42340

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Лабораторная работа

Физика

Электронная теория дисперсии света дает следующую зависимость показателя преломления среды от частоты световых волн: 1 где N число молекул в единице объема среды круговая частота собственных колебаний электронов круговая частота световой волны e и m заряд и масса электрона. Дисперсией электромагнитных волн света называется зависимость показателя преломления среды n от их частоты . В данной лабораторной...

Русский

2013-10-29

183 KB

17 чел.

Лабораторная работа 7.1.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Библиографический список

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 1985.

2. Годжаев М. Н. Оптика. М.: Высшая школа, 1977.

3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Оптика. М.: Наука, 1980.

Цель работы: изучение резонансного взаимодействия световой волны лазера с электронами вещества.

Приборы и оборудование: плоскопараллельная стеклянная пластина, лазер ЛГН-109, экран с микроскопическим объективом.

Введение

С точки зрения атомистических представлений дисперсия света возникает в результате вынужденных колебаний электронов вещества под действием переменного поля электромагнитной волны.

Электронная теория дисперсии света дает следующую зависимость показателя преломления среды от частоты световых волн:

,                         (1)

где N – число молекул в единице объема среды,
- круговая частота собственных колебаний электронов,  - круговая частота световой волны,
e и m – заряд и масса электрона.

Из соотношения (1) следует определение дисперсии света.

Дисперсией электромагнитных волн, света называется зависимость показателя преломления среды n от их частоты . В данной лабораторной работе определяется показатель преломления стекла из наблюдений интерференции лазерного луча с длиной волны 0  630 нм. Высокая степень когерентности лазерного излучения позволяет осуществить явления интерференции и дифракции со значительно меньшими сложностями, чем с обычными источниками света.

Описание метода и экспериментальной установки

Плоскопараллельная пластина ППП освещается расходящимся пучком, который получают из лазерного луча ЛЛ с помощью микроскопического объектива МО. Объектив МО установлен так, что его задний фокус совпадает с плоскостью круглого экрана Э. В центре экрана, напротив луча, имеется небольшое отверстие, размеры которого при использовании лазерного луча несущественны (рис. 1). Удобно пользоваться отверстием диаметром 2-6 мм. Световые лучи расходящегося пучка, отраженные от передней и задней поверхностей пластинки, интерферируют и дают на экране Э интерференционную картину в виде концентрических светлых и темных колец.

Интерференционная картина создаётся на экране, в плоскости которого находится точечный источник света S. Интерферируют лучи 1 и 2 от этого источника, отражающиеся от ближней и дальней поверхностей плоскопараллельной стеклянной пластины, и сходящиеся в точку В на экране, как показано на рис. 2.

Пластина толщины d с показателем преломления n расположена параллельно экрану на расстоянии l от него. Как видно из рис. 2, оптические длины путей для лучей 1 и 2, отражающихся от различных поверхностей пластины, равны соответственно:

 (2)

Для малых углов ,  и имеем:

 (3)

Поэтому оптическая разность хода рассматриваемых лучей равна:

 (4)

Дополнительная разность хода 0/2 возникает при отражении луча 1 от оптически более плотной среды в точке А. Так как лучи 1 и 2 пересекаются в точке В экрана на расстоянии r от источника S, то

  (5)

На границе стекла и воздуха выполняется закон преломления света: sin  nsin или (для малых углов):
  /n.

Если толщина пластинки d мала по сравнению с l (т.е.
d/l  1), то из (5) находим:

Подставляя эти выражения для углов в (4), имеем:

Полосы интерференционной картины на экране имеют вид колец. Радиусы rк тёмных колец определяются условием интерференционных минимумов:

.  (6)

Отсюда находим:

,   (7)

где k – целые числа, n – показатель преломления стекла;
0 - длина волны лазерного излучения (даётся в паспорте лазера); d – толщина пластины; l – расстояние от пластины до экрана.

Соотношение (7) выполняется при условии  и .

Из формулы (7) видно, что  линейно зависит от порядка интерференции k. Следовательно,  линейно зависит и от номера кольца N. Если построить график зависимости от N
(рис. 3), то тангенс угла наклона этого графика позволяет определить коэффициент при k в формуле (7):

.    (8)

Тогда показатель преломления n выразится следующей формулой:

    (9)

Из формулы (8) видно, что определяемая величина n зависит не от номера измеряемого кольца, а от разности номеров . Поэтому нет необходимости отыскивать на экране кольцо, соответствующее N = 1. Кольца могут нумероваться последовательно в порядке уменьшения радиуса, причем первое кольцо выбирается произвольно.

Порядок выполнения работы

При правильной установке пластинки и экрана на последнем появится система интерференционных колец, центры которых совпадают с центром микрообъектива. Небольшими перемещениями экрана и объектива получить чёткую картину колец.

