Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы физической оптики. Учебно-методическое пособие для лабораторных работ
.pdf
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций
Российской Федерации
Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
В. А. Варданян
ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКИ
Учебно-методическое пособие
для лабораторных работ
Новосибирск
2022
УДК 535 (075.8)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент заведующий кафедрой физики СибГУТИ,
к.ф.-м.н., доцент. А.Г. Черевко
Варданян В. А. Основы физической оптики : учебно-методическое пособие
для лабораторных работ / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики ; кафедра фотоники в телекоммуникациях. – Новосибирск, 2022. – 58 с.
Учебно-методическое пособие предназначено для индивидуального
выполнения лабораторных работ студентами высших учебных заведений очной
формы обучения, заочной ускоренной формы обучения по сокращенным
программам и заочной формы обучения с применением дистанционных
технологий по направлению подготовки «Инфокоммуникационные технологии
и системы связи» квалификации «бакалавр». Пособие может использоваться
при организации самостоятельной работы студентов.
© Варданян В.А. 2022
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2022
2
Оглавление
Введение ................................................................................................................... 4
I. Законы отражения и преломления света ........................................................ 5
II. Явление интерференции. Дифракции Фраунгофера и Френеля на барьере
со щелью ................................................................................................................. 17
III. Явление дифракции света на двумерных структурах ................................. 28
IV. Явление дифракции света на периодической решетке ............................... 41
V. Явление внешнего фотоэффекта ................................................................... 49
3
Введение
Предлагаемое пособие предназначено для студентов высших учебных
заведений, начинающих изучение дисциплины «Физические основы оптики»,
«Основы физической и квантовой оптики».
Учебно-методическое пособие состоит из пяти лабораторных работ,
посвященных геометрической оптике, интерференции света, дифракции
Фраунгофера и Френеля на барьере со щелью, дифракции света на двумерных
структурах, дифракции света на периодических решетках и явлении внешнего
фотоэффекта. При этом представлены не только описания лабораторных работ,
но и методический материал для теоретической и практической подготовки
студентов по изучаемой области знаний. Каждая лабораторная работа
начинается с теории, описывающей определенный раздел оптических явлений,
что помогает студенту сделать необходимые предварительные расчеты для
подготовки к выполнению лабораторной работы.
В лабораторных работах используются виртуальные экспериментальные
установки, выполненные на персональных электронно-вычислительных
машинах (ПЭВМ) и имеющие все необходимые степени свободы для настройки
и выполнения работы по вариантам. Моделирование всех процессов
эксперимента на ПЭВМ позволяет без дополнительных затрат времени на
настройку оборудования для воспроизведения изучаемого явления наблюдать
оптические явления на экране монитора, снимать показания и делать требуемые
расчеты. При создании виртуальных лабораторных работ использовались
материалы интернет-ресурсов университета штата Колорадо в Боулдере и Open
Source Physics.
4
I. Законы отражения и преломления света
Вариант
1 2 3 4 5
6
λ,нм
380
439
484
522
580
700
Θ
1,
º
30
40
45
35
21
60
Диапазон
спектра/цвет
Частота колебания
света, ТГц
Θ
2
,
º
Скорость света в
среде 1, м/c
Скорость света
в среде 2, м/c
Вариант
1 2 3 4 5
6
n1
1
1,1
1,17
1,46
1,35
1
n2
1,6
1,5
1,47
1,47
1,4
1,4
1. Цель работы
Целью работы является закрепление знаний по геометрической оптике,
основным законам геометрической оптики и оптической дисперсии.
2. Литература
[1] Варданян, В. А. Физические основы оптики: Учебное пособие. – 2-е
изд., перераб. – СПб.: Издательство "ЛАНЬ", 2018. – 272 с.
3. Подготовка к работе
3.1 В ходе подготовки к работе необходимо изучить литературу (п. 2),
теоретическую часть (п. 4) и согласно вашему варианту (табл. 1.1. и
табл. 1.2.) рассчитать частоту световых колебаний в ТГц, определить
цветовой оттенок света, найти угол преломления Θ2 в градусах,
скорость света в среде 1 и в среде 2, заполнить табл. 1.3.
3.2 Определить угол полного внутреннего отражения, если свет падает из
среды с показателем преломления n2 на среду с показателем n1.
Табл. 1.1 – Показатели преломления двух сред
Табл. 1.2 – Длина волны светового колебания и угол падения
Табл. 1.3 – Результаты предварительного расчета
5
4. Теоретическая часть
Закон отражения. При отражении света на идеальном зеркале угол
падения равен углу отражения. Луч света падает на зеркало под углом и
отражается под углом (рис. 1.1). Согласно закону отражения света
Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух
сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости
(плоскости падения).
