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Exp_Ref. 곡률반경 측정 (뉴튼링; Newton's Ring)
1. 실험목적
단색광에 의하여 빛의 간섭현상에 의한 뉴튼의 원무늬를 관찰하고 구면렌즈의 곡률반경을 측정한다.
2. 원 리
[그림1] 빛의간섭
[그림2] 뉴튼의 원무늬 |
[그림1]과 같이 평면 유리판위에 곡률반경 R인 큰 평볼록렌즈를 올려 놓으면 렌즈의 곡면과 평면 유리판 사이에 얇은 공기층이 생긴다. 여기에 수직으로 파장이 l인 단색광을 입사시키면 렌즈의 구면에서 반사한 빛과 유리판의 표면에서 반사한 빛이 서로 간섭을 일으켜 위에서 보면 둥근 간섭무늬가 나타난다. 어떤점에서의 공기층의 두께 d와 원무늬의 반경 r 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립한다.
d = r2/2R -----------------(1)
공기층이 얇기 때문에 위에서 입사된 빛과 렌즈의 구면이나 평면 유리판 표면에서 반사한 빛은 나란히 진행할것이다. 그러나, 평면 유리판의 표면에서 반사하는 빛은 밀도가 작은 매질에서 큰 매질로의 경계면의 반사이므로 위상이 p만큼 바뀌며 광로차는 l/2 만큼 길어진다. 따라서 공기층을 통과하여 평면 유리판에서 반사한 빛과 렌즈의 구면에서 반사한 빛 사이의 광로차는 2d+l/2 가된다. 따라서, m번째의 어두운 원무늬의 반경 rm과 빛의 파장 사이에는 다음과같은 관계식이 성립한다.
2d+l/2 = rm2/R+l/2=(2m+1)l/2 -----(2)
rm2 = mRl (m=0,1,2,…) ----------(3)
식(3)에서 어두운 원무늬의 반경 rm과 무늬의 차수 m을 측정하면 렌즈의 곡률반경 R을 구할 수 있다.
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3. 기구 및 장치
(1) 뉴튼링 실험대
(2) 광원(100W/220V, 고압 나트륨등) 및 안정기, 전용연결코드
(3) 승압(110/220V) 트렌스
(4) 광원 지지대, 단색용 필터
(5) 육각렌치, 렌즈용 휴지
4. 실험 방법
[그림3] 뉴튼링 실험장치도 |
[그림4] 뉴튼링의 관찰
(1) 실험 장치도는 [그림3]과 같다.
(2) 렌즈와 평면유리판 홀더 상단에 유리판(G)를 45°로 스탠드에 고정시키고 수은등(S)에서 나오는 빛을 수렴렌즈(L)를 사용하여 평행광선을 만든다.
(3) 수렴렌즈와 반투명유리판(G) 사이에 필터를 둔다. |
(4) G상방에서 유동현미경 T로 보면 뉴튼의 원무늬가 생길것이다. 원무늬가 나타나지 않으면 렌즈 A,B의 위치 조정용 나사(육각렌치)를 적당히 조절하여 원무늬가 렌즈의 중앙부분에 찌그러지지 않게 생기도록한다.
(5) 이제 임의의 어두운 원무늬에 유동현미경의 십자선을 맞추고 유동현미경의 눈금 am+n을 읽어 기록하고 여기서부터 왼쪽으로 n번째의 어두운 원무늬에 십자선을 맞추어 n과 am의 위치를 기록한다.
(6) 다음 유동현미경을 am에 대응하는 am'에 이동하여 그 위치를 읽어 기록하고, 오른쪽으로 n번째의 어두운 원무늬의 위치 am+n'을 기록한다.
(7) 이때 구면렌즈의 곡률반경 R은
R=[(am+n'-am+n)2-(am'-am)2]/4nl ------(4)
에서 구할 수 있다.
(8) 다른 무늬에 대해서도 실험과정 (5)-(7)을 반복하여 구하여 보라.
