Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы физической оптики. Учебно-методическое пособие для лабораторных работ
.pdf
транспортир для измерения углов падения, отражения и
преломления;
измеритель скорости света относительно скорости света в вакууме
«Speed»;
двухлучевой осциллограф;
измеритель интенсивности излучения.
Чтобы использовать инструменты, их необходимо вытащить из вкладки и с
помощью мышки перемещать в пространстве. Так же из вкладки
«инструменты» можно поставить перпендикуляр к границе двух сред. Для
этого необходимо установить галочку на кнопке «Показать перпендикуляр»
(см. рис. 1.9).
Рис. 1.9 – Выбор инструментария для измерений
Чтобы измерить скорость в среде, нужно вытащить прибор «Speed» из
вкладки инструменты, установить острый конец прибора «Speed» на нужный
луч. В окошке прибора будет отображаться скорость луча в среде, записанная в
виде число , где – скорость света в свободном пространстве.
Чтобы снять осциллограммы, нужно установить первый щуп осциллографа
на один луч, а второй щуп на другой луч. Более темная осциллограмма
соответствует лучу, к которому подключен темный щуп, более светлая
соответствует лучу, к которому подключен светлый щуп. При пользовании
осциллографом можно менять скорость демонстрации или останавливать
картинку (рис. 1.10).
11
Для того чтобы измерить интенсивность света, нужно вытащить
соответствующий прибор из вкладки инструменты, совместить центр
измерительного щупа с лучом в этой точке – в окошке прибора
«Интенсивность» появится результат в процентах от интенсивности излучения
лазера.
Рис. 1.10 – Снятие осциллограмм
Описание вкладки «Преломление света». В данном режиме кроме
вышеуказанных инструментов и приборов, появились дополнительные
функции:
Лазер можно переносить вверх, вниз, влево, вправо.
В правом верхнем углу присутствует легенда «Среда», с помощью
которой можно выбрать характеристики среды, в которой будет
происходить эксперимент.
Во вкладке выбора цвета можно задать длину волны (цвет)
излучения лазера. При выборе опции «Один цвет» выбирается волна
одной длины волны, при выборе опции «Свет» будет выбран белый цвет.
Есть возможность отобразить вместо одного луча несколько лучей.
Выбрав опцию «Показать отражение», на экране будут видны все
отражения, возникающие при переходе света из одной среды в другую.
Выбрав опцию «Показать перпендикуляр» «Показать транспортир»,
становится удобным измерение углов падения и преломления при
рассмотрении траектории лучей при прохождении через разные
предметы.
Внизу экрана находится легенда «Призмы» (рис. 1.11). Чтобы
использовать призмы, их необходимо вытащить из вкладки и с помощью
мышки можно перемещать в пространстве. С помощью ползунка можно
выбрать показатель преломления материала выбранной призмы.
12
Рис. 1.11 – Выбор призм разной конфигурации и показателей преломления
Вариан
т
Θ
1
Θ
2
Угол
отражения
Скорос
ть света в
среде1
Скорос
ть света в
среде2
I
пад
,%
I
прел
,%
I
отр
,%
материала
6. Методические указания к выполнению работы
6.1 Необходимо открыть вкладку «Больше инструментов».
1. Включить лазер в режиме луча. Установить длину волны, которая
задана в варианте (с помощью ползунка в области «Лазер»).
2. Выставить индексы преломления 2-х сред и угол падения света (с
помощью транспортира) согласно вашему варианту.
3. Определить угол преломления (Θ
), отражения (с помощью
2
транспортира). Измерить скорость распространения луча в средах (с помощью
инструмента «Speed»). Заполнить табл. 1.4. Все инструменты вернуть на
место.
4. Определить интенсивность падающего, преломленного и
отраженного луча (с помощью измерителя оптической мощности). Заполнить
табл. 1.4. Убрать прибор.
Табл. 1.4 – Результаты измерений
5. С помощью осциллографа измерить и нарисовать относительные
осциллограммы светового поля в 2-х точках для световых лучей падающий
– отраженный, падающий – преломленный, отраженный – преломленный
(установить скорость демонстрации медленнее). Убрать осциллограф.
6. Определить угол полного внутреннего отражения (ПВО). Для этого
поменяем местами оптические среды, которые указаны в варианте. Т.е.
