5_7 (810501)
Текст из файла
Московский физико-технический институт(государственный университет)Цель работы: ознакомление с техникой интерференционных измерений показателей преломления газов с помощью интерферометра Жамена.В работе используются: интерферометр Жамена; газовая кювета;осветитель; зрительная труба; сильфон; баллон с углекислым газом;манометр; краны.Интерферометр Жамена. Главной частью интерферометра Жамена являются две одинаковые толстые плоскопараллельные стеклянныепластинки P1 и P2 , посеребрённые с одной стороны.Обычно эти пластинки располагаются так, чтобы между их плоскоPSfrag replacementsстями был небольшой угол.ЛИНТЕРФЕРОМЕТР ЖАМЕНАKDЛабораторная работа № 5.7P2ψ2ϕ1IAψ1 BIICϕ2P11 23 4Рис.
1. Ход лучей в интерферометре ЖаменаМОСКВА 2005Ход лучей в интерферометре Жамена изображён на рис. 1. Свет отисточника слегка расходящимся пучком падает на пластинку P1 . Рассмотрим один из лучей этого пучка. При отражении от пластинки P1луч раздваивается (отражаясь от передней и от задней поверхностей).Каждый из двух параллельных лучей I и II, падающих на пластинкуP2 , при отражении от её поверхностей снова раздваивается, так что навыходе из прибора образуются четыре луча 1, 2, 3, 4, параллельныхмежду собой.
Между любой парой лучей, за исключением лучей 2 и 3,имеется значительная разность хода, обусловленная различным числом3прохождений через толщу пластинок P1 и P2 . Эта разность хода составляет несколько сантиметров, так что при использовании белого светаинтерференция между этими лучами не наблюдается.Интерференционные явления возникают только при суперпозициилучей 2 и 3; присутствие лучей 1 и 4 ухудшает чёткость интерференционной картины, и поэтому их устраняют с помощью диафрагм.Подсчитаем разность хода между лучами 2 и 3.
Как показывает расчёт (см., например, [1]), разность хода между лучами I и II, отражёнными от передней и задней поверхности пластинки P1 , равна∆1 = n(AB + BC) − (AH) = 2hn cos ψ1 .(1)где n — показатель преломления, h — толщина пластинки, ψ1 — угол преломления в пластинке P1 . После отражения от поверхностей пластинкиP2 лучи 2 и 3 приобретают дополнительную разность хода, равную∆2 = 2hn cos ψ2 .(2)где ψ2 — угол преломления в пластинке P2 . Полная разность хода междулучами 2 и 3 равна∆ = ∆1 + ∆2 = 2hn(cos ψ1 − cos ψ2 ).(3)В выражениях (1) и (2) не учитывалась разница в условиях отражения от передних и задних поверхностей пластинок. Это объясняется тем,что каждый из лучей 2 и 3 образовался в результате одного отраженияот передней и одного — от задней поверхности.Как видно из рис. 1, лучи 2 и 3 параллельны между собой, поэтому интерференцию можно наблюдать с помощью зрительной трубы, настроенной на бесконечность, или просто глазом, аккомодированным набесконечность.
Максимумы освещённости располагаются в тех точкахфокальной плоскости зрительной трубы, где сходятся лучи с разностьюхода∆ = mλ(m = 0, ± 1, ± 2, . . .).(4)Интерферометр Жамена можно использовать для измерения небольших изменений показателя преломления. Для этого исследуемое вещество ставят на пути одного из лучей (I или II), что вносит дополнительную разность хода и приводит к сдвигу интерференционных полос. Измерения чаще всего проводят компенсационным методом.
При этом напути второго луча ставят тщательно прокалиброванный компенсатор,положение которого подбирается так, чтобы вернуть интерференционную картину в исходное положение.Пластинки интерферометра Жамена устанавливают не строго параллельно, а под небольшим углом друг к другу. Если этого не сделать, тоуглы ψ1 и ψ1 окажутся в точности равны друг другу для всех углов падения, и поле зрения трубы будет равномерно освещено (для одинаковыхидеально плоских пластин) — интерференционные полосы наблюдатьсяне будут (см. формулу (3)). Пусть пластинки интерферометра установлены под небольшим углом друг к другу, так что ребро образованного имидвугранного угла горизонтально.
При таком расположении пластинок вполе зрения трубы возникает система горизонтальных интерференционных полос.При наблюдении в белом свете центральная полоса оказывается ахромаP1тичной (белой); она окружена двумяP1глубокими минимумами. Далее располагается система окрашенных полос,чёткость которых постепенно ухудшаreplacementsется. АхроматическаяPSfragили, какеё наβзывают, нулевая полоса располагаетсяв тех точках поля зрения, где разностьхода равна нулю (для всех длин волн).Из выражения (3) следует, что ∆ =Рис.
2. К образованию нулевой= 0 приполосы(6)cos ψ1 − cos ψ2 = 0,соответствует минимальной освещённости.При заданной геометрии прибора разность хода зависит от углов ψ1и ψ2 , которые определяются углом падения световых лучей на пластинку P1 . При освещении расходящимся пучком света можно наблюдатьсистему интерференционных полос.т. е. при ψ1 = ψ2 , или ϕ1 = ϕ2 . Этому условию удовлетворяют лучи,которые в пространстве между P1 и P2 лежат в плоскости A (рис. 2),перпендикулярной биссекторной плоскости угла, образованного плоскостями зеркал.
