PRZY UŻYCIU GONIOMETRU KOŁOWEGO. Wprowadzenie teoretyczne

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie B-2 POMIAR PROSTOLINIOWOŚCI PROWADNIC ŁOŻA OBRABIARKI

Ćwiczenie Nr 6 Skręcenie płaszczyzny polaryzacji

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Systemy Ochrony Powietrza Ćwiczenia Laboratoryjne

17. Który z rysunków błędnie przedstawia bieg jednobarwnego promienia światła przez pryzmat? A. rysunek A, B. rysunek B, C. rysunek C, D. rysunek D.

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 2. Koherentne korelatory optyczne i hologram Fouriera

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

OPTYKA W INSTRUMENTACH GEODEZYJNYCH

Ć W I C Z E N I E N R O-1

Materiały pomocnicze 14 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

MGR 10. Ćw. 1. Badanie polaryzacji światła 2. Wyznaczanie długości fal świetlnych 3. Pokaz zmiany długości fali świetlnej przy użyciu lasera.

REFRAKTOMETRIA. 19. Oznaczanie stężenia gliceryny w roztworze wodnym

Instrukcja do ćwiczenia Optyczny żyroskop światłowodowy (Indywidualna pracownia wstępna)

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 53: Soczewki

Politechnika Warszawska Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Zakład Optoelektroniki

Rys. 1 Geometria układu.

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą mikroskopu i pryzmatu

Człowiek najlepsza inwestycja

- 1 - OPTYKA - ĆWICZENIA

OPTYKA FALOWA I (FTP2009L) Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła na szczelinach.

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 3. Pomiar drgao przy pomocy interferometru Michelsona

Ć W I C Z E N I E N R O-3

Ćwiczenie 53. Soczewki

Pomiar dyspersji materiałów za pomocą spektrometru

Odgłosy z jaskini (11) Siatka odbiciowa

ZJAWISKO INTERFERENCJI ŚWIATŁA PIERŚCIENIE NEWTONA, INTERFEROMETR MICHELSONA. 1. Podstawy fizyczne. λ λ. Politechnika Warszawska.

ANALIZA SPEKTRALNA I POMIARY SPEKTROFOTOMETRYCZNE. Instrukcja wykonawcza

Nauka o œwietle. (optyka)

Badanie przy użyciu stolika optycznego lub ławy optycznej praw odbicia i załamania światła. Wyznaczanie ogniskowej soczewki metodą Bessela.

Wyznaczanie momentu magnetycznego obwodu w polu magnetycznym

POMIARY PRZY WYKORZYSTANIU ZJAWISKA INTERFERENCJI

Ćwiczenie nr 8 Interferencyjny pomiar kształtu powierzchni

Transkrypt:

Interferencyjny pomiar krzywizny soczewki przy pomocy pierścieni Newtona Jakub Orłowski 6 listopada 2012 Streszczenie W doświadczeniu dokonano pomiaru krzywizny soczewki płasko-wypukłej z wykorzystaniem pierścieni Newtona dla światła sodowego i lasera helowo-neonowego, umieszczając pomiędzy soczewką a płytką powietrze lub wodę. Z obliczeń uzyskano trzy różne wyniki: (5637,6±37.6) mm, (5550,33±39,73) mm, (4988,6±74,1) mm. Na podstawie testu 3σ nie można uznać tych wartości za zgodne, co najprawdopodobniej spowodowane zostało niedokładnością aparatury pomiarowej. 1. Model teoretyczny Pierścienie Newtona to współśrodkowe pierścienie interferencyjne, powstające gdy na układ złożony z soczewki płasko-wypukłej i płytki płasko-równoległej pada pod małym kątem światło. Na granicy ośrodków o różnych współczynnikach załamania światło ulega częściowemu odbiciu. W efekcie każdy promień padający na układ płytka-soczewka staje się źródłem kilku promieni odbitych. p o o r a k B A Rysunek 1: Schemat układu doświadczalnego. A - płytka płasko-równoległa, B - soczewka płaskowypukła, r - promień krzywizny soczewki, a k - promień czaszy kulistej, h - strzałka czaszy kulistej, p - promień padający, o - promień odbity Do interferencji zdolne jest tylko światło spójne - zgodne w fazie, amplitudzie i częstotliwości. Interferujące ze sobą promienie pochodzą z jednego źródła, więc mają spójną amplitudę i częstotli- 1

