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

16 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

15801. Средние формы общих индексов 29.05 KB
  Средние формы общих индексов Помимо агрегатных индексов в статистике применяется и другая их форма – средневзвешенные индексы. Их используют когда имеющаяся в распоряжении информация не позволяет рассчитать общий агрегатный индекс. Средний индекс – это индекс вычи
15802. Средний уровень динамического ряда 85.3 KB
  Средний уровень динамического ряда. Способы его исчисления. Средний уровень ряда в статистике Средний уровень ряда определяет обобщенную величину абсолютных уровней. Он определяется по средней исчисленной из значений меняющихся во времени. Методы расчета среднего ...
15803. Средний уровень ряда и способы его расчета 72.58 KB
  Средний уровень ряда и способы его расчета. chronological mean средняя рассчитанная из значений изменяющихся во времени. Используется для расчета среднего уровня моментного ряда. В том случае если имеющиеся данные относятся к фиксированным моментам времени c равными интер...
15804. Средняя арефмитическая и горманическая формы общих индексов 30.52 KB
  Средняя арифметическая и горманическая формы общих индексов. Помимо агрегатных индексов в статистике применяется и другая их форма – средневзвешенные индексы. Их используют когда имеющаяся в распоряжении информация не позволяет рассчитать общий агрегатный индекс.
15805. Средняя гармоническая 24.05 KB
  Средняя гармоническая. При расчёте статистических показателей помимо средней арифметической могут использоваться и другие виды средних. Однако в каждом конкретном случае существует только одно истинное среднее значение показателя. Пример. Пусть в фирме специализир...
15806. Средняя ошибка выборки 130.06 KB
  Средняя ошибка выборки Средняя ошибка выборки представляет из себя такое расхождение между средними выборочной и генеральной совокупностями которое не превышает б дельта. На основании теоремы Чебышева П. Л. величина средней ошибки при случайном повторном отборе...
15807. Статистическая таблица. Ее элементы. Виды таблиц 11.94 KB
  Статистическая таблица. Ее элементы. Виды таблиц. Результаты сводки и группировки данных представляют в виде статистических таблиц. Статистическая таблица содержит сводную числовую характеристику исследуемой совокупности по одному или нескольким существенным приз
15808. Проектна технологія як засіб формування інтересу до пізнання молодших школярів 66.5 KB
  Анотація Одним із провідних орієнтирів української освіти і виховання є врахування здібностей нахилів та інтересів школярів у процесі навчальної діяльності що визначено Законом України €œПро освіту€. Завдання створення сприятливих умов для творчого характеру навч
15809. Проблема інтересу до навчання в педагогіці епохи Гуманізму 64.5 KB
  Аспірант Баранова Анастасія Миколаївна Проблема інтересу до навчання в педагогіці епохи Гуманізму Проблема інтересу до навчання в історії педагогічної думки і практиці навчання з’являлась поступово та характеризувалася увагою до певних її аспектів що зумов