Изучение явления интерференции света

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА

ПРИ ПОМОЩИ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ

 

Методические указания к лабораторной работе № 19

по физике

 

(Раздел «Оптика»)

 

 

Ростов-на-Дону 2011

 

 

УДК 530.1

 

 

Составители: д.т.н., проф. С.И. Егорова,

к.т.н., доц. И.Н. Егоров,

к.ф.-м.н., доц. Г.Ф. Лемешко.

 

«Изучение явления интерференции света при помощи бипризмы Френеля»: Метод. указания. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2011. - 8 с.

 

 

Указания содержат краткое описание рабочей установки и методику получения интерференции с помощью бипризмы Френеля. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Оптика»).

 

 

Печатается по решению методической комиссии факультета «Нанотехнологии и композиционные материалы»

 

 

Научный редактор проф., д.т.н. В.С. Кунаков

 

© Издательский центр ДГТУ, 2011

 

Цель работы: Ознакомиться с методикой определения основных характеристик интерференционного поля, полученного с помощью бипризмы Френеля.

 

Оборудование: Бипризма Френеля, источник света, конденсор, микроскоп, набор светофильтров, собирающая линза.

 

Краткая теория

 

Интерференция – это наложение когерентных волн, при котором происходит пространственное перераспределение светового потока, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности.

Когерентными называются волны одинаковой частоты и постоянной разности фаз. Для получения когерентных волн необходимо разделить световой луч, исходящий из одного источника. Это возможно осуществить с помощью экранов и щелей, зеркал и преломляющих тел.

В работе для получения интерференции света используется бипризма ФренеляВ (рис.1), которая представляет собой две соединённые основаниями призмы с одинаковыми и очень малыми (порядка ) преломляющими углами .

Выходящий из щели пучок света после преломления в бипризме разделяется на две цилиндрические волны, соответствующие мнимым когерентным источникам и . Разделённые пучки частично перекрываются, образуя зону интерференции (рис.1). На экране наблюдается интерференционная картина, представляющая собой чередующиеся тёмные и светлые полосы.

 

Расстояние между серединами светлых (или между серединами тёмных) полос называется шириной интерференционной полосы (рис.1).

Расстояние между когерентными источниками (рис.2) определяется следующим образом.

Между бипризмой и экраном устанавливается линза с фокусным расстоянием таким образом, чтобы лучи после прохождения через линзу шли параллельным пучком до экрана (рис.2). Пучки света, соответствующие источникам и , проходя через линзу, создают на экране их изображения и , расстояние между которыми определяется с помощью микроскопа, умножением цены деления микроскопа на число делений , укладывающихся между изображениями источников, т.е. . Из подобия треугольников и (рис.2) получаем: . Отсюда выражаем :

 

, (1)

 

где - фокусное расстояние линзы, - расстояние от источников до линзы.

Ширину интерференционной полосы (см. рис.1) можно получить путём измерения микроскопом расстояния , на котором укладывается хорошо видимых светлых или тёмных интерференционных полос. При этом учитываем, что между полос укладывается () промежутков . Например, на рис.3 , следовательно между первой и шестой полосами находится пять промежутков .

 

 

Рис.3

В результате получаем:

 

, (2)

 

где - цена деления микроскопа, -число делений микроскопа, укладывающихся на расстоянии .

Из теории по интерференции света получена формула для ширины интерференционной полосы:

, (3)

где - длина световой волны, - расстояние между когерентными источниками, - расстояние от когерентных источников до экрана, т.е. до изображения источников в микроскопе (рис.4).

Приравнивая формулы (2) и (3), получаем формулу для определения длины волны:

 

. (4)

 

Принципиальная схема установки представлена на рис.4.

 

Экспериментальная часть

 

ЗАДАНИЕ 1. Определение расстояния между когерентными источниками света.

1. Установить по заданию преподавателя длину тубуса микроскопа и по таблице, находящейся на столе, определить цену деления микроскопа .
2. Измерить расстояние (рис.4) от источников света до линзы. При этом в поле зрения окуляра будут отчётливо видны изображения когерентных источников.
3. Фокусное расстояние линзы дано на рабочем столе.
4. Поставить перед микроскопом светофильтр.
5. Посчитать число делений шкалы микроскопа , укладывающихся между изображениями когерентных источников.
6. Рассчитать по формуле (1) расстояние между когерентными источниками .
7. Все данные занести в таблицу 1.
8. Повторить пункты 4-6 для разных светофильтров (не менее трёх).
9. Вычислить среднее значение .
10. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности по формулам:

; .

Таблица 1

 

№					Цвет свето-фильтра
								%

 

 

ЗАДАНИЕ 2. Определение длины световой волны

 

1. Не изменяя длины тубуса микроскопа , снять с оптической скамьи линзу, а перед объективом микроскопа установить светофильтр.
2. Измерить расстояние от когерентных источников до экрана (см.рис.4).
3. Перемещая микроскоп поперёк поля интерференции (вдоль координаты ) получить в поле зрения окуляра отчётливую интерференционную картину.
4. Выбрать тёмных (или светлых) хорошо видимых полос и посчитать число делений микроскопа , на которых они укладываются (см.рис.3).
5. Вычислить длину волны по формуле (4), где расстояние между когерентными источниками берётся как среднее значение из таблицы 1.
6. Для данного светофильтра повторить пункты 4-5, выбирая другое число хорошо видимых полос .
7. Вычислить среднее значение длины волны для данного светофильтра.
8. Посчитать абсолютную и относительную погрешности по формулам:

 

; .

1. Повторить пункты 2-8 для другого светофильтра, занося данные в таблицу 3, аналогичную таблице 2.

Таблица 2

 

№		Цвет свето- фильтра
						%

 

 

Таблица 3

 

№		Цвет свето- фильтра
						%

 

Контрольные вопросы

 

1. Почему интерференция считается одним из основных доказательств волновой природы света?

2. Что называется интерференцией света?

3. Какие лучи называются когерентными?

4. Условия максимума и минимума при интерференции.

5. Методы получения когерентных волн.

6. Что называется шириной интерференционной полосы?

7. Что такое оптическая разность хода?

8. Способ получения интерференции с помощью бипризмы.

9. Вывести формулу для определения ширины интерференционной полосы.

10. Вывести формулу для определения длины световой волны.

11. Почему интерференционная картина в белом свете имеет радужную окраску?

 

Техника безопасности

1. К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.

2. Не следует касаться пальцами поверхностей оптических деталей.

3. Не следует перемещать по оптической скамье бипризму.

 

Рекомендуемая литература

1. Савельев И.В. Курс общей физики,-т.1.-М.: Наука, 2006.

2. Трофимова Т.И. Курс физики, - М.: Высш. шк., 2004.

3. Справочное руководство по физике. Ч.2. Колебания, волны, оптика, атомная и ядерная физика: Учеб.-метод. пособие.- Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2009.

4. Федосеев В.Б. Физика. Ростов н/Д: Феникс, 2009.

 

 

Составители: д.т.н., проф. С.И. Егорова,

к.т.н., доц. И.Н. Егоров,

к.ф.-м.н., доц. Г.Ф. Лемешко.

 

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА