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

56354. Творчество Ибсена 18.96 KB
  дна из важнейших проблем, поставленных в творчестве Ибсена - проблема противоречия между нравственностью и человеколюбием. На самом деле это одно из самых важнейших противоречий христианства, а также вообще той морали, которая была свойственна европейскому обществу в 19 веке, да и сейчас
56355. Технологія приготування гарячих напоїв. Правила техніки безпеки в побуті 49.5 KB
  Мета: Розширити знання й навички приготування гарячих напоїв; розвивати художній естетичний смак під час оформлення готових страв, сервіруванню столу; виховувати свідоме виконання правил техніки безпеки на кухні.
56358. Техника безопасности на уроках физкультуры 227.5 KB
  Техника безопасности на уроках физической культуры Основы техники безопасности на уроках физической культуры Профилактика травматизма как основное направление техники безопасности на уроках физической культуры Младший школьный возраст и меры профилактики травматизма на уроках физической культуры.
56359. Правила безопасности на уроках физической культуры 100 KB
  Она должна включать две части упражнений: общеподготовительную медленный бег 23 мин комплекс общеразвивающих упражнений 68 мин и специальноподготовительную беговые и прыжковые упражнения ускорения. Выполняя упражнения при разминке необходимо...
56360. Техника безопасности на уроках технологии 25 KB
  Строгое выполнение правил техники безопасности служит надежной гарантией предупреждения несчастных случаев. С первых занятий необходимо знакомить учащихся с правилами техники безопасности и требовать неукоснительного их выполнения.
56361. Техника безопасности на уроках труда 37.5 KB
  Учеников необходимо на первых же занятиях знакомить с этими правилами постоянно напоминать о них требовать безусловного выполнения. Ученик хорошо усваивает правила работы и сознательно применяет их только в том случае когда эти правила хорошо ему понятны.
56362. Правила техніки безпеки під час виконання фізичних вправ 91 KB
  Метою фізичного виховання є формування особистості спрямоване на забезпечення необхідного рівня розвитку життєво важливих рухових навичок і фізичних якостей; загальнолюдських цінностей: здоровя фізичного соціального та психічного благополуччя...