12287

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ Введение. Свет представляет собой электромагнитные волны. Как и всякие волны световые волны могут интерферировать. Интерференцией света называется сложение световых пучков вед

Русский

2013-04-25

304.5 KB

39 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 1

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ

Введение. Свет представляет собой электромагнитные волны. Как и всякие волны, световые волны могут интерферировать. Интерференцией света называется сложение световых пучков, ведущее к образованию светлых и темных полос, которые можно наблюдать визуально.

Если две световые волны придут в одну точку пространства в одинаковой фазе, они будут усиливать друг друга. В этой точке образуется светлый участок интерференционной картины. В тех же точках пространства, в которые волны приходят в противоположных фазах, они будут ослаблять друг друга и там будет темный участок.

Таким образом, результат интерференции зависит от разности фаз интерферирующих волн. Чтобы картина интерференции в каждой точке пространства не менялась со временем, необходимо, чтобы разность фаз была постоянной. В противном случае в каждой точке пространства волны будут то усиливать, то ослаблять друг друга, а глаз воспринимая усредненную картину, не обнаружит интерференционных полос. Следовательно, наблюдать интерференционную картину можно лишь в том случае, если интерферирующие волны имеют строго одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Источники света и испускаемые ими лучи, удовлетворяющие указанным требованиям, называются когерентными. Только когерентные источники света дают стабильные во времени интерференционные полосы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

Рассмотрим интерференцию света от двух когерентных источников S1 и S2, расстояние между которыми равно d (рис.1).

Проведем перпендикулярно отрезку S1 S2 через его середину прямую OA. Возьмем точку P на прямой АВ, параллельной S1 S2  и обозначим OA через а, а АР - через х.

Тогда по теореме Пифагора:

,                                     (1)

где  и  - пути, которые пройдут лучи света от источников
и  до точки , в которой наблюдается интерференция. Из уравнений (1) следует

, или                          (2)

откуда:   ,                                                                                           (3)

где  - разность  хода между интерферирующими лучами.

Если  и  малы по сравнению с , то приближенно

и       

.                                  (4)

Если величина  равна нечетному числу полуволн, то световые волны придут в точку  в противофазе и погасят друг друга, интенсивность в этой точке будет минимальной. Если же  равна четному числу полуволн, то световые волны придут в точку  в одинаковых фазах и усилят друг друга – интенсивность будет максимальной.

Условие минимума и, соответственно, максимума интенсивности будет:

,                                                     (5)

где ;  - длина волны.

В точках

                                                                    (6)

будут светлые участки интерференционной картины, а в точках

–                                                                 (7)

– темные участки интерференционной картины. В результате в плоскости  АВ будут наблюдаться светлые и темные полосы.

Расстояние  между центрами соседних -й и -й светлых полос составит

.                                                (8)

Такое же расстояние будет и между центрами темных полос

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Бипризма Френеля (рис.2) состоит из двух остроугольных призм, сложенных основаниями. Обычно обе призмы изготовляются из одного куска стекла и имеют очень малые преломляющие углы  и . В сечении бипризма Френеля представляет собой равнобедренных треугольник с углом , близким к .

Свет от монохроматического источника  (например, от узкой освещенной щели, перпендикулярной плоскости чертежа) падает на бипризму и преломляется в ней. В заштрихованной области за бипризмой преломленные пучки складываются т.е. интерферируют и образующуюся интерференционную картину, состоящую из светлых и темных полос, можно наблюдать с помощью микроскопа. Все происходит так, будто интерферирующие пучки света исходят из точек  и . В этих точках находятся мнимые источники, образованные действительным источником света . Эти два мнимых источника являются когерентными.

Измерив расстояния  (между мнимыми источниками света  и ), расстояние  от источников света до плоскости наблюдения, а также  (расстояние между соседними полосами), можно по формуле (8) вычислить длину волны , испускаемую источником света.

Схема рабочей установки (рис.3) включает осветитель 1, щель 2, светофильтр 3, бипризму Френеля 4 и измерительный микроскоп 5.

Щель и бипризма укреплены на одном рейтере.  Бипризма вставлена в специальную подставку. Линзу L устанавливают на оптическую скамью только для измерения величины расстояния между мнимыми источниками света d и величины расстояния от мнимых источников света до фокальной плоскости микроскопа а. При измерении расстояния между интерференционными полосами линзу не используют и ее снимают с оптической скамьи.