wość, natomiast za stałe przesunięcie fazowe odpowiada różnica dróg optycznych przybytych przez promienie. Ponieważ najsilniej interferują ze sobą promienie odbite od dolnej powierzchni soczewki i górnej powierzchni płytki, tę różnicę Λ można wyrazić zależnością Λ = 2hn + λ 2, (1) gdzie n to współczynnik załamania ośrodka, h to odległość pomiędzy soczewką i płytką (promień przebywa tę drogę dwukrotnie, stąd 2 we wzorze), a λ to częstotliwość fali - człon λ/2 pochodzi od zmiany fazy o π przy odbiciu od ośrodka o większym współczynniku załamania.[2] Ponieważ odległość h zmienia się wraz z odległością a od osi optycznej soczewki, zmienia się też obraz, dla światła monochromatycznego dając naprzemiennie występujące jasne i ciemne prążki. 1 Wzmocnienie interferencyjne (jasny prążek) uzyskujemy, gdy różnica faz natomiast osłabienie (ciemny prążek), gdy Λ = kλ, (2) Λ = (2k + 1)λ. (3) Promień czaszy kulistej a związany jest ze strzałką czaszy h zależnością a = 2rh h 2, (4) gdzie r to promień krzywizny soczewki. Ponieważ h r i h 2 2rh, można pominąć człon h 2 w równaniu (4). Ostatecznie, łącząc wzory (1), (3) i (4), otrzymujemy zalezność na promień k-tego ciemnego pierścienia interferencyjnego rkλ a k = n. (5) 2. Układ doświadczalny i metoda pomiaru Układ przedstawiony na rysunku 1 umieszczono pod odbiciowym mikroskopem optycznym, którego stolikiem można było przesuwać przy pomocy układu śrub mikrometrycznych. Następnie oświetlono układ światłem sodowym i umieszczono obraz interferencyjny pod obiektywem mikroskopu. Zafiksowano jedną ze śrub mikrometrycznych, po czym przy pomocy drugiej z nich naprowadzano znacznik wytrawiony na okularze mikroskopu na środek kolejnych ciemnych kręgów interferencyjnych i zapisywano wskazania śruby. Zarejestrowano wskazania śruby dla kolejnych dwudziestu prążków po prawej stronie od centrum oraz dla dwudziestu po jego lewej stronie. Identyczny pomiar powtórzono dla światła z lasera helowo-neonowego, rozproszonego przy pomocy dwóch kawałków kalki technicznej. W trzecim pomiarze wprowadzono pomiędzy soczewkę a płytkę odrobinę wody, o współczynniku załamania n = 1,33 i oświetlono układ ponownie światłem sodowym. Znacznik znajdujący się na obiektywie był grubszy od ciemnych prążków widocznych pod mikroskopem, dlatego ciężko było uzyskać dużą precyzję pomiaru. Aby oszacować niepewność położenia prążka (a tym samym niepewność pomiaru), zapisano wskazania śruby mikrometrycznej gdy ciemny prążek stykał się z lewą oraz prawą krawędzią znacznika. Pomiar wykonano dla pierwszego (najgrubszego) i ostatniego (najcieńszego) prążka, następnie uśredniono i podzielono przez dwa, ponieważ w doświadczeniu zapisywano wskazania śruby dla prążka znajdującego się na środku znacznika. Ponieważ dokładność pomiaru zależała też od wyraźności uzyskanego obrazu, powtórzono szacowanie dokładności pomiaru przy każdej serii pomiarów - obraz uzyskany ze światła laserowego był znacznie ciemniejszy i mniej wyraźny. 1 Dla światła białego uzyskany obraz to wielobarwne pierścienie - przykładem z życia jest obraz powstający na cienkiej warstwie oleju unoszącej się na wodzie.[3] 2

