Ottica LEYBOLD Schede di fisica Ottica ondulatoria Anelli di Newton LEYBOLD Schede di fisica P5.3.3.1 P5.3.3.1 Anelli di Newton con fascio di luce monocromatica Obiettivi dell’esperimento n Dimostrare come si ottengono gli anelli di Newton per interferenza di un fascio di luce monocromatica che attraversa una lamina di vetro ed una lente pianoconvessa. n Determinare il raggio di curvatura della lente pianoconvessa attraverso la misura degli anelli di Newton ottenuti mediante la luce gialla di una lampada al sodio. n Analizzare la relazione che intercorre tra gli anelli di Newton e la lunghezza d’onda della luce quando si utilizza il raggio monocromatico di una lampada al mercurio. Principio fisico 0106-Kem/Sel Per ottenere gli anelli di Newton, si utilizza una lente convessa con curvatura trascurabile posta a contatto di una lamina di vetro. In questo modo si viene a formare un cuneo d’aria delimitato da una superficie sferica. Quando il cuneo d’aria viene illuminato da un fascio di luce parallelo che incide normalmente sulla superficie piana della lente, a causa di un fenomeno di interferenza, in prossimità del punto di contatto delle due superfici si formano degli anelli concentrici. Si può osservare che la formazione di questi anelli è dovuta all’interferenza tra la luce riflessa e la luce trasmessa. La distanza tra i vari anelli non è costante, ma dipende dalla curvatura della superficie che delimita il “cuneo d’aria”. 1 P5.3.3.1 LEYBOLD Schede di fisica Apparecchiature 1 2 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Lamina di vetro per gli anelli di Newton Lenti con montatura, f = +100 mm Diaframma ad iride con montatura Sostegno con morsetti a molla Banco ottico a profilo normalizzato Cavalieri ottici, altezza: 60 mm, larghezza: 36 mm Lampada a vapori di Na Lampada a vapori di Hg Sostegno per lampade a luce monocromatica Reattanza universale Filtro per lo spettro dei vapori di Hg, giallo Filtro per lo spettro dei vapori di Hg, verde Filtro per lo spettro dei vapori di Hg, blu Schermo semitrasparente Zoccolo 471 460 460 460 460 11 03 26 22 32 460 451 451 451 451 468 468 468 441 300 353 111 062 16 30 30 31 32 53 11 Fig.1: Rappresentazione schematica dell’interferenza nel cuneo d’aria In Fig.1, un’onda luminosa L proveniente da sinistra colpisce un cuneo d’aria di spessore d compreso tra due piani di vetro. Parte dell’onda, indicata con T1, viene riflessa dalla superficie di sinistra che separa il piano di vetro dal cuneo d’aria. Parte dell’onda, indicata con T2, attraversa il cuneo d’aria. L’onda T3, riflessa dalla superficie di separazione di destra, subisce una inversione di fase dovuta all’elevato indice di rifrazione del mezzo. L’onda T4 viene prima riflessa dalla superficie di separazione di destra e successivamente dalla superficie di separazione di sinistra; in corrispondenza di ogni riflessione, l’onda subisce una inversione di fase. Le ulteriori onde parziali con le corrispondenti rotazioni di fase dovute alle riflessioni multiple all’interno del cuneo d’aria, sono rappresentate con T5. È possibile, ora, analizzare l’interferenza tra le onde riflesse T1 e T3, l’interferenza tra le onde T2 e T4 e l’interferenza tra tutte le altre onde dovute alla luce trasmessa. La differenza di percorso ∆ tra le onde T2 e T4 è data da: λ (I) 2 Per avere interferenza, è necessario che sia soddisfatta la condizione ∆ = 2d + 2 ⋅ ∆ = n ⋅ λ con n = 1, 2, 3 ... questo si verifica quando: λ con n = 1, 2, 3 ... (II) 2 Se le due superfici di vetro si toccano, cioè se d = 0, i fenomeni di interferenza si verificano sempre nella direzione di