Источники, испускающие такие волны, называются когерентными источниками.
Лабораторная работа № 6 Изучение явления интерференции света Цель работы: Определение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля.
Приборы и принадлежности: 1.Бипризма Френеля. 2.Осветитель. 3.Светофильтры. 4.Щель. 5.Собирающая линза. 5.Зрительная труба с отсчетной шкалой. 6.Измерительная линейка. 7.Оптическая скамья.
Краткая теория С волновой точки зрения свет представляет собой электромагнитные волны. Скорость распространения света в вакууме Электромагнитная волна характеризуется колебаниями векторов напряженностей электрического поля
где Аргумент косинуса в уравнении (1) определяет фазу колебания
Длины волн видимого сета заключены в пределах: Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В веществе длины световых волн будут иными. Это следует из того, что фазовая скорость
Отношение Волновая природа света проявляется в частности в явлении интерференции. Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и их ослабление в других точках в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Интерферировать могут только когерентные волны, если им соответствуют колебания, совершающиеся вдоль одного направления. Когерентными волнами называются волны одинаковой частоты, колебания которых имеют постоянную разность фаз, не изменяющуюся с течением времени. Источники, испускающие такие волны, называются когерентными источниками. Энергетической характеристикой световой волны в данной точке пространства является интенсивность света Интенсивностью света Плотность потока электромагнитной энергии определяется вектором Умова – Пойтинга
Следовательно, Из теории электромагнитных волн вытекает, что интенсивность света пропорциональна показателю преломления среды и квадрату амплитуды световой волны:
Световая энергия распространяется вдоль линии, называемой лучом. В изотропных средах лучи перпендикулярны волновым поверхностям. Пусть две световые волны, исходящие из когерентных источников
Амплитуда результирующего колебания в точке М определяется выражением:
Так как волны когерентны, то
Фазы этих волн Разность фаз ( Волновое число
где
так как
Величина
где Согласно формуле (4) значение амплитуды
Сравнивая выражения (6) и (7), получим:
Если в разности хода При этом
В случае равенства амплитуд
Соответственно наименьшее значение амплитуда результирующего колебания принимает в тех точках пространства, для которых
Вновь из выражений (6) и (9) получим
Если в разности хода При этом Интенсивность света Отметим, что согласно закону сохранения энергии при интерференции происходит такое распределение энергии, что усиление интенсивности света в одних точках пространства осуществляется за счет ослабления в других.
При наложении некогерентных волн разность фаз ( и соответственно интенсивность Источником световых волн являются возбужденные атомы вещества. Каждый атом излучает электромагнитные волны независимо друг от друга и поэтому начальные фазы излучаемых волн различны и непрерывно меняются со временем. Создать два независимых когерентных источника света трудно. Практически все методы получения когерентных световых волн сводятся к разделению световой волны от одного источника на две волны, которые являются когерентными. Затем эти волны, накладываясь друг на друга, интерферируют между собой. Одним из оптических устройств получения когерентных световых волн и наблюдения интерференции света является бипризма Френеля, которая используется в данной работе. Бипризма Френеля состоит из двух одинаковых призм с малыми (порядка 30′) преломляющими углами А и В, сложенных основаниями и изготовленных как одно целое (рис.2).
Свет из узкой щели S проходит через бипризму и в результате преломления за бипризмой получаются сходящиеся пучки света, которые можно рассматривать как исходящие из мнимых источников S1 и S2. Поскольку оба пучка света исходят от одного источника, то они когерентны, и поэтому накладываясь друг на друга за бипризмой, интерферируют между собой. Интерференционная картина на экране MN представляет чередование темных и светлых полос, параллельных щели S. Расстояние между двумя соседними светлыми (или темными) полосами называется шириной интерференционной полосы. Ширина интерференционной полосы на экране изменяется в зависимости от расстояния между источниками света и экраном.
Для вывода расчетной формулы рассмотрим рис.3, где S1 и S2 – когерентные источники света, расположены на расстоянии d друг от друга. Интерференционная картина наблюдается на экране, расположенном от источников S1 и S2 на расстоянии |FO|=L>>d. Считая, что лучи S1М и S2М распространяются в одинаковой среде, определим их разность хода
Подставляя в формулу (11) условие максимума (8) или минимума (10), получим положение светлых и темных полос на экране. Если
Целое число Если
Если
Минимум первого порядка при
то есть первый интерференционный минимум находится посередине между центральным и первым максимумом. Расстояние между соседними светлыми или темными полосами:
Из выражений (12) и (13) видно, что Если источники дают белый свет, то в луче присутствуют все длины волн видимого спектра, и
Описание установки На оптической скамье устанавливается осветитель О, светофильтр f, щель S, бипризма Б, конденсорная линза Л, зрительная труба Т с отчетной лупой (рис.4).
Точная установка всех приборов обеспечивает четкую интерференционную картину. Для этого ребро бипризмы должно быть параллельно щели, щель должна быть узкой, середина щели и ребро бипризмы должны совпадать с оптической осью зрительной трубы. Порядок выполнения работы
Из формулы(14) следует, что длина волны
Для определения этой длины волны необходимо измерить расстояние между когерентными источниками света 1.Включить осветитель. Щель и преломляющее ребро бипризмы установить вертикально и параллельно друг другу, то есть добиться того, чтобы свет от щели падал на ребро бипризмы. 2.Отрегулировать положение отсчетной лупы так, чтобы свет щели падал на ее середину. Затем перемещая бипризму вдоль оптической скамьи, добиться четкой интерференционной картины, которая представляет собой чередующиеся вертикальные темные и светлые полосы соответствующего фильтру цвета. После этого можно притупить к измерениям. 3. Определение расстояния Между бипризмой и отсчетной лупой установить линзу (рис.4 и 5) и перемещать ее вдоль скамьи, пока в отсчетной лупе не станут видны отчетливые изображения двух мнимых источников в виде двух ярких вертикальных изображений щели.
При этом положения щели, бипризмы и лупы не должно нарушаться. По шкале лупы измерить кажущееся расстояние Затем определить истинное расстояние
4. Определение ширины интерференционной полосы Снять с оптической скамьи линзу и по шкале лупы отсчитать число темных (или светлых) полос Ширину интерференционной полосы определить по формуле:
Эти измерения повторить не менее трех раз для разного числа интерференционных полос 5. По формуле (15) вычислить длину волны Все измерения и вычисления проделать, используя красный и зеленый фильтры. Данные измерений и вычислений занести в таблицу.
Таблица измерений и вычислений.
6. Сравнить полученные значения длин волн Контрольные вопросы. 1. Какова природа света? 2. Что называется интерференцией волн? 3. Какие волны являются когерентными? 4. Что называется оптическим ходом (оптической разностью хода) лучей? 5. Определить условия максимума и минимума интерференции волн. 6. Объяснить получение интерференционной картины с помощью бипризмы Френеля. Начертить ход лучей. 7. Вывести формулу, с помощью которой рассчитывается длина волны в данной работе. 8. Какие величины необходимо измерить в данной работе? 9. Как зависит ширина интерференционной полосы от длины волны? 10. Какой вид имеет интерференционная картина при освещении белым светом и почему?
Воспользуйтесь поиском по сайту: ![]() ©2015 - 2025 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|