Rok i kierunek studiów: I Inżynieria bezpieczeństwa	Imię i nazwisko: Ewa Grzech	Data: 14.03.2012
Numer ćwiczenia: 3	Temat ćwiczenia: Wyznaczanie długości fali świetlnej na podstawie interferencji w układzie optycznym do otrzymywania pierścieni Newtona.	Ocena:

WSTĘP

Dla fal elektromagnetycznych, tak samo jak dla fal sprężystych spełniona jest zasada superpozycji fal. Zaburzenie w każdym punkcie przestrzeni, w której rozchodzi się kilka fal jednocześnie, jest sumą zaburzeń pochodzących od poszczególnych fal. W przypadku fal elektromagnetycznych nie sumują się oczywiście wychylenia cząstek, lecz wektory natężenia pól elektrycznych i magnetycznych.

              Superpozycja dwu lub więcej fal harmonicznych o tych samych częstościach (monochromatyczne) pozwala na sumowanie ich w każdym punkcie przestrzeni, w wyniku czego obserwuje się interferencję.

              Problem superpozycji i interferencji światła jest bardzo złożony. Wynika to stąd, że światło wysyłane przez dowolne źródło makroskopowe (z wyjątkiem lasera) nie jest prostą falą harmoniczną. Atomy stanowiące punktowe źródła prostych harmonicznych fal elektromagnetycznych wysyłają skończone ciągi tych fal. Długość tych ciągów jest rzędu co najwyżej kilku metrów. Czas, w którym taki ciąg przechodzi przez ustalony punkt przestrzeni jest rzędu 10^-9 – 10^-8­­ sekundy. Najkrótszy nawet czas obserwacji jest kilka rzędów dłuższy, co związane jest z bezwładnością oka. Wiązki światła, w których różnice faz między falami wchodzącymi w ich skład ulegają nieregularnym zmianom w ciągu nawet najkrótszego możliwego czasu obserwacji, nazywany wiązkami niespójnymi.

              Położenia obszarów wzmocnienia i osłabienia przy superpozycji fal niespójnych ulegają ciągłym zmianom w czasie obserwacji. Obraz interferencji dwóch fal można obserwować tylko wtedy, gdy różnice fal między tymi falami są stałe w czasie obserwacji. Fale takie noszą nazwę spójnych..

              Do pomiaru długości fali światła stosuje się w tym ćwiczeniu słabo powiększający mikroskop, za pomocą którego można oglądać obraz interferencyjny w postaci pierścieni Newtona w świetle odbitym. Mikroskop stosowany w ćwiczeniu jest zaopatrzony w ruchomy stolik pozwalający na przesuwanie oglądanego przedmiotu we wszystkich kierunkach. Przesuw do przodu i do tyłu jest mierzony zgrubnie na podziałce noniusza umieszczonej z prawej strony stolika oraz dokładnie za pomocą sprzężonego ze stolikiem czujnika mikrometrycznego. Na stoliku, pod obiektywem umieszczony jest układ optyczny do otrzymywania pierścieni Newtona. Na układ ten kierowana jest prostopadle wiązka światła za pomocą oświetlacza umieszczonego z boku źródła. Promienie w skutek odbicia i interferencji tworzą pierścienie Newtona obserwowane dzięki skierowaniu odbitych promieni interferujących przez obiektyw mikroskopu do oka obserwatora. Obraz interferencyjny obserwowany jest przez okular zaopatrzony w skrzyżowaną nić pajęczą, na tle której można przesuwać stolik z układem optycznym i mierzyć promienie poszczególnych pierścieni.

 

CEL I WYKONANIE ĆWICZENIA

W ćwiczeniu należy dokonać pomiaru jest długości fali światła monochromatycznego, które uzyskuje się przez wydzielenie z wiązki światła białego, wąskiego przedziału długości fal przy użyciu filtrów interferencyjnych.

Ćwiczenie dzieli się na dwie części:

Wyznaczenie promienia krzywizny soczewki:

należą mierzyć w dwie strony od środka w celu uśrednienia wartości. Promień krzywizny Promień ten wyznaczamy przy oświetleniu monochromatyczną wiązką światła o znanej długości fali, otrzymaną z palnika sodowego przystawionego do oświetlacza. Po ustawieniu ostrości mikroskopu, naprowadzić punkt centralny pierścieni tak, aby pokrywał się z przecięciem krzyża na okularze mikroskopu. Następnie ustawiamy czujnik mikrometryczny na połowę zakresu wskazań, co umożliwia pomiar promieni pierścieni w obydwie strony względem punktu centralnego.