propagazione, indipendentemente dalla lunghezza d’onda della luce incidente. Per effetto della riflessione si ha sempre la sparizione del raggio luminoso, in quanto T3 subisce un’inversione di fase. Ad una distanza di valore finito, l’interferenza dipende dallo spessore d del cuneo d’aria e dalla lunghezza d’onda λ del raggio luminoso. Nel caso in cui la luce viene trasmessa attraverso un cuneo d’aria delimitato da una lente convessa, si ha la seguente situazione. Lo spessore d dipende dalla distanza r dal punto di contatto della lente convessa con la superficie di vetro e dal raggio di curvatura R della lente convessa. Dalla Fig. 2 si ottiene la seguente relazione d = ( n − 1) ⋅ R2 = r2 + (r – d)2 2 dalla quale si ricava: d= r2 2R (III) valida per piccoli valori dello spessore d. Gli anelli dovuti all’interferenza, cioè gli anelli luminosi, si possono calcolare mediante la relazione: rn2 = ( n − 1) ⋅ R ⋅ λ con n = 1, 2, 3 ... (IV) Se si esercita una leggera pressione sulla lente piano convessa in corrispondenza del punto di contatto e si vuole tener conto di tale azione, bisogna modificare l’equazione (III). Per ottenere una migliore approssimazione bisogna apportare la seguente modifica: d= r2 − d0 con r ≥ 2 Rd 0 2R (V) Per calcolare i raggi rn degli anelli luminosi dovuti all’interferenza, si utilizza la seguente relazione: rn2 = ( n − 1) R λ + 2 R d0 con n = 1, 2, 3 ... (VI) Fig. 2: Rappresentazione schematica del cuneo d’aria compreso tra la superficie di vetro e la lente pianoconvessa P5.3.3.1 LEYBOLD Schede di fisica Fig.3: Montaggio dell’esperimento su banco ottico e posizioni dei cavalieri ottici riferite alla terminazione di sinistra (a) Lampada a vapori di Na (o Hg) (d) Lamina di vetro per gli anelli di Newton (b) Sostegno con morsetti a molla (e) Lente, f = 100 mm (c) Lente, f = 100 mm (f) Diaframma ad iride Configurazione del sistema di misura Nota: Quando si eseguono le misure è necessario che la stanza sia il più possibile al buio. Lamina di vetro per gli anelli di Newton – Disporre le “lamine per gli anelli di Newton” di fronte ad uno sfondo illuminato ed osservarle attraverso la luce riflessa. Inizialmente, svitare completamente le viti zigrinate. – Stringere con cura le viti zigrinate in modo da a) portare in contatto le superfici di vetro (cioè in modo che dal centro non si formino ulteriori anelli di interferenza e l’anello di interferenza più interno sia scuro); b) ottenere un insieme di anelli perfettamente al centro della scala di lettura (gli anelli si muovono continuamente quando si stringe la vite zigrinata). Nota: Un aumento della pressione nel punto di contatto potrebbe deformare le due superfici Montaggio del banco ottico La Fig.3 mostra lo schema di montaggio dell’esperimento. – Montare i vari componenti sul banco ottico; rispettare le posizioni dei cavalieri ottici specificate precedentemente. – Posizionare lo schermo semitrasparente ad una distanza compresa tra 1 m e 2 m. – Predisporre il sostegno delle “lamine per gli anelli di Newton” (d) in modo tale da regolare con le viti l’esposizione sullo schermo semitrasparente. Far scorrere il cavaliere ottico il più vicino possibile alla lente (c). – Inserire la lampada a vapori di Na. Collegare la reattanza universale e chiudere l’interruttore. Dopo una fase di riscaldamento di qualche minuto, spostare il cavaliere ottico fino ad illuminare in modo ottimale le “lamine per gli anelli di Newton”. – Variare la posizione della lente (e) o lo schermo semitrasparente fino ad ottenere la formazione degli anelli di Newton e facendo in modo che la scala sia leggibile senza difficoltà. – Se è