Выберем среди плоскостей A плоскость, проходящую через центр объектива зрительной трубы, и назовем её нулевой плоскостьюинтерферометра. Лучи, образующие нулевую полосу, идут от P1 до P2параллельно нулевой плоскости. При малых углах β (в реальных условиях β порядка 10−4 рад и менее) с хорошим приближением можно считать, что эти лучи и до входа в интерферометр (а также и после выхода45Разность хода∆ = (m + 1/2)λ(5)из него) были параллельны нулевой плоскости. Один из таких лучейпоказан на рис. 2.Чтобы нулевая полоса оказалась в центре поля зрения трубы, нужно,чтобы её оптическая ось располагалась в нулевой плоскости. В нашейустановке труба расположена горизонтально.
Поэтому нулевая полосаоказывается в центре поля зрения лишь при горизонтальной ориентацииребра клина.Нетрудно представить себе поведение интерференционных полос прималых поворотах зеркал. Если одно из зеркал повернуть вокруг вертикальной оси, то изменяется ориентация клина; ребро двугранного углаперестаёт быть горизонтальным. Нулевая плоскость поворачивается вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной ребру клина, и нулевая полоса смещается вверх или вниз.
По-другому обстоит дело при вращенииодного из зеркал вокруг горизонтальной оси, параллельной плоскостизеркала. Ориентация клина при этом не меняется. Незначительно изменяется лишь положение биссекторной плоскости, и нулевая плоскостьслегка поворачивается вокруг оси, параллельной ребру клипа. Это приводит к незначительному смещению и малому повороту нулевой полосы.Основным эффектом в этом случае является изменение ширины интерференционных полос, которая пропорциональна отношению λ/β (см.,например, [2]).Устройство и юстировка интерферометра. В применяемом в работе интерферометре плоскопараллельные стеклянные пластинки P1 иP2 установлены на панели, ниже которой имеются два установочныхвинта, позволяющих в небольших пределах поворачивать зеркала.
Приэтом пластинка P1 может поворачиваться вокруг горизонтальной оси(изменение ширины полос), а пластинка P2 — вокруг вертикальной осиPSfragreplacements(изменение положенияполос).Интерферометр снабжён компенсатором Жамена, который часто примеП2П1S1няется и в других интерферометрах I(см. работу 5.8).
Компенсатор состоитS2из двух одинаковых плоскопараллель- IIных пластинок S1 и S2 , поставленныхна пути лучей I и II (рис. 3).Рис. 3. Газовая кювета и компенсаторЕсли обе пластинки установленыпод одинаковым углом к лучам, то смещения полос не происходит, так как оптическая длина пути обоих лучейоказывается одинаковой. Изменение угла поворота одной из пластиноквызывает увеличение или уменьшение оптической длины пути соответ-ствующего луча. Поворот пластинки подбирается так, чтобы скомпенсировать изменение длины оптического пути, происходящее в приборе,когда на пути лучей I или II расположен исследуемый образец.Для точного отсчёта угла поворота одна из пластинок снабжена рычагом, конец которого смещается при помощи микрометрического винта.Наш интерферометр предназначен для измерения показателей преломления газов.
В промежутке между пластинками P1 и P2 на путилучей I и II расположена газовая кювета (рис. 3), состоящая из двух трубок, закрытых с торцов плоскопараллельными стеклянными пластинками П1 и П2 . При измерениях трубки заполняются исследуемыми газами(CO2 , воздух).Юстировка интерферометра ведётся в следующем порядке. Включить осветитель и направить слегка расходящийся пучок света на пластинку P1 под углом 45◦ к ней. Проследить за ходом лучей в промежуткемежду пластинками P1 и P2 с помощью экрана.
Убедиться, что оба лучаI и II попадают на пластинку P2 , проходя через трубки кюветы и пластинки компенсатора, которые перед началом юстировки должны бытьустановлены параллельно друг другу (установка ведётся на глаз). Послеотражения от P2 каждый из лучей вновь раздваивается.На пути лучей, отражённых от P2 , ставится экран. На экране должны быть видны изображения лучей 1, 2, 3, 4 в виде трёх пятен. Крайниепятна соответствуют лучам 1 и 4, среднее — лучам 2 и 3.
Поочерёдно закрывая лучи I и II, убеждаются в том, что среднее пятно образовалось врезультате наложения лучей, идущих по разным путям интерферометра(лучи 2 и 3). Зрительная труба устанавливается так, чтобы лучи 2 и 3попали в объектив.Для получения интерференционных полос в поле зрения необходимо,чтобы ребро двугранного угла, образованного плоскостями пластинок P 1и P2 было приблизительно горизонтальным. К такому расположениюможно прийти путём вращения пластинки P2 относительно вертикальной оси с помощью соответствующего установочного винта.
При этомследует иметь в виду, что положение полос очень сильно зависит отповорота пластинки P2 . Вращение винта нужно вести медленно, чтобыне проскочить положение, когда интерференционные полосы попадаютв поле зрения. Далее установочным винтом пластинки P1 регулируютширину полос.Следует иметь в виду, что используемые в интерферометрах в качестве зеркал стеклянные пластинки не всегда оказываются достаточнохорошо изготовленными. Это приводит к некоторым особенностям в расположении интерференционных полос.
В частности, полосы могут оказаться несколько наклонёнными к горизонтали, и этот наклон полос не67удаётся устранить поворотом пластинки P1 вокруг горизонтальной оси.МPSfrag replacementsК1С1П1П22БК2CO2ГРис. 4. Устройство прибора для изменения давления воздуха в трубке интерферометра (верхняя часть схемы) и длязаполнения трубки интерферометра углекислым газом (нижняя часть схемы)Калибровка компенсатора. Перед началом измерений следует прокалибровать компенсатор. Трубку кюветы продувают воздухом, чтобыудалить из неё остатки углекислого газа, а затем выжидают 2–3 минуты для установления температуры.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
