Изучение дифракции от щели и нити

 

1. Снимите с оптической скамьи круглый экран и стеклянную пластину. Установите на оптической скамье держатель с раздвижной щелью — рейтер 2 (см. рис.3), обратив щель к прямоугольному экрану 4, так чтобы лазерный пучок попадал на щель. На экране должна появиться дифракционная картина.

2. Меняя ширину щели и расстояние между рейтером 2 и экраном, пронаблюдайте, как изменяется эта картина. После этого установите ширину щели такой, чтобы ширина полос x составляла 3 - 4 мм. Для большей точности измерьте интервал, содержащий N = 3 – 4 полос, а затем вычислите ширину x одной полосы.

3. Измерьте расстояние между щелью и экраном l. По формуле (4) рассчитайте ширину щели b. Найдите погрешность ширины щели Db как погрешность косвенных измерений.

4. Снимите отсчет a₁ по микрометрическому винту рейтера 2, соответствующий открытой щели. Затем отсчет a₂, соответствующий моменту закрытия щели. Вычислите ширину щели  и сравните результат с полученным в предыдущем задании.

5. Заменив щель вкладышем с нитью, измерьте подобным же образом ширину полосы Dx в дифракционной картине от нити. Чтобы прямой пучок не мешал измерениям, введите зачерченный «язычок» поворотом рукоятки на экране 4 (см. рис.3). Вычислите по той же формуле (4) толщину нити b.

 

Контрольные вопросы

 

1. С какой целью в установке используется объектив О?

2. Что такое длина когерентности? При какой длине когерентности возможно наблюдение интерференции света при отражении от плоскопараллельной пластины?

3. Как изменяется порядок интерференции с ростом радиуса колец при отражении света от стеклянной пластины?

4. Что утверждает теорема Бабине?

5. Как изменяется дифракционная картина при увеличении ширины щели, толщины нити?

6. Оцените величину параметра дифракции и на основании оценки сделайте заключение о типе дифракции в задании 2.

 

Р а б о т а 3.2

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА УЛЬТРАЗВУКЕ

 

Цель: изучение явления дифракции света и определение скорости ультразвука в воде.

 

Введение

 

При прохождении ультразвуковой волны через жидкость в ней возникают периодические оптические неоднородности, обусловленные разницей показателя преломления n в области сжатия и разрежения. Эти периодические неоднородности играют роль своеобразной дифракционной решетки.

Пусть плоская световая волна проходит через кювету с жидкостью, в которой распространяются ультразвуковые волны в направлении, перпендикулярном к падающему свету (рис.1). При этом различные участки фронта световой волны, сохраняя неизменной амплитуду колебаний, будут перемещаться с различной скоростью. Так как скорость V упругих волн ультразвуковой волны всегда значительно меньше скорости света, можно в первом приближении принять, что слоистая структура вещества, вызванная ультразвуковой волной, неподвижна. В результате из жидкости выйдет световая волна, волновая поверхность которой уже не плоская, а имеет синусоидальный профиль. Другими словами, при прохождении света через такую среду происходит пространственное модулирование фазы световой волны, и сама среда играет роль фазовой решетки (см. § 10 разд.3).

 

 

Рис.1

В зависимости от различных условий в жидкости могут устанавливаться или бегущие, или стоячие волны, или те и другие одновременно. Однако в любом случае фазовая решетка будет иметь один и тот же период, равный длине ультразвуковой волны .

Если на пути света, прошедшего эту жидкость, поставить объектив, то в фокальной плоскости его можно наблюдать дифракционную картину, состоящую из ряда максимумов (см. рис.1).

Дифракционные максимумы возникают в тех направлениях j, для которых оптическая разность хода волн, исходящих из соответствующих точек соседних участков волновой поверхности (рис.2), равна целому числу световых длин волн l (см. § 10 разд.3):

                                   ,                                 (1)

где L — период «решетки» (длина ультразвуковой волны); k — порядок дифракционного максимума (k = 0, 1, 2, …).

 

Рис.2

 

Дифракция света на ультразвуке используется в данной работе для определения скорости распространения ультразвука в воде.