necessario controllare e regolare nuovamente la posizione delle “lamine per gli anelli di Newton”, usare la vite zigrinata (l’anello più interno si deve illuminare!). Esecuzione dell’esperimento Nota: Una volta eseguita la regolazione delle lamine per gli anelli di Newton, non modificare più la configurazione del sistema di misura. In particolare, evitare di toccare le viti di regolazione. a) Misura con la lampada a vapori di Na – Ottimizzare il contrasto chiaro-scuro degli anelli di Newton mediante il diaframma ad iride (f). – Tramite la scala graduata, misurare e prendere nota dei punti di intersezione rL sul lato sinistro e dei punti di intersezione rR sul lato destro. b) Misura con la lampada a vapori di Hg Attenzione: Prima di rimuovere le lampade a luce monocromatica bisogna lasciarle raffreddare oppure prenderle dopo averle avvolte con un panno. – – – – – – Sostituire la lampada a vapori di Na con quella a vapori di Hg. Chiudere l’interruttore della reattanza universale ed attendere qualche minuto per la fase di riscaldamento. Osservare le frange colorate degli anelli di Newton. Bloccare il filtro giallo nell’apposito sostegno. Ottimizzare il contrasto chiaro-scuro degli anelli di Newton mediante il diaframma ad iride (f). Tramite la scala graduata, misurare e prendere nota dei punti di intersezione rL sul lato sinistro e dei punti di intersezione rR sul lato destro. Ripetere la misura con i filtri di colore giallo, verde e blu. 3 P5.3.3.1 LEYBOLD Schede di fisica Esempio di misura Tabella 1: Intersezioni degli anelli di Newton a destra ed a sinistra della scala con lampada a vapori di Na Fig.4: Relazione tra i raggi r dei cerchi di interferenza luminosi ed il numero d’ordine n con sorgente luminosa sulla riga D dello spettro del Na Tabella 2: Intersezioni degli anelli di Newton a destra ed a sinistra della scala con lampada a vapori di Hg e luce di colore giallo, verde, blu. Giallo Verde b) Misura con la lampada a vapori di Hg La Fig. 5 fornisce il legame tra rn2 ed n per raggi luminosi appartenenti alle righe dello spettro della lampada a vapori di Hg. In base all’equazione (VI) (vedere Tabella 3), la pendenza delle rette aumenta proporzionalmente con la lunghezza d’onda delle righe dello spettro del Hg. Blu Fig. 5: Relazione tra i raggi r dei cerchi di interferenza luminosi ed il numero d’ordine n con sorgente luminosa gialla (triangoli), verde (quadrati) e blu (cerchi) dello spettro del Hg. Valutazione a) Misura con la lampada a vapori di Na I risultati della misura contenuti nella Tabella 1 sono riportati nel diagramma di Fig. 4. I valori del raggio r sono stati ottenuti facendo la media tra rL ed rR. La pendenza della retta che unisce i vari punti vale: ∆r 2 = 10.7 mm2 ∆ ( n − 1) Mediante l’equazione (VI) e la lunghezza d’onda λ = 589 della riga D dello spettro del Na, si può calcolare il raggio di curvatura della lente convessa il cui valore risulta: R = 18.3 m La sezione perpendicolare all’asse r 2 ( n = 1) = 5.0 mm2 si riferisce ad una superficie piana distante dal punto di contatto della lente della quantità: d0 = 0.14 µm 4 Tabella 3: Pendenza delle rette di Fig. 5 Colore Blu Verde Giallo Risultati La struttura concentrica e la variazione dei raggi dei cerchi di Newton si può spiegare tenendo conto della curvatura sferica della lente convessa che delimita il cuneo d’aria. Quando il cuneo d’aria viene illuminato con luce bianca, gli anelli di interferenza sono circondati da frange colorate poiché il loro diametro aumenta con la lunghezza d’onda (vedere (IV) e (VI)). LEYBOLD S.p.A. 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