Tablica 1: Wyniki pomiarów dla pierścieni uzyskanych dla światła sodowego. Oznaczenia: k - numer ciemnego pierścienia, l - wskazanie śruby mikrometrycznej dla k-tego pierścienia po lewej stronie od centrum, p - wskazanie śruby po prawej stronie od centrum, d - średnica prążka policzona jako p l, a k - promień k-tego prążka (połowa średnicy). k l p d [mm] a k [mm] 1 20,52 22,57 2,05 1,025 2 19,51 23,54 4,03 2,015 3 18,83 24,13 5,30 2,650 4 18,32 24,64 6,32 3,160 5 17,90 25,08 7,18 3,590 6 17,52 25,46 7,94 3,970 7 17,15 25,81 8,66 4,330 8 16,84 26,14 9,30 4,650 9 16,53 26,43 9,90 4,950 10 16,23 26,73 10,50 5,250 11 15,96 27,02 11,06 5,530 12 15,71 27,27 11,56 5,780 13 15,46 27,51 12,05 6,025 14 15,21 27,75 12,54 6,270 15 15,01 27,99 12,98 6,490 16 14,76 28,20 13,44 6,720 17 14,56 28,41 13,85 6,925 18 14,35 28,62 14,27 7,135 19 14,15 28,81 14,66 7,330 20 13,95 29,03 15,08 7,540 3. Wyniki pomiarów W tablicy 1 zaprezentowano wyniki pomiarów i policzone na ich podstawie wartości promieni ciemnych prążków dla obrazu uzyskanego przez oświetlenie układu przedstawionego na rysunku 1 światłem sodowym. Długość fali λ Na = 589,3 nm [1], współczynnik załamania powietrza n = 1.[1] Niepewność pomiaru promienia wynosi 0,13 [mm]. Tablica 2 zawiera wyniki pomiarów dla światła z lasera helowo-neonowego. Długość fali λ He Ne = 632,8 nm [1], a współczynnik załamania powietrza n = 1. Niepewność pomiaru wynosi 0,15 [mm]. W tablicy 3 znajdują się długości promieni uzyskane dla światła sodowego po umieszczeniu pomiędzy soczewką a płytką cienkiej warstwy wody. Długość fali λ Na = 589,3 nm, współczynnik załamania wody n H2O = 1,333[2], a niepewność pomiaru wynosi 0,11 [mm]. 3

Tablica 2: Wyniki pomiarów dla pierścieni uzyskanych dla światła z lasera helowo-neonowego. Oznaczenia: k - numer ciemnego pierścienia, l - wskazanie śruby mikrometrycznej dla k-tego pierścienia po lewej stronie od centrum, p - wskazanie śruby po prawej stronie od centrum, d - średnica prążka policzona jako p l, a k - promień k-tego prążka (połowa średnicy). k l p d [mm] a k [mm] 1 30,30 27,99 2,31 1,155 2 31,28 26,97 4,31 2,155 3 31,97 26,37 5,60 2,800 4 32,46 25,82 6,64 3,320 5 32,88 25,44 7,44 3,720 6 33,33 24,97 8,36 4,180 7 33,69 24,66 9,03 4,515 8 34,01 24,33 9,68 4,840 9 34,33 23,98 10,35 5,175 10 34,65 23,69 10,96 5,480 11 34,90 23,41 11,49 5,745 12 35,17 23,14 12,03 6,015 13 35,42 22,88 12,54 6,270 14 35,68 22,64 13,04 6,520 15 35,91 22,41 13,50 6,750 16 36,13 22,16 13,97 6,985 17 36,36 21,95 14,41 7,205 18 36,57 21,73 14,84 7,420 19 36,77 21,53 15,24 7,620 20 36,98 21,32 15,66 7,830 Tablica 3: Wyniki pomiarów dla pierścieni uzyskanych dla światła sodowego po umieszczeniu warstwy wody pomiędzy płytką a soczewką. Oznaczenia: k - numer ciemnego pierścienia, l - wskazanie śruby mikrometrycznej dla k-tego pierścienia po lewej stronie od centrum, p - wskazanie śruby po prawej stronie od centrum, d - średnica prążka policzona jako p l, a k - promień k-tego prążka (połowa średnicy). k l p d [mm] a k [mm] 1 20,71 23,66 2,95 1,475 2 20,04 24,26 4,22 2,110 3 19,61 24,81 5,20 2,600 4 19,22 25,18 5,96 2,980 5 18,84 25,54 6,70 3,350 6 18,56 25,80 7,24 3,620 7 18,22 26,11 7,89 3,945 8 17,94 26,36 8,42 4,210 9 17,69 26,63 8,94 4,470 10 17,46 26,88 9,42 4,710 11 17,23 27,08 9,85 4,925 12 17,01 27,31 10,30 5,150 13 16,79 27,52 10,73 5,365 14 16,60 27,72 11,12 5,560 15 16,40 27,92 11,52 5,760 4

