Обработка результатов. Представление результатов работы. Контрольные вопросы. Работа №5. Определение длины волны света с помощью бипризмы Френеля

1. Ознакомьтесь с устройством экспериментальной установки и назначением приспособлений.

2. Включите осветитель. Убедитесь, что изображение предмета на экране получается при двух положениях линзы. Проведите для трех значений L измерения l, результаты занесите в таблицу:

№	1	2	3
L
l
F
sF

3. Расположите экран от предмета на расстоянии 85 – 90 см, при помощи собирающей линзы получите резкое изображение предмета. Поместите исследуемую рассеивающую линзу между собирающей и экраном, задавая при этом расстояние d. Удаляя экран от предмета, снова получите чёткое изображение на расстоянии f от линзы. Повторите измерения для других значений  d, занося результаты измерений в таблицу:

№	1	2	3
d
f
F
sF

Обработка результатов

4. Определите фокусное расстояние линз по формулам (4) и (5), оцените погрешность. Найдите для обеих линз их оптическую силу.

Представление результатов работы

В заключении следует привести найденные экспериментально значения фокусного расстояния и оптической силы для каждой линзы.

Контрольные вопросы

1. Что такое линза? Какую линзу называют тонкой?

2. Что называют главным фокусом линзы? Выведите формулу (1) для фокусного расстояния тонкой линзы.

3. Выведите формулу тонкой линзы.

4. Что называют оптической силой линзы? Оцените оптические силы собирающей и рассеивающей линз, исследованных Вами.

5. Может ли двояковыпуклая линза иметь отрицательную оптическую силу, а двояковогнутая – положительную?

6. Точечный источник света находится на главной оптической оси собирающей линзы. Построить его изображение.

7. Точечный источник света находится в главном фокусе рассеивающей линзы. Построить его изображение.

8. На каком расстоянии от собирающей линзы надо поместить предмет, чтобы расстояние между предметом и его действительным изображением было минимальным? Оптическая сила линзы D = +2 дптр.

9. Тонкая собирающая линза создаёт прямое изображение предмета высотой h = 0.5 см. Найдите высоту H изображения, если известно, что оно находится в фокальной плоскости линзы.

10. Докажите, что оптическая сила системы двух тонких линз, вплотную прижатых друг к другу, равна сумме оптических сил этих линз.

Литература

1. _

Работа №5. Определение длины волны света с помощью бипризмы Френеля

Цель работы: Изучение явления интерференции, определение длины волны света лазера.

Оборудование: Полупроводниковый лазер, собирающая линза, бипризма Френеля, экран, оптическая скамья, рейтеры.

Краткая теория

В геометрической оптике исследуется только направление световых лучей. Вопрос о том, как протекает процесс распространения света, выходит за рамки геометрической оптики. Более глубоко свойства света рассматриваются в физической оптике. Свет представляет собой сложное явление: в одних случаях он ведёт себя как электромагнитная волна, в других – как поток частиц (фотонов). В интерференции и дифракции проявляются волновые свойства света. В наши дни интерференция и дифракция света имеют важные практические применения, например в спектроскопии и метрологии. Остановимся на явлении интерференции света.

Сложение в пространстве волн, при котором образуется постоянное во времени распределение амплитуд результирующих колебаний, называется интерференцией. Интерферировать могут волны любой физической природы: звуковые, электромагнитные и т.д.

Получить интерференционную картину (чередование максимумов и минимумов освещённости) с помощью независимых источников света, например, двух электрических лампочек, невозможно. Включение ещё одной лампочки лишь увеличивает освещённость поверхности, но не создаёт чередования минимумов и максимумов освещённости. Причина этого в том, что световые волны, излучаемые различными источниками, не согласованы друг с другом. Для получения же устойчивой интерференционной картины нужны согласованные волны. Они должны иметь одинаковые длины волн, одинаковую поляризацию (т.е. векторы напряжённости электрического поля обеих волн должны иметь одинаковую пространственную ориентацию) и постоянную разность фаз в любой точке пространства. Такие согласованные волны с одинаковыми длинами волн, поляризацией и постоянной разностью фаз называются когерентными. Источники когерентных волн также называются когерентными.

Почти точного равенства длин волн от двух источников добиться нетрудно. Для этого достаточно использовать хорошие светофильтры, пропускающие свет в очень узком интервале длин волн. Но невозможно осуществить постоянство разности фаз от двух независимых источников. Атомы источников излучают свет независимо друг от друга отдельными “обрывками” (цугами) синусоидальных волн протяжённостью около трёх метров. И такие цуги волн от обоих источников налагаются друг на друга. В результате амплитуда колебаний в любой точке пространства хаотически меняется со временем в зависимости от того, как в данный момент цуги волн от различных источников сдвинуты друг относительно друга по фазе. Волны от различных источников некогерентны из-за того, что разность фаз волн не остаётся постоянной. (Исключение составляют квантовые источники света – лазеры, созданные в 1960 г.) Никакой устойчивой картины с определённым распределением максимумов и минимумов освещённости не наблюдается.