.
Рис. 1.1 – Отражение луча света от зеркала
Закон преломления света. Отношение синуса угла падения
преломления
равно отношению показателей преломления двух сред (рис.
к синусу угла
1.2):
где , – показатель преломления и скорость света в среде 1, ,
, (1.1)
–
показатель преломления и скорость света в среде 2.
Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела
двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
При переходе из одной среды в другую изменяется скорость распространения
луча. Это изменение связано с величиной показателя преломления среды:
(1.2)
где – скорость света в свободном пространстве, – скорость света в
среде.
6
Рис. 1.2 – Преломление светового луча при переходе из одной среды в
другую
Пусть показатель преломления первой среды меньше, чем показатель
преломления второй среды
т.е. первая среда оптически менее плотная.
Тогда, если направить луч света из оптически менее плотной среды в оптически
более плотную среду, как следует из (1.1)
падения
преломленные лучи расходятся от границы раздела двух сред (рис.
и по мере увеличения угла
1.3а).
Рис. 1.3 – Траектория падающих лучей при переходах
из менее плотной среды в более плотную – а;
из более плотной среды в менее плотную – б, в
7
Рассмотрим случай, когда показатель преломления первой среды больше,
чем показатель преломления второй среды
, т.е. первая среда оптически
более плотная. Тогда, если направить луч света из оптически более плотной
среды в оптически менее плотную среду, по мере увеличения угла падения
преломленный луч будет приближаться к границе раздела двух сред (рис. 1.3б),
затем пойдет по границе раздела, а при дальнейшем увеличении угла падения
преломленный луч исчезнет, т.е. падающий луч будет полностью отражаться от
границы раздела двух сред (рис. 1.3в). Это явление называют полным
внутренним отражением в оптически прозрачных средах.
Предельный угол
(critical) – это угол падения, которому соответствует
угол преломления 90 градусов, т.е.
В этом случае, если угол падения луча
. (1.3)
, то преломленный луч
отсутствует, и имеем отраженный луч как от идеального зеркала.
Закон преломления света позволяет рассчитать ход лучей в различных
оптических предметах, например, в треугольной призме, изготовленной из
стекла или другого прозрачного материала. На рис. 1.4 показана траектория
луча при прохождении сквозь призму. Для простоты показано только сечение
стеклянной призмы плоскостью, перпендикулярной ее боковым ребрам. Луч в
призме отклоняется к основанию, преломляясь на гранях. Угол
отклонения
луча зависит от показателя преломления материала призмы и угла падения .
Он может быть вычислен с помощью закона преломления (1.1).
Рис. 1.4 – Ход светового луча сквозь стеклянную призму
На рис. 1.5 показан случай, когда с помощью треугольной призмы можно
изменить направление светового луча.
8
Рис. 1.5 – Изменение направления светового луча
с помощью треугольной призмы
С помощью разных предметов, например призмы, можно разложить в
спектр пучок белого света при прохождении его через призму (рис. 1.6). Это
явление – следствие дисперсии света. Дисперсией света называется
зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волны)
света или зависимость скорости световых волн от их частоты.
Рис. 1.6 – Разложение на цвета пучка белого света при прохождении через
стеклянную призму
5. Описание интерфейса программы
В этом пункте приведены основные функции интерфейса программы.
Интерфейс состоит из трех вкладок «Начало», «Преломление света»,
«Предметы». На всех вкладках есть изображение лазера (рис. 1.7), а над ним
9
расположена легенда, на которой можно выбрать режим работы лазера: Луч,
Волна. На первом этапе работы с интерфейсом программы рекомендуется
выбрать режим Луч. Во вкладке «Предметы» к легенде добавлена спектральная
линия излучения лазера для выбора. Передвигая ползунок, устанавливается
нужная длина волны излучения лазера. При наведении мышки на лазер
появляются 2 стрелки (зеленые), позволяющие передвигать лазер в
пространстве в направлении, указанном стрелками. Чтобы включить лазер,
нужно нажать кнопку в центре лазера (красная).
Рис. 1.7 – Обозначение и включение лазера
Основной экран вкладки «Предметы» разделен на две части, которые
соответствуют двум оптически прозрачным средам. Посередине находится
граница раздела сред (рис. 1.8). Есть возможность выбора характеристик сред с
помощью легенды «Среда», или из выпадающего списка сред, или при
установке режима Пользовательский, с возможностью ручного выбора
показателей преломления среды.
Рис. 1.8 – Выбор сред и показателей преломления
Во вкладке «Предметы» внизу интерфейса программы с левой стороны
находятся необходимые инструменты для измерений (рис. 1.9). В данной
лабораторной работе используются следующие инструменты:
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]