8 (Практикум по оптике)

Министерство образования и науки Российской ФедерацииФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего профессионального образования«Тихоокеанский государственный университет»ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТАС ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯМетодические указанияк выполнению лабораторной работы № 309 по физикедля студентов с направлением подготовки 011200.62 «Физика»ХабаровскИздательство ТОГУ2014Изучение интерференции света с помощью бипризмы Френеля: методические указания к выполнению лабораторной работе № 309 по физике длястудентов с направлением подготовки 011200.62 «Физика» / сост.

А. В. Кирюшин.– Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2014. – 8 с.Методические указания составлены на кафедре «Физика». Включают общие сведения об особенностях интерференции света, методику эксперимента, порядок выполнения работы. Объем выполнения лабораторной работы 3часа.Печатается в соответствии с решениями кафедры «Физика» и методического совета факультета компьютерных и фундаментальных наук© Тихоокеанский государственныйуниверситет, 2014Цель работы. Ознакомление с явлением интерференции света, изучениеметода деления волнового фронта при реализации двухлучевой интерференционной схемы.Задача. Определение расстояния между двумя мнимыми источникамисвета, преломляющего угла бипризмы и длины световой волны лазера.Приборы и принадлежности.

He – Ne лазер, регулируемая щель,бипризма Френеля, длиннофокусная линза, короткофокусная линза, экран.Техника безопасности. 1) Лазер питается напряжением 1,5 кВ, поэтомублок питания лазера должен быть надежно заземлен;2) основную опасность при работе с лазером представляет воздействиеизлучения на органы зрения, что может произойти лишь при грубом нарушении правил техники безопасности, с которыми все работающие на установкедолжны быть ознакомлены перед началом работы;3) в конце скамьи должен находиться экран для предотвращения выходаизлучения за пределы установки.1.

Опыт Юнга. Бипризма Френеля. Общие сведенияИнтерференцией называется перераспределение интенсивности света впространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а вдругих – минимумы интенсивности. Результат интерференции определяетсясоотношением фаз складывающихся волн.Необходимым условием интерференции волн является их когерентность, т. е.

сохранение неизменной разности фаз на время, достаточное длянаблюдения.Световые волны, излучаемые независимыми естественными источниками, некогерентны, что обусловлено хаотичностью, беспорядочностью испускания света атомами таких источников.

Именно с этим фактом связана невозможность наблюдения интерференционной картины от двух электрических ламп накаливания.Тем не менее, когерентные световые волны можно получить даже отобычных источников. Для этого создают условия, при которых свет от такого источника до экрана идет двумя различными путями. На экране встречаются волны, которые испущены одним и тем же атомом источника, но в различное время. Когерентность обусловлена таким малым запаздыванием одной волны относительно другой, при котором обе волны принадлежат к одному акту испускания света любым атомом источника.Другими словами, складываются две части волны, излученной отдельным атомом.

Такую волну называют цугом. Длина цуга называется длинойкогерентности. Длина когерентности определяется свойствами источникасвета. Для естественного источника она составляет ~ (10 – 100) мкм, у лазеров может достигать несколько километров. Для Не - Nе лазера, используемого в данной работе, она составляет ~ 0,5 м.

Для получения интерференци-онной картины разность путей встречающихся лучей не должна превышатьдлину когерентности.Разделение одной и той же волны на две части для реализации интерференции осуществляется двумя способами: 1) делением амплитуды; 2) делением фронта волны.Рис.1. Схема опыта ЮнгаВ настоящей работе применяется двухлучевая интерференционная схемас делением фронта световой волны.

Все основные схемы, основанные наэтом методе, сводятся к опыту Юнга (рис.1), поставленному в 1802 г.Юнг в темной комнате пропустил солнечный свет через узкую щель, азатем с помощью двух щелей, вырезанных в следующем экране, разделилэтот пучок на два. Эти два пучка, накладываясь друг на друга, образовали наэкране наблюдения систему полос - чередующихся максимумов и минимумов интенсивности I (рис.1). Расстояние между соседними максимумами илиминимумами, называемое шириной интерференционной полосы, определяется соотношением∆ =,(1)где L – расстояние от экрана с двумя щелями до интерференционной картины, d – расстояние между этими щелями, λ – длина световой волны.Рис.2.

