ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ-ОПТИКА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 32Б Определение геометрических размеров при помощи бипризмы Френеля.

Цель работы: Изучение явления интерференции света на бипризме Френеля.

Методика эксперимента.

Экспериментальная установка состоит из источника лазерного излучения видимого диапазона волн (рубинового лазера) R; линзы l с фокусным расстоянием F, рассеивающей узкопараллельный пучок лазерного излучения; бипризмы Френеля 2 и передвижного экрана 3 (рис.32Б.1)

Изготовленные из одного куска стекла две призмы с малым преломляющим углом имеют одну общую грань (рис.32Б.1). Параллельно этой грани на расстоянии F+a от нее располагается мнимый прямолинейный источник света S.

Можно показать, что в случае малопреломляющего угла призмы и малых углов падения лучей на грань призмы, все лучи отклоняются на практически одинаковый угол, равный

41

(n – показатель преломления призмы). Угол падения лучей на бипризму невелик. Поэтому все лучи отклоняются каждой из половин бипризмы на одинаковый угол. В результате образуются две когерентные цилиндрические волны, исходящие из мнимых

источников S1 и S 2 , лежащих в одной плоскости с S. Расстояние

Область перекрытия волн PQ (область наблюдаемой интерференции) имеет протяженность:

Из (8) получаем расчетную формулу для фокусного расстояния рассеивающей линзы:

42

Порядок выполнения работы

1.Включите лазерный источник и наблюдайте на экране интерференционную картину из чередующихся светлых и темных полос. Отрегулируйте экспериментальную установку таким образом, чтобы интерференционная картина выглядела симметричной (окаймленной двумя большими максимумами).

2.Измерьте и занесите в тетрадь расстояние а между рассеивающей линзой и бипризмой (см. рис.32Б.1):

3.Измерьте расстояние b между бипризмой и экраном (см. рис.32Б.1):

4.Измерьте на экране величину области наблюдаемой интерференционной картины H.

5.Измерьте на экране ширину интерференционных полос (расстояние между двумя соседними минимумами). Можно измерять расстояние не между соседними минимумами, а через один или два минимума, а потом результат измерения разделить на

2или 3 соответственно. Проведите не менее N=3 измерений. Результаты измерений занесите в таблицу 1 рабочей тетради. Вычислите среднее значение ширины интерференционных полос

N

(x)i

x i 1

N

итакже занесите его в таблицу 1.

6.Передвигая экран, повторите пункты 3, 4 и 5 для четырех различных расстояний между бипризмой и экраном. Занесите результаты измерений в таблицу 1 рабочей тетради.

7.По формуле (7) рассчитайте расстояние между мнимыми источниками для трех различных расстояний между бипризмой и экраном.

Рассчитайте среднее арифметическое значение d по результатам трех измерений:

43

результатам трех измерений:

3

k

k 1 3

Занесите результаты в таблицу 2 рабочей тетради.

44

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 34 Определение длины световой волны и характеристик

дифракционной решетки

Цель работы: применение дифракции света для определения длины волны; оценка характеристик дифракционной решетки

Методика эксперимента

Экспериментальная установка (гониометр) состоит из источника света S, который помещают в фокусе линзы объектива 1, дифракционной решетки 2, окулярной линзы 3 и экрана 4, расположенного в фокальной плоскости окуляра (рис.34.1).

φ

S

φ

Рис.34.1

Углы поворота тубуса гониометра с линзой 3, равные углам дифракции, измеряют по шкале.

Расчет дифракционной картины от одной щели приводит к условию минимумов и максимумов соответственно:

где b- ширина щели, λ- длина волны света, κ- порядок минимума и максимума интерференции.

45

Распределение интенсивности света при дифракции Фраунгофера от щели показано на рис.34.2

Рис.34.2

Дифракционная картина от дифракционной решетки при дифракции Фраунгофера аналогична рис. 2, но более сложная

(рис.34.3).

Рис. 34.3

Условие минимумов дифракционной решетки определяется дифракцией света от одиночной щели, а главных максимумов и дополнительных минимумов – интерференцией света от различных щелей.

Условие главных максимумов для дифракционной решетки задаётся уравнением:

где d- период решетки, κ- порядок главных максимумов дифракции, - угол дифракции,

а условия минимумов – уравнением:

46

Порядок выполнения работы

Задание 1. Определение длины световой волны

1. Включите осветитель и наблюдайте через окуляр гониометра дифракционный спектр.

2. Установите ноль шкалы на центральный максимум.

3. Поворачивая тубус гониометра, измерьте углы (в делениях шкалы), под которыми наблюдаются спектральные линии трехчетырех основных цветов (по заданию преподавателя) для порядка k=1 слева от центрального максимума.

4. Продолжая поворачивать тубус гониометра, проведите такие же измерения для порядка k=2 слева от центрального максимума. 5. Проведите аналогичные измерения для порядка k=1 и k=2 справа от центрального максимума.

6. Результаты измерений занесите в таблицу 1 рабочей тетради. 7. Рассчитайте длину волны для каждого цвета для k=1 и k=2 по формуле

d sin

k

(5)

(d – задано на установке). Определите среднюю длину волны для каждого цвета.

8. Результаты расчетов занесите в таблицу 2 рабочей тетради.

Задание 2.

Определение угловой дисперсии и оценка разрешающей способности решетки

1.Измерьте углы дифракции двух близко расположенных участков спектра одного цвета и одного порядка (в радианах).

2.Определите 1 и 2 , соответствующие углам дифракции

1 и 2 по формуле (5) и найдите 2 1 и 1 2

3.Данные измерений занесите в таблицу 3 рабочей тетради.

4.Определите дисперсию по формуле: D1 .

47

наименьшую разность длин волн Δλ, которую может разрешить решетка в первом и во втором порядке.

8.Результаты расчетов занесите в таблицу 4 рабочей тетради.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 35 Определение концентрации растворов сахара и постоянной

вращения.

Методика эксперимента

Метод определения концентрации растворов основан на свойстве ряда веществ, называемых оптически активными, поворачивать на некоторый угол плоскости колебаний векторов

напряженности электрического поля E и магнитного поля H . Это явление называется вращением плоскости поляризации. К числу веществ, способных поворачивать плоскость поляризации, относится сахар, оптическая активность которого обусловлена ассиметричным строением его молекул. В растворах оптически активных веществ угол поворота плоскости поляризации

пропорционален концентрации раствора C и длине пути света l в этом растворе.

где - постоянная вращения, величина которой зависит от строения молекул оптически активного вещества.

Зависимость (1) позволяет определить концентрацию раствора, если измерены угол φ и l. Для этого необходимо иметь

48

поляризованный свет. Для его получения используется призма Николя. Она состоит из двух кристаллов исландского шпата, склеенных канадским бальзамом.

Рис.35.1 о

Луч естественного света разделяется в кристалле на два луча, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Один из них обыкновенный “o”, другой необыкновенный “e”. Необыкновенный луч не подчиняется законам преломления, его скорость и показатель преломления различны в разных направлениях:

преломления n 0 не зависит от направления.

Клей подобран таким образом, что его показатель преломления имеет промежуточное значение между показателями

При падении на границу с клеем под углом, большим предельного, обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение от оптически менее плотной среды (клея), а необыкновенный луч проходит через призму.

Таким образом, призма Николя является поляризатором: из неё выходит плоско поляризованный свет.

Прибор для определения концентрации растворов сахара называется сахариметром. Он позволяет измерить углы поворота плоскости поляризации . По графику зависимости от Сl,

49