Френель (1788-1827) в 1816 г. показал, что можно получить две когерентные волны, использовав лишь излучение одного источника. Для этого необходимо испускаемое излучение разделить на два потока (путём отражения или преломления) и заставить их встретиться после того, как они пройдут различные пути r₁ и r₂. Таким образом, мы заставим встретиться волны, вышедшие из одного и того же источника, притом, с таким малым запозданием одной относительно другой, что когерентность будет иметь место (обе группы волн принадлежат к одному акту испускания атома). В опыте Френеля с бипризмой когерентные волны получаются разделением светового пучка путём преломления в двойной призме (бипризме) с очень малыми преломляющими углами a (рис.1).

Рис. 1

Свет от точечного монохроматического источника S проходит через бипризму Б и освещает экран Э так, как если бы у нас было два когерентных источника S₁ и S₂ (рис.1). Световые пучки, исходящие как бы из мнимых источников S₁ и S₂, частично перекрываются, образуя зону интерференции. Интерференционная картина наблюдается на экране в виде светлых и тёмных интерференционных полос – максимумов и минимумов освещённости, соответственно.

Результат сложения колебаний, приходящих в точку P экрана от когерентных источников S₁ и S₂, зависит от оптической разности хода , что показано на рис.2, в виде упрощённой схемы без бипризмы.

Рис. 2

Условия экстремумов будут иметь такой вид:

 (условие максимума освещённости),                     (1)

 (условие минимума освещённости),

где k=0, 1, 2, 3, ... – порядок интерференционного максимума или минимума, l – длина световой волны.

Расстояние между серединами соседних максимумов или соседних минимумов называется шириной интерференционной полосы D x. Найдём эту ширину.

Можно показать, что в случае, когда преломляющий угол a призмы очень мал и углы падения на грань бипризмы невелики, все лучи отклоняются на практически одинаковый угол, равный

                              ,                                                   (2)

где n – показатель преломления стекла, из которого изготовлена призма.

Угол падения лучей на бипризму невелик. Поэтому все лучи отклоняются каждой из половин бипризмы на одинаковый угол g (рис. 1). Можно показать, что в этом случае мнимые источники S₁ и S₂ лежат в одной плоскости с источником S так, как показано на рис. 1. Из геометрии рисунка нетрудно найти расстояние d между источниками

                              g,

где a – расстояние от источника S до бипризмы.

Учитывая малость угла g и соотношение (2), получим:

                         а.                             (3)

Предположим, что в точке P наблюдается интерференционный максимум m-го порядка, а в точке P’ (рис.2; для точки P’ оптическую разность хода лучей обозначим через Dr') – соседний максимум (его порядок, очевидно, будет m-1).

Тогда, в соответствии с условием (1) можно записать

                         , .                             (4)

Ввиду малости угла b примем , что Sinb = tgb . Тогда из геометрии рисунка 2 нетрудно заметить, что

                                         ,                                           (5)

где l – расстояние между источником S и экраном, а x – расстояние от точки Р до центра О экрана.

Аналогичное соотношение можно записать и для точки P’:

                                 .                                          (6)

Вычитая из уравнения (5) уравнение (6) с учётом соотношений (4), получим

                                         ,              

где  – расстояние между соседними максимумами освещённости, т.е. ширина интерференционной полосы. Принимая во внимание выражение (3) для расстояния d, окончательно получим ширину интерференционной полосы

                              .                                      (7)

Соотношение (7) позволяет экспериментально определить длину волны света. Этому и посвящена настоящая лабораторная работа.

Описание эксперимента

Принципиальная оптическая схема установки представлена на рис. 3.

Рис. 3

 

Монохроматический световой пучок, излучаемый лазером, проходит через линзу Л, собирается в её фокусе F и падает на бипризму Б так, как если бы в точке F находился точечный источник света. На экране Э наблюдают интерференционную картину.

Для определения длины волны l лазерного излучения необходимо измерить расстояния a и l (рис. 3) и ширину интерференционной полосы D x. В соответствии с соотношением (7) длина волны l рассчитывается по формуле

                              ,                                        (8)

где величины a и n считаются известными и указаны на экспериментальной установке.

Для получения более наглядной интерференционной картины экран устанавливают на максимальном расстоянии от бипризмы. Расстояния а и l измеряют при помощи линейки, закреплённой на оптической скамье. Положение фокуса F линзы смещено от ее центра на величину фокусного расстояния. (Используемые собирающие линзы имеют фокусное расстояние около 50 мм). Ширину интерференционной полосы D x измеряют при помощи миллиметровой шкалы экрана. Для увеличения точности измерений измеряется длина отрезка x_m, на котором помещаются m светлых или тёмных полос. Средняя ширина интерференционной полосы, очевидно, рассчитывается по формуле

                                         .

Техника безопасности

· Необходимо соблюдать общие правила техники безопасности лаборатории "Оптика".

· Не следует касаться руками оптических элементов.

· Запрещается включать питание лазера без разрешения преподавателя.

· Конструкция лазера не рассчитана на длительную работу, поэтому его необходимо включать на минимальное время.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: