background image

 

 

POLITECHNIKA 

WROCŁAWSKA 

 

 

LABORATORIUM FIZYKI 

 

Wykonał: 

Jelonek Michał 

 

Grupa 

Ćw. nr 

81 

Prowadzący 

Mgr inż. Ewa 

Stefaniak 

WYZNACZANIE PROMIENIA 

KRZYWIZNY SOCZEWKI ZA 

POMOCĄ PIERŚCIENI NEWTONA 

 

Data wykonania 

11.10.2002 

Data oddania 

18.10.2002 

Ocena 

5- 

 
 

1. WSTĘP TEORETYCZNY 

 
 

Interferencja  światła. Szczególną cechą fali jest zdolność do 

interferencji. Polega ona na " niezwykłym " sposobie dodawania się 
dwóch fal, takim, że wynik zależy nie tylko od amplitud, ale także faz 
interferujących fal. Zjawisko to występuje także w przypadku światła. 

Natężenie  światła w punkcie obserwacji zależy nie tylko od 

natężenia każdej z fal składowych, ale takie od różnicy odległości tego 
punktu od źródeł obu fal. Dokładniej: natężenie wypadkowe zależy od 
różnicy faz interferujących fal. Ten „dziwny sposób" dodawania się fal 
jest właśnie istotą interferencji

W wyniku interferencyjnego dodania się dwóch fal w niektórych 

punktach przestrzeni natężenie  światła osiągnie wartość maksymalną, 
większą niż algebraiczna suma natężeń. Są to maksima interferencyjne. 
Jasne prążki interferencyjne łączą punkty, w których rząd interferencji 
jest całkowity. Punkty, w których rząd interferencji jest połówkowy, łączą 
ciemne prążki interferencyjne (minima interferencyjne). 

Opisane efekty interferencyjne występują tylko podczas dodawania 

fal spójnych (inaczej: koherentnych). Takimi falami są fale o jednakowej 
częstotliwości i stałej różnicy faz początkowych. Najłatwiej je uzyskać 
przez podział fali pochodzącej z punktowego źródła  światła 
monochromatycznego na dwie części. Zdolność do interferencji fal 
pochodzących od źródła niepunktowego (rozciągłego) i fal niedoskonale 
monochromatycznych jest ograniczona. Fale takie są częściowo (lub 
nawet całkowicie) niespójne.  
 
 
 

 

1

background image

Prążki  interferencyjne równej grubości  najłatwiej jest 

zaobserwować umieszczając na płasko-równoległej płytce szklanej 
(zwanej sprawdzianem) płasko-wypukłą sferyczną soczewkę wypukłą 
częścią na płytce. Utworzy się wówczas między powierzchniami 
soczewki i szklanej płytki klin powietrzny o zmiennym kącie. Jeśli teraz 
oświetlimy taką soczewkę z góry spójną wiązką  światła (np. światłem 
monochromatycznym), powstanie obraz prążków interferencyjnych. 
Pomijając już fakt pochłaniania i częściowego odbicia światła przez 
soczewkę, jedne z wiązek światła (traktowanych jako fale) przejdą przez 
soczewkę, ulegając jednoczesnemu załamaniu i po odbiciu od szklanej 
płytki powrócą do niej, ulegając kolejnemu załamaniu, inne zaś z kolei 
odbiją się wewnętrznie od powierzchni wypukłej. Ze względu na różną 
ilość odbić, fale które przebyły różne drogi będą się różniły między sobą 
w fazie. Jest to w tym przypadku bezpośrednia przyczyna powstawania 
interferencji. Prążki interferencyjne powstające w takim klinie, tak zwane 
prążki Newtona, będą miały kształt kolisty. W miarę odległości od 
środkowego ciemnego (zerowego) prążka utworzonego w punkcie obu 
powierzchni, kolejne prążki coraz bardziej się zagęszczają, aż przestaną 
być rozróżnialne. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Obraz prążków Newtona. 

 
 

 
    Zasada pomiaru. 
 
 
 
 

 

2

background image

2. ZASADA POMIARU 

 
Zasada pomiaru promienia krzywizny soczewki R

S

 polega na 

bezpośrednim pomiarze promienia określonego kołowego prążka 
interferencyjnego. Ponieważ jednak prążki ciemne są o wiele cieńsze od 
jasnych, co korzystnie wpływa na dokładność pomiarów, z reguły mierzy 
się tylko promienie ciemnych prążków. 

K

K

K

s

h

h

r

R

2

2

2

+

=

 

ponieważ jednak   jest na ogół kilka milionów razy większa od 

 

(

2

K

r

h

K

2

r

h

K

K

>>

), więc bez popełniania dostrzegalnego błędu można 

ostatecznie w przybliżonej postaci napisać: 
 

2

2

2

K

K

s

h

r

R

=

     k=1,2,3... 

 
Wysokość fragmentu łuku krzywizny soczewki  , odpowiadająca K-temu 
ciemnemu prążkowi, można wyrazić wzorem: 
 

2

λ

K

h

K

    k=1,2,3... 

 
który po podstawieniu do wzoru 2-go da zależność promienia krzywizny 
od długości fali świetlnej i promienia K-tego prążka interferencyjnego 
Newtona : 
 

λ

K

r

R

K

s

2

=

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

3

background image

3.  POMIARY I DYSKUSJA BŁĘDÓW 

 
 
Wyposażenie stanowiska: 
 

- oświetlacz z zasilaczem 

zestaw filtrów monochromatycznych ( dwa identyczne 
zielone, ,jeden czerwony , nie nadający się do niczego z 
powodu porysowania ) 

zestaw soczewek płasko-wypukłych 

- mikroskop 

mikrometr zegarowy o podziałce 0,01mm 

 
 
Pomiary wykonane zostały przy użyciu jednego z zielonych filtrów 
(długość fali – 553 nm ), dla dwóch różnych soczewek , mierzono 
bezpośrednio promień K-tego ciemnego prążka. Dla każdej soczewki 
zmierzono promienie 9-ciu prążków , pomiary powtarzano 3-krotnie dla 
tych samych K. 
 