  1.  Пронумеровать на экране темные кольца, положив номер наибольшего из них N = 1, а следующих, по мере убывания радиуса: N = 2, 3, 4, 5 и так далее.
  2.  Измерить радиусы первых 6-7 колец с помощью двух взаимно перпендикулярных шкал, нанесенных на поверхности экрана. Для каждого кольца определяются четыре значения радиуса.
  3.  Найти среднее значение радиуса каждого кольца  и его квадрат .
  4.  Построить график зависимости  от номера кольца N. Примерный вид графика приведен на рис. 3.
  5.  По графику (рис. 3), найти отношение  и по формуле (9) рассчитать показатель преломления n.
  6.  Получить путем дифференцирования соотношения (9) формулу абсолютной и относительной погрешности для n.
  7.  Результаты вычислений записать в виде:

; .

Контрольные вопросы

  1.  Чем отличается излучение лазера от обычного света?
  2.  Что такое дисперсия электромагнитных волн?
  3.  Что такое нормальная и аномальная дисперсия?
  4.  Как осуществляется взаимодействие световой волны с электронами вещества?
  5.  Каково физическое содержание показателя преломления вещества?
  6.  Луч света падает из воздуха в воду (n = 1,3). Угол падения равен 10. Оценить угол преломления (при расчете считать угол малым).
  7.  Луч света падает из воды (n = 1,3) в воздух. Угол падения равен 30. Найти синус угла преломления.
  8.  Чему равен угол полного внутреннего отражения и в чем его физический смысл?
  9.  Луч падает перпендикулярно тонкой пленке толщиной d, имеющей показатель преломления n. Чему равна разность фаз двух лучей, отраженных от верхней и нижней поверхностей пленки? Длина волны света в воздухе λ.
  10.  Какие источники света можно назвать когерентными?
  11.  Почему излучение лазера называется когерентным?
  12.  Каковы условия максимума и минимума при интерференции волн?
  13.  Для опыта Юнга (интерференция на двух щелях) указать положение первого максимума и записать условие следующего максимума через длину волны, расстояние от экрана до щели l и расстояние между щелями d (в опыте Юнга d<<l).
  14.  Почему интерференционная картина в исследуемом случае имеет вид колец?
  15.  Что произойдёт с интерференционной картиной при увеличении расстояния до пластины? При увеличении показателя преломления стекла? При уменьшении толщины пластины?
  16.  Получить выражения для радиусов светлых колец, наблюдаемых на экране в исследуемом случае.

PAGE  6


Рис. 1. Схема установки

Э

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

ЛЛ

N

Рис. 3. График зависимости  от номера кольца N

В

А

С

Э

S

l

n

d

r

2

S2

S1

1

2

Рис. 2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

60079. Ми діти твої, Україно! 59.5 KB
  Мета: стимулювати в учнів інтерес до історії України; формувати національну свідомість школярів; розвивати почуття відповідальності за долю своєї держави; виховувати почуття патріотизму та національної гідності.
60080. Подаруємо ялинці новорічні шати 65.5 KB
  Мета: 1. Виховна: виховувати любов до природи, до народних календарних свят, акуратність, організованість, дисциплінованість. 2. Корекційна: корекція мовлення, розвиток уваги, дрібної моторики рук.
60081. Людина починається з добра 72 KB
  Вчитель: Доброго дня дорогі діти шановні гості А день сьогодні дійсно добрий тому що людським теплом і добротою зігріте серце. Людина в світ приходить для добра Щоб в світі цім добро творити Вам розуміти діточки пора Що серденьку з любовю треба жити.
60082. Что такое счастье и как его измерить? 46.5 KB
  Цель: раскрыть историческое происхождение слова счастья. Соедините первые буквы каждого слова и прочитайте полученное слово Счастье. Тема занятия: Что такое счастье и как его измерить.
60083. Как празднуют Новый год во всем мире? 54 KB
  Новый год 2.До начала правления Юлия Цезаря новый год в Риме начинался 1 марта. В Индонезии тоже 2 празднования Нового года: один 1 января другой исламский новый год дата которого меняется из года в год.
60084. Позакласний захід з української літератури 63 KB
  Мета: перевірити опанування навчального м матеріалу; розвивати логічне мислення та усне мовлення; прищеплювати любов до української літератури. м любіть Україну свою і вічні ми будемо з нею...
60086. Сценарій позакласного заходу (гра «Who is the best at English?») 39.5 KB
  Good morning, my dear friends. I am glad to see you here today. I know that all of you are very hardworking, smart and clever pupils, who are fond of English. Today we shall have an interesting quiz and see who is the best at English.
60087. Свято Стрітення 61 KB
  Саме тому з лютим міцно повязані і природні передбачення погоди якими будуть весна і літо чи щедрим буде врожай. Ведучий Звернення до народних прикмет у лютому явище закономірне адже не за горами веснакрасна.