3.2.2. Порядок выполнения работы

Работу выполняют в следующей последовательности:

1. Включить источник питания в сеть и регулятором яркости установить необходимую для работы яркость поля зрения.

2. Проверить наличие в установке светофильтра с известной длиной волны (поле зрения должно быть одного Цвета).

3. Вращением барабана выбрать такое увеличение, чтобы кольца занимали все поле зрения.

4. Наблюдая в окуляр микроскопа кольца Ньютона, добиться резкой види­мости колец.

5. Установить Центральное светлое пятно на середину поля зрения и шка­лы, соответственно, перемещая обойму с линзой и пластинкой по предметному столику.

6. По шкале окуляра зафиксировать положение 10 светлых и 10 темных колец справа и слева от центра, занося показания в таблицу.

Примечание. Во время измерений положение обоймы с пластинкой и линзой на столике не изменять!

7. Пользуясь переводной таблицей, определить цену деления шкалы оку­ляра в соответствии с выбранным увеличением.

8. Рассчитать радиусы колец Ньютона, а затем квадраты радиусов.

9. Построить графики зависимости квадратов радиусов светлых и темных колец от их номеров.

10. Для выбранных и по графикам определить и по формулам (8) и (9) - радиус кривизны линзы.

11. Заменить светофильтр с известной длиной волны светофильтром неиз­вестной длины волны и повторить п. 6 - 9.

Используя результаты графической обработки экспериментальных дан­ных, по формулам (8) и (9) рассчитать длину волны исследуемого светофильтра. Значение радиуса кривизны линзы взять из результатов, полученных в п. 10

Контрольные вопросы

1. Как объяснить возникновение интерференционных колец?

2. В каком случае и почему в центре колец Ньютона в отраженном свете наблюдается темное пятно?

3. Как изменяется интерференционная картина при наблюдении в проходя­щем свете?

4. Почему воздушная прослойка между линзой и пластинкой должна быть тонкой?

5. Где плотнее расположены кольца Ньютона - в центре или на периферии? Почему?

6. Отчего при применении белого света число интерференционных колец меньше и они цветные и расплывчатые?

7. Как и почему изменится интерференционная картина, если слой между линзой и пластинкой будет заполнен жидкостью?

8. Как понимать то, что кольца Ньютона локализованы вблизи поверхности раздела сред линза-воздух?

3.3. Лабораторная работа

Определение длины волны лазерного излучения с помощью

интерференции от двух щелей

Цель работы: исследуя интерференционную картину, определить длину волны светового излучения лазера.

Приборы и принадлежности: газовый лазер, линза, двойная щель, экран, линейка.

3.3.1. Описание экспериментальной установки и метода

Существует несколько способов получения интерференционной картины от некогерентных источников света, но в основе всех их лежит одна и та же идея - разделение светового пучка на два, проходящие разные оптические пути и све­дение этих лучей в одном месте экрана. Так как оба луча получены из одного, то они будут когерентными.

Пусть , и (рис. 1) - два когерентных источника, расстояние между кото­рыми мало по сравнению с расстоянием до экрана. На экране будут наблю­даться интерференционные полосы, в центре экрана будет находится централь­ная светлая полоса, т.к. разность фаз будет равна нулю. В точке с координатой оптическая разность хода будет равна

Рис. 1

Из условия образования максимума

(2)

Получим расстояние от центральной полосы до светлой с номером :

(3)

где - расстояние между соседними максимумами

(4)

т.е. не зависит от номера максимума.

Поэтому

(5)

Откуда

( ) (6)

Легко убедиться в том, что и для интерференционных максимумов получа­ется та же самая формула.

В данной работе для получения и исследования интерференционной кар­тины применяется установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 2 и 3. На оптической скамье, снабженной миллиметровой шкалой, на ползунках штативах укреплены: ЛГ - лазер газовый; Л₁ и Л₂ - линзы; S₁ S₂ - двойная щель; Э - экран.

В опыте Юнга в качестве источника света используется электрическая лам­па накаливания, что создает ряд неудобств. Из-за малой пространственной коге­рентности данного излучения на пути пучка света приходится ставить коллима­тор (узкую щель). Это приводит к резкому уменьшению интенсивности света, приходящегося на двойную щель, и невозможности наблюдения интерференци­онной картины невооруженным глазом. Из-за малой длины когерентности этого излучения ожесточаются требования к двойной щели (отверстия должны быть плоско-паралелльными и очень узкими), что усложняет учебную установку и юстировку.

Использование лазера в качестве источника монохроматического излуче­ния устраняет эти неудобства.

Рис. 2

Рис. 3

Газовый лазер дает очень узкий пучок света, поэтому с помощью линзы Л₁ его сначала немного расфокусируют, а затем направляют на двойную щель. Эти щели можно рассматривать как источники когерентных колебаний, распростра­няющихся в заданном направлении. В результате в заштрихованной на рис. 2 об­ласти возникает четкая интерференционная картина, которую можно наблюдать на экране Э.

Если - расстояние между центрами щелей; - расстояние от щелей до экрана: Z - расстояние между k-й и m-й темными полосами, то длина волны ла­зерного излучения находится по формуле (6).

Для определения расстояния между центрами щелей d линзу Л₂ (рис. 3) необходимо поставить в положение 1 так, чтобы на экране наблюдалось четкое изображение двух источников света. Если d' - расстояние между центрами этих источников, b - расстояние до линзы Л₂ в положении 1 до экрана, а - расстояние от Л₂ в положении 1 до двойной щели, то из подобия треугольников следует:

(7)

Откуда:

(8)

Окончательно получаем:

(9)