5. 참고
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고압 나트륨 램프 (저전압 시동형); 파장은 대략 λ=560nm (황녹색) |
1. 개요
나트륨램프는 나트륨 증기 중의 방전에 의한 발광(發光)을 이용한 램프이며 590 nm(5,900Å)에 가까운 빛깔만을 내므로 황색을 띤다. 램프는 외관(外管)과 내관이 있고 그 사이는 진공으로 되어 있으며, 내 관의 내부에는 1쌍의 전극과 미량의 나트륨이 들어 있다. 점등 중의 내관 속 나트륨 증기압 이 0.004 mmHg 정도의 것을 저압 나트륨등이라고 한다. 램프 효율을 백열전구의 그것에 비하면 백열전구가 1 W당 10~16 lm인 데 대하여, 나트륨등은 수십~100 lm에 이른다. 나트륨등은 형광등처럼 안정기(安定器)를 병용할 필요가 있고, 점등 후 20~30분이 경과하지 않으면 충분한 빛을 낼 수 없으며, 또 그 빛이 황색광이기 때문에 일반 조명용으로는 적합하지 않다. 그러나 안개 속에서도 빛을 잘 투과하여 장애물 발견에 유효하다는 점에서 교량, 고속도로, 일반도로, 터널 내의 조명 등에 사용된다.
종래의 방전등의 발광관 재료는 화학적으로 아주 활성적인 고온 나트륨 증기를 이겨낼 수가 없는데 1957년 미국 GE사가 마그네슘을 첨가제로하여 GY효결한 고순도 알루미나로된 반투명 세라믹 재료를 개발하여 이 문제가 해결 되었다. 고압 나트륨램프는 이 특수 세라믹을 발광관 재료로 활용함으로써 금속 나트륨 증기압을 높일수가 있고 따라서 저압 나트륨인 D선에만 의존한 단색광과는 달리 D선 양쪽에 연속 스펙트럼이 발생하여 좋은 연색성을 얻을수 있었다.
고압 나트륨램프(100W) |
광색은 백색광 이지만 조금 노란색 기운을 띈 골든 화이트로 종래의 나트륨램프와 비교하여 색상이좋고 효율은 120-140lm/W로 수은램프의 약 2배, 수명도 24,000시간으로 광속감쇄율도 상당히 적다.
2. 원리
저압 나트륨램프는 주로 D선으로 불리는 589nm의 스펙트럼방사를 한다. 이 방사는 나트륨 원자의 공명반사로써 증기압 0.004㎜Hg, 관벽온도 260-270℃ 일때 최적의 출력을 갖는다. 이 증기압이 높아지면 나트륨 증기의 자기흡수가 증가하고 저압 나트륨등의 효율이 저하되지만, 증기압이 200㎜Hg(1/3기압)정도가 되면 고압 수은등의 방전이 시작되고 이를 고압나트륨램프 라고 한다. 그 결과 나트륨의 스펙트럼이 퍼져나가 D선 이외의 스펙트럼이 많아지고 또 나트륨의 대표적인 공명선이 자기흡수 때문에 소멸되어서 D선 양쪽으로 가시역 전체에 걸쳐 연속스펙트럼이 발생한다. 더군다나 연속 스펙트럼의 피크가 시감도의 최고에 가까운 분포를 가지기 때문에 효율이 높아진다.
발광관내에는 불활성가스 중에서 가장 열전도율이 작은 크세논 가스와 나트륨및 수은이 봉입되어있다. 전압을 인가하면 크세논 가스에 의해 방전이 개시되고 아크방전에 의해 수은 및 나트륨이 증발하여 나트륨방전이 일어난다. 여기서 수은은 더욱 아크의 전위경도를 높여 램프 부하를 크게하고 나트륨증발에 기여 하는것이다. 발광관의 나트륨 증기압은 포화상태이기 때문에 최냉점 온도에 의해 특성이 좌우되므로 전압변동 및 주위온도의 변화에 따라 램프의 수명 및 광속이 영향을 받는다. |
3. 특징
(1) 1등당 광속이 크고 효율이 높다.
(2) 광속감도가 뛰어나다.
(3) 주위 온도에 의한 특선변화가 적다.
(4) 재시동 시간이 짧다.
(5) 독특한 광색을 지니고 있다.
(6) 자외선이 적다.
(7) 점등방향이 없다.
(8) 취급이 쉽고 유지비가 적다.
*고압나트륨의 광속 감쇠율이 낮은것은 발광관으로 사용하고 있는 투과성 알루미나 관이 화학적 및 열적으로 안정되어 있고 석영관과 같은 실투현상이 없기 때문이다.
4. 주의사항
(1) 램프 유리관에 무리한 힘을 가하지 말것.
(2) 점등중 램프는 매우 뜨거우므로 절대 손대지 말것.
(3) 정격전압(220V)및 안정기(규격; KSC8108)와 조합하여 사용할것.
=>파장은 대략 λ=560nm (황녹색) |
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[결과보고서] |
1. 실험값 및 결과
빛의 파장 λ=_________, 곡률반경(평균) R=_________
2. 결과 및 토의
3. 참고문헌
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실험실소개
국제캠퍼스
일반물리실험1
1.