Wyznaczanie długości fali światła monochromatycznego otrzymanego przy użyciu filtrów interferencyjnych:

W tej części ćwiczenia należy użyć lampki mikroskopowej z żarowym źródłem światła, a następnie między nią, a oświetlaczem umieścić filtr interferencyjny. Pomiar promieni przeprowadzamy w sposób podobny jak w pierwszej części ćwiczenia. Następnie obliczamy długość fali.

TABELA POMIARÓW

Rodzaj światła	Rząd pierścieni ciemnych	Odczyt z miktometrii		Średnia wartość	Promień krzywizny [nm]	Długość fali [nm]
		W przód	W tył
SODOWE	3	0,92	1,16	1,04	612	589
	6	1,32	1,52	1,42	570	415
	9	1,66	1,81	1,73	564	340
	12	1,89	1,97	1,93	527	589
	15	2,13	2,1	2,11	504	589
	18	2,30	2,37	2,335	499	604
FILTR 3 Zielone	2	0,79	0,96	0,875	643	588
	4	1,02	1,16	1,09	504	589
	6	1,24	1,47	1,355	520	584
	8	1,42	1,65	1,535	479	610
	10	1,58	1,8	1,69	485	581
	12	1,74	1,94	1,84	479	589
FILTR 1 Czerwone	2	1,00	1,01	1,005	857	860
	4	1,25	1,27	1,26	674	589
	6	1,46	1,49	1,475	611	886
	8	1,69	1,66	1,675	592	588
	10	1,84	1,81	1,825	562	589
	12	1,98	1,96	1,97	549	589
FILTR 2 Pomarańczowe	2	0,88	1,16	1,02	883	589
	4	1,15	1,38	1,265	674	588
	6	1,45	1,6	1,525	654	589
	8	1,64	1,78	1,71	621	588
	10	1,78	1,96	1,87	594	589
	12	1,91	2,08	1,995	560	589
FILTR 4 Niebieskie	2	0,84	0,72	0,78	516	590
	4	1,16	0,95	1,055	468	589
	6	1,26	1,14	1,2	407	590
	8	1,42	1,25	1,335	375	590
	10	1,60	1,36	1,48	372	588
	12	1,75	1,51	1,63	376	589

OBLICZENIA

Wyliczanie promienia krzywizny ze wzoru:

[nm]

gdzie:

r – średnia wartość odczytu

n – rząd pierścieni ciemnych

ƛ_Na – długość fali światła sodowego

Przykładowo dla światła sodowego:

n = 3

r = 1,04

ƛ = 589 [nm]

Wyliczanie długości fali ze wzoru:

[nm]

Przykładowo dla światła sodowego:

n = 3

r = 1,04

R = 612

RACHUNEK NIEPEWNOŚCI

Błąd pomiaru promienia krzywizny.

Niepewność pomiaru:

Światło sodowe	Światło zielone	Światło czerwone	Światło pomarańczowe	Światło niebieskie
R1= 66 R2= 24 R3= 18 R4= -19 R5= -42 R6= -47	R1= 125 R2= -14 R3= 2 R4= -39 R5= -33 R6= -39	R1= 217 R2= 34 R3= -29 R4= -48 R5= -78 R6= -91	R1= 219 R2= 10 R3= -10 R4= -43 R5= -70 R6= -104	R1= 97 R2= 49 R3= -12 R4= -44 R5= -47 R6= -43

Błąd pomiaru długości fali.

Niepewność pomiaru:

Światło Zielone [nm]	Światło czerwone [nm]	Światło pomarańczowe [nm]	Światło Zielone [nm]
Średnia długość: 590 1= -2 2= -1 3= -6 4= 20 5= -9 6= -1  = 6,5	Średnia długość: 683 1= 177 2= -94 3= 203 4= -95 5= -94 6= -94  = 126	Średnia długość: 589 1= 0 2= -1 3= 0 4= -1 5= 0 6= 0  = 0,33	Średnia długość: 589 1= 1 2= 0 3= 1 4= 1 5= -1 6= 0  = 0,66

WNIOSKI

Błędy jakie wystąpiły w ćwiczeniu wynikają głównie z błędnego ustawienia mikroskopu (przesuniecie centralnego pierścienia w osi X), dużej trudności w odróżnieniu pierścieni w przypadku wyższych rzędów, dużej czułość układu na wpływ czynników zewnętrznych takich jak szturchnięcia

Otrzymane wyniki mieszczą się w zakresach poszczególnych rodzajów fal. Długość fali dla filtru 1 mieści się w zakresie 630~700 [nm] co daje barwę czerwoną, dla filtru 2 w zakresie 490~560 [nm] co daje barwę zielonożółtą, a dla filtru 3 w zakresie 440~490 [nm] – barwa niebieskozielona.