Исследование волновых свойств света.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Наблюдение интерференции, дифракции, поляризации света. Измерение длины волны излучения лазера.

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Оптическая скамья, лазер, набор элементов для изучения волновых свойств света, линейка.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Интерференция – явление сложения в пространстве двух или более волн, при котором в разных его точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Для образования устойчивой интерференционной картины необходимо, чтобы волны накладывались в данной точке пространства с неизменной разностью фаз колебаний. Такие волны называются когерентными волнами, а источники таких волн называются когерентными источниками. Интерференция характерна для волн различной природы, в том числе для световых волн. Естественные источники света не являются когерентными источниками, поэтому интерференция световых волн от них не наблюдается. В опыте Юнга когерентными источниками являлись две щели, на которые падала одна и та же первичная волна. В бипризме Френеля первичная световая волна преломляется, что приводит к появлению двух когерентных мнимых источников, от которых можно наблюдать интерференционную картину. Интерференцию можно наблюдать, если разделить первичную волну (первичный световой пучок) на два световых пучка, которые проходят разный оптический путь и снова накладываются друг на друга (интерференция в тонких пленках, кольца Ньютона).

Дифракция света – явление огибания световыми волнами встречных препятствий с размерами, соизмеримыми с длиной волны, или проникновение света в область геометрической тени. Явление объясняется интерференцией вторичных волн, которые испускаются каждой точкой фронта первичной волны (основной принципа волновой оптики - принципа Гюйгенса-Френеля).

Рис.1.

Если на пути параллельного пучка монохроматического света установить тонкую нить, щель или дифракционную решетку, то на экране будет наблюдаться дифракционная картина в виде центрального (самого яркого) максимума и системы, симметричных относительно него максимумов различных порядков, разделенных минимумами (рис. 1).

Углы j, под которыми наблюдаются минимумы интенсивности вторичных волн от щели или нити удовлетворяют условию:

b sin j = ± kl, k = 1, 2, 3..., (1)

Условие максимума интенсивности вторичных волн:

b sin j = ± (k + 1/2) l, k = 1, 2, 3... (2)

где b - ширина щели или толщина нити; l - длина волны света.

Под углом j = 0 наблюдается центральный максимум (все вторичные волны приходят в точку О на экране, имея одинаковую фазу).

Простейшая оптическая дифракционная решетка представляет собой совокупность параллельных прозрачных щелей. Расстояние d между серединами соседних щелей называются периодом дифракционной решетки. В случае нормального падения света на дифракционную решетку углы j, под которыми наблюдаются дифракционные максимумы, удовлетворяют условию

d sin j = kl, k = 1, 2, 3... (3)

где k - порядок максимума. Эти максимумы называются главными максимумами. Под углом j = 0 (k = 0) наблюдается центральный максимум. Все длины волн удовлетворяют условию максимума при k = 0, поэтому при наблюдении дифракции в белом свете центральный максимум будет белым, все остальные будут иметь радужную окраску. Главные максимумы соответствуют таким направлениям распространения вторичных волн, для которых вторичные волны от соседних щелей усиливают друг друга при наложении, т.е. накладываются с одинаковой фазой.

Для выполнения рабочего задания используется оптическая скамья 6 (рис.1.), на которой устанавливаются следующие элементы: 1 – полупроводниковый лазер, длина волны l = (0,65±0,01)мкм; 2 – короткофокусная собирающая линза для получения расходящегося светового пучка; 3 – кассета для установки бипризмы Френеля, дифракционной решетки, щели и нити; 4 - поляризатор; 5 – экран или фотоэлемент.

Эксперименты проводятся только в присутствии преподавателя или лаборанта. Будьте осторожны, не допускайте попадания прямого лазерного излучения в глаза, наблюдения проводите только в отраженном свете.

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