4. Analiza danych Ze wzoru (5) wynika, że promień k-tego prążka jest zależny liniowo od k. Można zatem metodą najmniejszych kwadratów dopasować współczynniki ā i b prostej a k = ā k + b, a następnie ze współczynnika ā, równego rλ ā = (6) n policzyć promień krzywizny soczewki r. Ponieważ zmienna k jest numerem prążka, czyli liczbą całkowitą, wartość k możemy poznać z dowolną dokładnością, dlatego możemy zastosować regresję zwyczajną, za zmienną niezależną przyjmując k, a za zależną a k. Współczynniki regresji liniowej możemy policzyć ze wzoru: [2] ā = nσx iy i Σx i Σy i nσx 2 i (Σx i) 2, (7) b = 1 n (Σy i āσx i ), (8) gdzie n to liczba pomiarów, x i to i-ta zmienna niezależna (w naszym przypadku k), y i to i-ta zmienna zależna (w naszym przypadku a k ). Ich niepewności można wyznaczyć ze wzoru: nu 2 y uā = nσx 2 i (Σx i) 2, (9) u b = uā Σx 2 i n, (10) gdzie u y to niepewność pomiaru zmiennej zależnej. Wyniki obliczeń: 1. Pomiar dla światła sodowego (λ = 589,3 nm) i warstwy powietrza (n = 1): ā = (1,822 ± 0,029) mm (rysunek 2), r = (5637,6 ± 37.6) mm. 2. Pomiar dla światła lasera He-Ne (λ = 632,8 nm) i warstwy powietrza (n = 1): ā = (1,874 ± 0,033) mm (rysunek 3), r = (5550,33 ± 39,73) mm. 3. Pomiar dla światła sodowego (λ = 589,3 nm) i warstwy wody (n = 1,333): ā = (1,485 ± 0,034) mm (rysunek 4), r = (4988,6 ± 74,1) mm. 5

Rysunek 2: Wykres zależności promienia promienia k-tego ciemnego prążka interferencyjnego od k dla światła sodowego i powietrza pomiędzy płytką a soczewką. Na osi poziomej odłożone jest k, natomiast na osi pionowej promień k-tego pierścienia ak. k 5 6

Rysunek 3: Wykres zależności promienia promienia k-tego ciemnego prążka interferencyjnego od k dla światła z lasera helowo-neonowego i powietrza pomiędzy płytką a soczewką. Na osi poziomej odłożone jest k, natomiast na osi pionowej promień k-tego pierścienia a k. k 5 7

Rysunek 4: Wykres zależności promienia promienia k-tego ciemnego prążka interferencyjnego od k dla światła sodowego i wody pomiędzy płytką a soczewką. Na osi poziomej odłożone jest k, natomiast na osi pionowej promień k-tego pierścienia a k. k 4 8

5. Dyskusja wyników Soczewka użyta w doświadczeniu bardzo przypomina płytkę płasko-równoległą. Sugerowało to duży promień krzywizny, co zostało potwierdzone przez obliczenia, na podstawie których można oszacować tę wielkość na około 5,5 m. Wartości promienia wynikające z danych zebranych w pomiarze pierwszym i drugim można uznać za zgodne na mocy testu 3σ. Natomiast wartość promienia obliczona na podstawie trzeciej serii pomiarów nie spełnia tego kryterium zgodności z żadnym z pozostałych wyników. Tę rozbieżność można tłumaczyć dużą niedokładnością przyrządu pomiarowego - marker na okularze był znacznie grubszy od powstających prążków, a na dodatek nie cały okular był przejrzysty - utrudniało to pomiar i bardzo możliwe, że mierzona była nie średnica pierścienia, a jakaś jego cięciwa. Wynik jest prawdopodobny, jednak jego dokładność jest za mała, aby móc go wykorzystać w praktyce. Aby poprawić ocenę promienia krzywizny soczewki, należałoby powtórzyć pomiar na w pełni sprawnym sprzęcie. Literatura [1] Instrukcja do ćwiczenia. [online] http://fizykamedyczna.igf.fuw.edu.pl/instrukcje/ zad52.pdf [2] Henryk Szydłowski, Pracownia Fizyczna. PWN, Warszawa 1997. [3] The Encyclopedia of Science [online] http://www.daviddarling.info/encyclopedia/n/ Newtons_rings.html 9