 
 
 
Tabele wyników : 
 
 
Pierwsza soczewka : 
 

r [ mm ] 

K  1-szy 

pomiar 

2-gi 3-ci 

r

śr

 

[mm]  ∆r [mm]

δr [%]  R

S

 [mm] 

∆R

S

 

[mm] 

δR

S

 [%] 

1,22 

1,23 

1,32 

1,26 0,01 0,79 

2855,72 

45,45  1,59 

1,62 

1,64 

1,70 

1,66 0,01 0,60 

2471,53 

29,90  1,21 

2,01 

2,02 

2,08 

2,04 0,01 0,49 

2500,31 

24,55  0,98 

2,99 

3,01 

3,02 

3,01 0,01 0,33 

2335,32 

15,53  0,66 

 

3,13 

3,15 

3,20 

3,16 0,01 0,32 

2257,14 

14,28  0,63 

3,27 

3,27 

3,39 

3,31 0,01 0,30 

2201,35 

13,30  0,60 

12 

3,81 

3,82 

3,83 

3,82 0,01 0,26 

2198,97 

11,51  0,52 

13 

3,95 

3,94 

3,95 

3,95 0,01 0,25 

2166,67 

10,98  0,51 

14 

4,11 

4,12 

4,12 

4,12 0,01 0,24 

2188,96 

10,63  0,48 

 
 

 

4

background image

Druga soczewka : 
 
 

r [ mm ] 

K  1-szy 

pomiar 

2-gi 3-ci 

r

śr

 

[mm]  ∆r [mm]

δr [%]  R

S

 [mm] 

∆R

S

 

[mm] 

δR

S

 [%] 

0,60 

0,66 

0,70 

0,65 0,01 1,54 764,01 23,51  3,08 

0,80 

0,82 

0,88 

0,83 0,01 1,20 622,87 15,01  2,40 

0,96 

0,97 

1,03 

0,98 0,01 1,02 578,90 11,81  2,04 

1,47 

1,49 

1,48 

1,48 0,01 0,67 565,85 7,64  1,35 

1,56 

1,58 

1,57 

1,57 0,01 0,64 557,16 7,09  1,27 

1,66 

1,67 

1,67 

1,67 0,01 0,60 560,36 6,71  1,20 

12 

1,91 

1,92 

1,94 

1,92 0,01 0,52 555,51 5,78  1,04 

13 

1,97 

1,99 

2,00 

1,99 0,01 0,50 550,85 5,53  1,00 

14 

2,10 

2,09 

2,08 

2,09 0,01 0,48 564,20 5,39  0,95 

 
Zastosowane wzory: 
 

100

*

r

r

r

=

δ

 

±

K

K

s

r

K

r

R

λ

2

   (metoda różniczki zupełnej) 

100

*

S

S

S

R

R

R

=

δ

 

 
Przykładowe obliczenia: 
 

65

,

0

3

)

70

,

0

66

,

0

60

,

0

(

=

+

+

=

ŚR

r

 

(

)

01

,

764

000553

,

0

*

1

65

,

0

2

2

=

=

=

λ

K

r

R

S

 

51

,

23

01

,

0

000553

,

0

*

1

65

,

0

*

2

=

=

S

R

 

08

,

3

100

01

,

764

51

,

23

=

=

S

R

δ

 

 
 
 

 

5

background image

Za szukaną wartość promienia soczewki R

S

 należy przyjąć  średnią  

arytmetyczną z wartości obliczonych dla każdego K . 
 
Dla soczewki pierwszej : 
 
Ze względu na dużą wartość  błędu (

∆R

S

) dla wyników przy K=1,2,3 

pomijam te wyniki i liczę średnią R

S

 oraz 

∆R

S

 z pozostałych 6 wyników. 

Wynik ma więc postać: 
 

71

,

12

73

,

224

±

=

S

R

    [mm] 

 
 
Dla soczewki drugiej : 
 
Uwagi j.w. 
 

36

,

3

99

,

558

±

=

S

R

   [mm] 

 
Duży błąd 

∆R

S

 dla pierwszych 3 krążków spowodowany był ich dużą 

grubością ( oraz niewyraźnym ich obrazem ) i w efekcie niemożnością 
dokładnego zmierzenia ich promieni.  
 
 
 

4. WNIOSKI : 

 
 

Zastosowana metoda pomiarowa jest w miarę dokładna (błąd pomiaru 

nie przekracza kilkunastu mm przy pomiarze promienia krzywizny rzędu 
od kilkuset do kilku tysięcy mm), ale przy zastosowaniach wymagających 
znacznej precyzji (np. budowa i produkcja złożonych i skomplikowanych 
urządzeń optycznych) może okazać się nie dość dokładna. Aby 
zwiększyć dokładność pomiarów należałoby zastosować bardziej 
precyzyjny mikrometr mierzący promień odpowiednich prążków 
interferencyjnych,  śruby przesuwające stolik pod mikroskopem o 
większym przełożeniu ( co umożliwiłoby dokładne ustawienie krzyża 
mikroskopu nad środkiem prążka ) oraz mikroskop o silniejszym 
powiększeniu. Ciekawe jest to, że za pomocą zastosowanej metody 
można również analizując rozkład prążków interferencyjnych ustalić w 
miarę dokładnie kształt badanej powierzchni. 

 

6