12796

ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА ОТ ДВУХ ЩЕЛЕЙ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 30 ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА ОТ ДВУХ ЩЕЛЕЙ Цель работы Определение расстояния между щелями с помощью интерференционных полос в опыте Юнга. Введение Интерференцией называется явление сложения суперпозиции колебаний возбуж...

Русский

2013-05-03

170 KB

58 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 30

ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА

ОТ ДВУХ ЩЕЛЕЙ

Цель работы

Определение расстояния между щелями с помощью интерференционных полос в опыте Юнга.

Введение

Интерференцией называется явление сложения (суперпозиции) колебаний, возбужденных в некоторой точке пространства волнами, приходящими от нескольких когерентных источников. Рассмотрим два точечных когерентных источника S1 и S2, колебания которых происходят с одинаковой частотой , а разность начальных фаз колебаний равна нулю (источники синфазны). Пусть от источника S1 распространяются бегущие волны в среде 1 с показателем преломления n1, а от источника S2 – в среде 2 с показателем преломления n2 (рис. 1). На рисунке линия ОО1 – граница между этими прозрачными средами.

Рис. 1

На границе ОО1 выберем точку Р и определим условие минимума и максимума амплитуды результирующего колебания в этой точке пространства. Обозначим  Для электромагнитных волн (свет – электромагнитная волна) колебания вектора  от двух одинаковых источников 1 и 2 определяются выражениями:  и
– амплитуда гармонических колебаний,  – волновое число.

В точке наблюдения Р происходит сложение колебаний одинаковой частоты. Будем считать, что эти колебания происходят вдоль одного направления. Разность фаз колебаний в этой точке равна:

,

где  – волновое число;  – скорость распространения электромагнитной волны в среде с показателем преломления n;  – скорость этой волны в вакууме. Так как

,

где – волновое число для среды с n = 1 (вакуум),  длина волны в среде с n = 1, то разность фаз колебаний

определяет результирующее колебание в точке Р.

Величина  – оптический путь волны, разность этих величин для двух волн  – их оптическая разность хода, тогда . Из условия минимума при сложении колебаний , m = 0, 1, 2,…, получаем условие минимума при интерференции, выраженное через оптическую разность хода волн:  Условие максимума –  (колебания происходят в одной фазе) определяет условие максимума, выраженное через

Можно сказать, что при сложении колебаний в любой точке пространства результирующее колебание определяется величиной оптической разности хода волн.

Методика эксперимента

Рассмотрим монохроматическую световую волну (длина волны в вакууме ) с плоским фронтом, падающую на непрозрачный экран с двумя щелями (оптическая схема, близкая к схеме опыта Юнга). Пусть экран, где расположены щели может поворачиваться относительно точки О – середины расстояния d между щелями (рис.2) на некоторый угол .

Можно показать, что положение максимумов и минимумов интенсивности света на экране наблюдения, расположенном далеко от щелей (), совпадает с их положение для точечных источников S1 и S2, расположенных на таком же расстоянии друг от друга. Теорию интерференции волн от таких двух точечных источников мы и рассмотрим ниже.

Экран наблюдения (обычный лист бумаги) располагается на расстоянии ОА = L, отсчитываемом от точки О, х – координата точки наблюдения Р равна расстоянию АР.

Рис. 2

Оптическая разность хода лучей 1 и 2 от плоского фронта до щелей равна  а оптическая разность хода лучей 1 и 2 после прохождения щелей S1 и S2 равна . На экран лучи 1 и 2 приходят с разностью хода  Рассчитаем  Из прямоугольных треугольников S1 ВР и S2 CР:

,

,

.

При условии d, x << L,     :

 

 

или                              

Из условия максимума для интерферирующих лучей 1 и 2 –, где получим  — координаты точек экрана с максимальной интенсивностью света. Расстояние между соседними максимумами равно   Измеряя  между серединами ярких полос, можно рассчитать

Задание к работе

1. Подготовьте к работе и включите лабораторную установку (см. приложение). Для угла поворота (рис. 2) определите расстояние между серединами интерференционных максимумов

2. Опыт повторить для трех значений угла поворота. Определите размер , предварительно измерив расстояние L до экрана для каждого значения  и соответствующие ему значения угла. Длина волны лазерного излучения  указана на установке.

3. Рассчитайте среднее значение d и погрешность измерения , считая (приближенно) измерение d прямым. Доверительная вероятность Р = 95 %. Занесите данные в таблицу измерений.

Контрольные вопросы

1. Какими условиями определяется когерентность волн?

2. Роль когерентности волн при интерференции.

3. Каким образом разность фаз колебаний связана с оптической разностью хода лучей?

4. Условия максимумов и минимумов при интерференции волн.

5. Схема установки и порядок выполнения работы.

Список литературы

1. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1988. – Т. 2.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1982. – Т. 3.

PAGE  3