Наблюдение ультразвуковых волн достигается с помощью вспомогательной собирающей линзы Л, если ее расположить за фокальной плоскостью F объектива О зрительной трубы (рис.3).

В этом случае оптическое изображение дифракционного объекта (ультразвуковых волн, например, точек a и b) является результатом интерференции световых колебаний, исходящих из различных дифракционных максимумов в фокальной плоскости F. Если ультразвук создает неглубокую фазовую модуляцию света, то в дифракционной картине наибольшую интенсивность будет иметь максимум нулевого порядка. Этот максимум создает в плоскости изображения Р однородный светлый фон, на котором слабое изображение (точки a¢ и b¢) данной структуры оказывается почти невидимым. Однако контрастность изображения можно резко увеличить, если исключить светлый фон, например, закрыв в плоскости F центральный дифракционный максимум.

 

 

Рис.3

 

Именно этот способ наблюдения, называемый методом темного поля, и используется в данной работе.

В заключение отметим два важных обстоятельства:

1) при непрерывном освещении и визуальном наблюдении ультразвуковая решетка будет не видна, если она реализована бегущей волной. В этом случае, вследствие большой скорости этих волн и инерции зрительного восприятия, глаз будет видеть слившийся равномерно освещенный фон;

2) иначе обстоит дело в случае стоячих волн. Их узловые точки расположены на расстоянии L/2 друг от друга и неподвижны в пространстве (рис.4). На рис.4 показан график зависимости смещения x от координаты x (ось Ox перпендикулярна направлению распространения света). Между узлами смещений расположены элементы среды, периодически (с большой частотой) образующие пучности смещений. Поэтому при визуальном наблюдении возможна регистрация лишь усредненной во времени пространственной картины стоячих волн. Пространственный период этой картины, как показано на рис.4, равен не L, а L/2.

 

 

Рис.4

 

Описание установки

 

Работа проводится на установке, оптическая схема которой показана на рис.5. Здесь 1 — источник света с конденсорной линзой; 2 — съемный светофильтр; 3 — зеркало; 4 — коллиматор, в передней фокальной плоскости которого расположена узкая щель; 5 — кювета с исследуемой жидкостью; 6 — зрительная труба; 7 — насадка с зачерненной полоской; 8 — вспомогательная собирающая линза; 9 — окуляр-микрометр; 10 — выдвижная штанга.

 

 

Рис.5

 

Для формирования слаборасходящегося светового пучка используется конденсорная линза, в фокусе которой находится источник света. Светофильтр пропускает световые волны в узком диапазоне длин волн ( ) — создает квазимонохроматический свет. Коллиматор предназначен для формирования световой волны, обладающей высокой пространственной когерентностью, необходимой для наблюдения дифракционной картины. Дифракционная картина наблюдается в фокальной плоскости объектива зрительной трубы.

Источником ультразвуковых колебаний служит пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца. Эта пластинка вместе с верхним электродом служит дном плоскопараллельной стеклянной кюветы.

Кювету ставят на специальную подставку, являющуюся нижним электродом кварцевой пластинки. К электродам подводят напряжение от высокочастотного генератора. При этом кварц будет испытывать механические деформации, частота которых равна частоте генератора (на рисунке не изображен). Колебания кварцевой пластинки будут иметь заметную амплитуду лишь при резонансе, когда частота генератора совпадает с одной из собственных частот самой пластинки , т.е. резонанс наблюдается при нечетных гармониках. Причем наибольшая амплитуда колебаний достигается при частоте n₀, соответствующей основному тону, с увеличением n_n амплитуда уменьшается.

Частоту генератора можно плавно изменять в широком мегагерцевом диапазоне вращением рукоятки. Рукоятка снабжена круговой шкалой, градуировочная кривая которой дана на установке.

К установке прилагаются: прозрачная дифракционная решетка с известным периодом и насадка с зачерненной полоской.

Перед выполнением работы ознакомьтесь с пп.1 – 5 «Методических рекомендаций».

 

Задание 1

 

⇐ Предыдущая32333435363738394041Следующая ⇒

Поделиться: