Методичні вказівки знайомлять студентів з явищем інтерференції світла, методами отримання когерентних хвиль. Описана експериментальна установка для визначення малого заломлюючого кута біпрізми Френеля.
Призначені для студентів, що виконують лабораторний практикум по розділу «Хвильова оптика» курсу загальної фізики.
Табл. 1. Іл. 4. Бібліогр. 3 назв.
Рецензенти: А. С. Краузе
Технічний університет 1
Методичні вказівки 1
Міністерство освіти Російської Федерації 2
Методичні вказівки 2
1 Мета роботи 4
2 Теоретична частина 4
3 Експериментальна частина 9
3.1 Прилади й устаткування 9
3.2 Опис установки 9
3.3 Вимоги до техніки безпеки 11
3.4 Порядок виконання роботи 11
4 Контрольні питання 12
Список літератури 13
Лабораторна робота № 61
ВИВЧЕННЯ ІНТЕРФЕРЕНЦІЇ СВІТЛА
Вивчення явища інтерференції світла.
Визначення заломлюючого кута біпрізми Френеля.
2 Теоретична частина
Хвильові властивості світла найбільш виразно проявляються в явищі інтерференції і дифракції. Під інтерференцією світла розуміють явище, коли при накладенні пучків світла результуюча інтенсивність не дорівнює сумі інтенсивностей окремих пучків, тобто виникають чергуються світлі і темні смуги внаслідок перерозподілу енергії хвилі в просторі.
Спостерігати інтерференцію світлових хвиль можна лише за певних умов.
Світлова електромагнітна хвиля поперечна, коливання векторів напруженості електричного і магнітногополей відбуваються у взаємно перпендикулярних площинах в однакових фазах. Графічно вона представлена на малюнку 2.1.
Як показує досвід, фізіологічне, фотоелектричне, фотохімічні і інші дії світла викликаються коливаннями електричного вектора, тому характеризувати світловий вектор можна вектором напруженості електричного поля (вектор напруженості магнітного поля можна не розглядати).
Нехай в деяку точку приходять хвилі, напруженості електричного поля яких дорівнюють 1 і 2. За принципом суперпозиції, напруженість результуючого поля дорівнює їх векторній сумі
де = cos ( t + ), = cos ( t + ). (2.1)
A - амплітуда світлової хвилі;
- циклічна частота коливань;
- початкова фаза коливань.
При складанні двох гармонійних коливань однакової частоти виходить коливання тієї ж частоти, амплітуда якого залежить від співвідношення фаз коливань і тому в різних точках спостереження має різні значення.
Через дуже великої частоти оптичних коливань (
10 15 Гц) миттєве значення напруженості неможливо виміряти безпосередньо. Всі приймачі випромінювання (наприклад очей) вимірюють енергетичні величини (інтенсивність світла або освітленість поверхні), усереднені за проміжок часу, дуже великий у порівнянні з періодом оптичних коливань. Тому експериментально спостережувані величини пропорційні середньому значенню квадрата напруженості електричного поля <2> за час, що визначається інерційністю приймача випромінювання
<2> = <(1 + 2 ) 2> = <1 2> + <2 2> + 2<1 *2> .
доданок 2<1 *2>, зване інерційним членом, дорівнює нулю, якщо складаються хвилі лінійно поляризовані у взаємно перпендикулярних напрямках.
Якщо обидва вектори 1 та 2 в точці спостереження здійснюють коливання уздовж однієї прямої, то можна відволіктися від векторного характеру цих величин і записати інтерференційний член у вигляді 2<1 *2>, який не дорівнює нулю. нерівність 2<1 *2> 0 є необхідною умовою виникнення інтерференції. Однак порушення аддитивности енергетичних характеристик пов'язано не з порушенням закону збереження енергії, а з перерозподілом потоку енергії в просторі. Вводячи інтенсивність світла як величину пропорційну квадрату амплітуди напряженностіJ
A 2. можна інтенсивність результуючого коливання записати у вигляді
Інтерференцію хвиль від незалежних джерел світла (наприклад від електричних лампочок) спостерігати неможливо. Випромінювачами світлових хвиль є збуджені атоми, число яких в будь-якому джерелі велике. Переходячи в збудженому стані атом випускає цуг хвиль в плині часу близько 10 -8 с. В такому Цузі міститься 10 6 - 10 8 хвиль. В результаті різних зіткнень з іншими атомами або ударами електронів, атом може знову перейти в збуджений стан, а потім почати випромінювати новий цуг хвиль з іншого початковою фазою і новим напрямком коливань вектора. В результаті складання таких коливань з швидко і безладно змінюється різницею фаз від однієї пари цугов до наступної виникає результуюче коливання з безладно змінюється з часом амплітудою. В результаті очей або інший приймач світла фіксує тільки рівномірну освітленість, тобто деяку середню інтенсивність світла. Щоб отримати стійку в часі интерференционную картину, в якій чітко видно максимуми і мінімуми інтенсивності, необхідні когерентні джерела коливань.
Когерентні джерела - це такі джерела, у яких частоти випромінювання (або довжини хвиль) однакові, різниця фаз коливань протягом часу спостереження зберігається незмінною і які мають однакові напрямки коливань вектора (а значить і).
Вище було зазначено, що незалежні джерела або навіть два різних ділянки одного і того ж світиться тіла не дають когерентні хвилі. Отримати дві когерентні хвилі можна використавши випромінювання одного і того ж атома. Для цього випромінювання, що випускається атомом, розчленовують на два потоки і змушують їх зустрітися після того, як ними пройдені різні оптичні шляхи L1 і L2. При цьому для отримання інтерференційної картини оптична різниця ходу (L2 - L1) повинна бути настільки малою, щоб обидві групи зустрічаються хвиль належали одному акту випускання атома. Практично це здійснюється одним з двох різних способів:
за допомогою відображення і заломлення хвиль, що випускаються точковим джерелом (тісно розташованої групою атомів) - бізеркаламі Френеля, бипризмой Френеля, билинзи Біє і ін.
другий спосіб полягає в освіті накладаються когерентних хвиль завдяки явищу дифракції різних ділянок однієї і тієї ж хвилі -біщелі Юнга.
В даний час створені джерела монохроматичного випромінювання лазери. За допомогою лазерів можна отримати когерентні хвилі зовсім іншим способом. Лазери - це незалежні джерела, в яких використовується індуковане (вимушене випромінювання).
Знайдемо умови, при яких когерентні хвилі підсилюють або послаблюють одна одну (досвід Юнга).