Расстояние между светлыми полосами интерференции определяется измерительным микроскопом 5. Он укреплен в рейтере и может передвигаться микрометрическим винтом  в направлении, перпендикулярном оптической оси.

Для точного измерения расстояний  имеются вертикальные визирные штрихи, которые можно наблюдать в окуляре микроскопа одновременно с измеряемым объектом. Окуляр должен быть сфокусирован по глазу наблюдателя так, чтобы штрихи были видны четко. Перемещая микроскоп с помощью микрометрического винта перпендикулярно оптической оси установки, определяют положения микроскопа по шкале (цена одного деления 1 мм) и более точно по барабану микрометрического винта (цена одного деления барабана 0,01 мм.).

Для определения расстояния между мнимыми источниками света d, как уже говорилось ранее, и расстояния от мнимых источников света до фокальной плоскости микроскопа a, используется специальная линза, которую устанавливают между бипризмой и микроскопом, и положение которой регулируется, как это будет разобрано далее. Линза используется только для определения расстояния между мнимыми источниками и расстояния от источников до фокальной плоскости микроскопа. При измерении расстояния между интерференционными полосами линза не используется.

Порядок выполнения работы.

Включаем осветитель. В поле зрения микроскопа должны быть видны темные и светлые интерференционные полосы.

Наводим микроскоп так, чтобы визирный штрих совместился с серединой крайней из отчетливо видимых справа светлых полос и записываем отсчет по шкале и барабану микрометрического винта. Затем передвигаем микроскоп до середины другой крайней полосы, считаем число полос между ними (см. рис.4) и снова записываем отсчет. Разность между двумя отсчетами, деленная на число полос, дает ширину одной полосы. Эту операцию повторяем 4-5 раз и из полученных значений берем среднее. Следует иметь в виду, что микрометрический винт может иметь некоторый люфт и при вращении его по часовой стрелке и против нее отсчеты могут не совпадать. Поэтому подводить штрих к середине интерференционной полосы нужно всегда с одной стороны. Результаты измерений записываем в таблицу 1.

Для определения расстояния a между плоскостью расположения мнимых источников и фокальной плоскостью микроскопа устанавливаем линзу  (на рис.3, линза обозначена пунктиром). Так как расстояние между щелью и микроскопом более чем в 4 раза превышает фокусное расстояние линзы, то существует два таких ее положения, при которых в окуляр будут отчетливо видны изображения двух мнимых источников света (выглядят как две яркие полоски). Расстояния между этими изображениями для обоих положений линзы измеряются так же, как и расстояние между интерференционными полосами. Одновременно с измерениями расстояний между изображениями мнимых источников необходимо измерить и записать положения линзы с помощью шкалы, расположенной на рельсе установки.

Для первого положения линзы, когда изображения мнимых источников увеличены,

,                                                                  (10)

где  - расстояние между изображениями мнимых источников, измеренное с помощью микроскопа;  - расстояние от места положения мнимых источников до линзы;  - расстояние между линзой и фокальной плоскостью микроскопа, (расстояния и  не измеряются так как они не будут входить в рабочую формулу по определению длины волны).

 Таблица 1

измерения

Отсчет слева,

мм

Отсчет справа,

мм

Разность отсчетов,

мм

Число полос

расстояние  между соседними  интерференционными  
полосами, мм

bср

Аналогично проводятся измерения для второго положения линзы, при котором изображения мнимых источников уменьшены,

.                                                                (11)

Из формул (10) и (11) следует, что расстояние между мнимыми источниками будет равно

.                                                              (12)

(этот параметр необходимо определить и привести в отчете работы).

Как было уже указано ранее, для определения расстояния  (от мнимых источников до фокальной плоскости микроскопа), измеряем, по шкале имеющейся на рельсе установки, смещение линзы р при перемещении линзы из одного положения , при котором в микроскопе резко видны изображения щелей, в другое такое же положение . Тогда

,                                                            (13)

.                                                                    (14)

Исключив из равенств (10), (11), (13) и (14)  и , получим

.                                                                  (15)

Таким образом, для определения величины  достаточно, кроме измерения расстояний  и  между изображениями мнимых источников в двух положениях линзы, необходимо также измерить смещение линзы  при переходе из одного положения в другое, т.е. величину .

Заметим еще раз, что, найдя два положение линзы на рельсе, при котором в микроскопе четко видны изображения мнимых источников (две яркие четкие полоски), проводятся как измерения расстояния между этими изображениями, так и определяется положение линзы на рельсе установки. Результаты измерений записываются в табл.2

Таблица 2

Отсчет  положения  изображений  мнимых  источников

Отсчет  положения изображений  мнимых источников

левого

правого

левого

правого

Среднее значение

Среднее значение

Длину волны  вычисляем по соотношению вытекающему из формулы (8) и используя результаты определения величины b и величин d и a 

.                                                           (16)

В отчете приводятся результаты измерения расстояния между мнимыми источниками d, расстояния от мнимых источников до фокальной плоскости микроскопа а, ширина интерференционной полосы b и величина измеренной длины волны .

Определяем установленным порядком погрешность измерений и с учетом ее приводим конечные результаты.

PAGE  1


EMBED Word.Picture.8

EMBED Word.Picture.8

EMBED Word.Picture.8

Отсчет слева

тсчет справа

Рис. 4

Поле зрения микроскопа


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

3947. Защита информации с помощью пароля 18.2 KB
  Защита информации с помощью пароля Цель работы: исследование защиты с применением пароля, а также исследование методов противодействия атакам на пароль. Ход работы: Производим установку демо-версии программы ARCHPR на персональный компьютер. Пр...
3948. Особенности детерминизма и индетерминизма 78 KB
  Детерминизм и индетерминизм 1.1. Детерминизм: основные этапы развития Методологический принцип детерминизма является одновременно и основополагающим принципом философского учения о бытии. Сам термин "детерминация" происходит от латинского determi...
3949. Педагогические условия формирования экологической культуры младших школьников в ходе работы кружка Юный эколог 358.5 KB
  Введение Проблема экологического воспитания является в настоящее время актуальной. До определенного времени воздействие человека сглаживалось процессами происходящими в биосфере, но в настоящее время человек стоит на грани экологического кризиса. На...
3950. Элементы художесственного творчества на уроках развития речи в начальной школе 291.5 KB
  Введение Система уроков развития речи — один из основных элементов общего языкового и нравственно-эстетического воспитания младших школьников. Культура речи не ограничивается только грамотностью письма, правильным произношением, а непременно вы...
3951. Дослідження комбінаційних схем з багатьма виходами 429.72 KB
  Лабораторна робота №14 Тема: дослідження комбінаційних схем з багатьма виходами. Мета: синтезувати комбінаційні схеми з багатьма виходам на прикладі дешифраторі та шифраторів, дослідити роботу цих пристроїв Теоретичні відомості Дешифратор...
3952. Дослідження регістрів 429.31 KB
  Лабораторна робота №13 Тема: дослідження регістрів. Мета: побудувати регістри на основі різних видів тригерів. Теоретичні відомості Регістрами називаються послідовнісні цифрові пристрої (ПЦП), які використовується для зберігання і виконання деяких л...
3953. Синтез мультиплексорів та демультиплексорів 412.29 KB
  Лабораторна робота №15 Тема: синтез мультиплексорів та демультиплексорів Мета: спроектувати комбінаційні схеми і дослідити роботу мультиплексора та демультиплексора. Теоретичні відомості. Мультиплексор призначений для комутації в певному порядку на...
3954. Алгоритми роботи, функції переходів та збудження основних типів тригерів 362.95 KB
  Тема: тригери. Мета: дослідити структуру, алгоритми роботи, функції переходів та збудження основних типів тригерів. Теоретичні відомості Тригером називається послідовний цифровий пристрій, що має два стійкі стани, які встанов...
3955. Дослідження лічильників. Способи зміни коефіцієнта перерахунку лічильників 327.12 KB
  Лабораторна робота №12 Тема: дослідження лічильників. Мета: дослідити роботу підсумовуючих та віднімаючих лічильників, розглянути способи зміни коефіцієнта перерахунку лічильників. Теоретичні відомості. Лічильниками імпульсів називають послідовнісні...