Ход лучей в бипризме ФренеляТаким образом, в опыте Юнга интерференционная картина получаласьпутем деления фронта волны, исходящей из одного источника, при ее прохождении через две близко расположенных щели. Этот опыт позволил впервые определить длину световой волны. Простота и убедительность опытаЮнга сделали его классическим, одним из самых ярких в истории физики.Существенные черты этого опыта сохраняются в установке с бипризмойФренеля. Бипризма Френеля представляет собой две прямоугольные призмыс малыми преломляющими углами β, сложенные своими основаниями (рис.2).

Практически она изготавливается из целого куска стекла. Источникомсвета является ярко освещенная узкая щель, установленная параллельно ребру бипризмы. Можно показать, что, поскольку угол β очень мал, все лучи припреломлении в бипризме отклоняются на угол = ( − 1)(2)независимо от угла падения, если последний также мал.В результате за бипризмой лучи распространяются так, как если бы ониисходили из двух мнимых источников S1 и S2 (изображений входной щели).В области пространства, где пучки от источников S1, S2 перекрываются, возникает интерференционная картина (см.

рис.2). Расстояние между этими источниками равно = 2 ,(3)где a – расстояние от источников до бипризмы.2. Методика эксперимента и экспериментальная установкаДля измерения расстояния между двумя мнимыми источниками светаиспользуется установка, показанная на рис. 3.Рис.3. Схема наблюдения изображений 1 ′ и 2 ′ двух мнимых источников 1 и 2Световой пучок Не-Nе лазера 1 проходит через регулируемую щель 2 ипадает на бипризму 3, создающую два мнимых источника 1 и 2 так, как этопоказано на рис. 3.

Длиннофокусная линза 4 (№ 8 на оправе) предназначенадля получения увеличенного изображения 1 ′ и 2 ′ этих источников. Расстояние d/ между изображениями мнимых источников, наблюдаемыми наэкране, связано с расстоянием d между фактическими положениями этих источников формулой увеличения линзы = ′ 1 ,(4)2где ℓ1 – расстояние от щели до линзы, ℓ2 – расстояние между линзой и экраном (см. рис. 3).Теперь с помощью формул (2), (3) можно легко найти преломляющийугол бипризмы=.(5)2( − 1)Для наблюдения интерференционной картины длиннофокусную линзу 4(см.

рис.3) удаляют из установки. Между бипризмой и экраном помещаюткороткофокусную линзу 5, перемещением которой добиваются полученияувеличенного изображения 8 интерференционных полос 7 на экране 6(рис.4).217385---------------L6шшшшшшшшcfgРис.4. Схема наблюдения увеличенного изображения 8 интерференционных полос 7Ширина ∆ проектируемых на экран полос 7 связана с шириной ∆ ′наблюдаемых полос 8 соотношением∆ = ∆ ′ ,(6)где c – расстояние от полос 7 до линзы 5, f – расстояние между линзой 5 иэкраном 6 (рис.4).

Для этих расстояний и фокусного расстояния F линзы 5справедлива формула тонкой линзы1 1 1+ = .(7) Вводя в рассмотрение расстояние g между щелью и линзой 5, можно записать формулу =+.(8)Исключая из выражений (1) , (6) – (8) величины L, c, ∆x', которые в данной работе непосредственно не измеряются, получим=∆′.(9) ( − 1) − Это выражение устанавливает связь между длиной световой волны игеометрическими параметрами системы, в которой наблюдается интерференционная картина.Недостатком опыта с бипризмой Френеля является искажение интерференционной картины, вносимое дифракцией на ребре бипризмы. Оно выражается в появлении дополнительных, обычно немногочисленных, черных исветлых полос, наблюдаемых на фоне изучаемой интерференционной картины.3. Порядок выполнения работы1.

Включить лазер. Бипризма устанавливается на расстоянии a, равном 8– 12 см от щели так, чтобы ребро ее тупого угла было параллельно щели. Выставленное значение a заносится в таблицу 1. В течение всей работы оно неизменяется.2. Удаляют обе линзы. При достаточно широкой щели поперечным (поотношению к оптической оси) перемещением бипризмы добиваются появления на экране двух ярких светящихся пятен.3. Между бипризмой и экраном, ближе к бипризме, располагают длиннофокусную линзу (№ 8 на оправе). Перемещая эту линзу и суживая щель,добиваются появления на экране отчетливого изображения двух светящихсящелей.