свет падает с более плотной среды в менее плотную
. С помощью
транспортира определить минимальный угол, при котором возникает
полное внутреннее отражение (для этого перемещаем лазер, увеличивая
или уменьшая угол падения луча).
6.2 Необходимо открыть вкладку «Призмы». С помощью призм направить
луч лазера в обратную сторону. Показать полученный результат
преподавателю. Для этого нужно:
13
1. Включить лазер.
2. Выстроить призмы таким образом, чтобы луч, направленный из
лазера, поменял направление (можно использовать несколько призм).
Пример выполнения приведен на рис. 1.12 (для выполнения использовать
другие призмы).
Рис. 1.12 – Пример изменения направления луча
с помощью шарообразной призмы
6.3 Исследовать зависимость показателя преломления стекла от длины
волны света на примере разложения света в спектр на призме.
1. Включить лазер.
2. В легенде выбора цвета (см. рис. 1.13) выбрать опцию «белый» (в
этом случае фон окна меняется на черный).
3. Взять треугольную призму, выбрать объект «Стекло» и поставить
на пути распространения луча.
4. Добиться разложения белого света в спектр с помощью поворота
призмы. Показать полученную картину спектра преподавателю.
a) В легенде выбрать «Один цвет/один луч». Настроить
ультрафиолетовый цвет (настраивать ползунком).
b) В легенде выбор призм необходимо выбрать опцию
«Показать нормаль». На стороне выхода луча из призмы измерить
углы падения и преломления на разделе двух сред с помощью
транспортира (пример показан на рис. 1.14). Заполнить табл. 1.5.
для ультрафиолетового спектра излучения.
c) Сделать эти же измерения для инфракрасного излучения и
заполнить табл. 1.5.
d) Выбрать любой другой цвет между измеренными ранее
спектрами (желательно зеленый). Сделать такие же измерения, как
и для других лучей, заполнить табл. 1.5.
14
e) Используя полученные результаты (1.1), необходимо
Цвет
Θ
пад
Θ
преломл
n
Ультра-
фиолетовый
Зеленый
Инфракрасный
рассчитать показатель преломления призмы на этих длинах волн и
нарисовать зависимость от длины волны.
Рис. 1.13 – Легенда выбора источника излучения
Рис. 1.14 – Пример измерения углов падения и преломления луча
света на выходе из призмы
Табл. 1.5 – Результаты измерений
15
7. Содержание отчета
Отчет должен содержать:
Предварительный расчет и заполненную табл. 1.3.
Заполненную табл. 1.4.
Рисунки осциллограмм светового поля для световых лучей падающий –
отраженный, падающий – преломленный, отраженный – преломленный.
Рассчитанные значения угла полного внутреннего отражения при смене
мест двух оптических сред.
Заполненную табл. 1.5.
Зависимость показателя преломления призмы от длины волны излучения.
8. Контрольные вопросы
1. Укажите начальную и конечную длину волны оптического
диапазона, определите инфракрасную, ультрафиолетовую и видимую
области.
2. Дайте понятие показателя преломления среды и оптического пути
луча света в среде.
3. Поясните закон отражения и закон преломления света (формула
Снеллиуса).
4. В чем заключается явление полного внутреннего отражения света?
При каких условиях оно возможно?
5. Что такое дисперсия света. Почему белый свет разлагается в спектр
при прохождении через призму?
16
Дифракции Фраунгофера и Френеля на барьере со щелью
Вариант
1 2 3 4 5
6
, нм
380
470
530
580
630
740
Вариант
1 2 3 4 5
6
, нм
1680
2100
2520
2940
3360
3780
1. Цель работы
Целью работы является закрепление знаний по волновой оптике, в
частности исследование интерференционных явлений от двух источников
монохроматического света, дифракции света на одной щели,
наблюдаемой в ближней и дальней зоне.
2. Литература
[1] Варданян В. А. Физические основы оптики: Учебное пособие. – 2-е
изд., перераб. – СПб.: Издательство "ЛАНЬ", 2018. – 272 с.
[2] Савельев И.В. Курс общей физики. В 5-и т. T. 4: Волны. Оптика. –
СПб.: Издательство "ЛАНЬ", 2011. – 256 с.
3. Подготовка к работе
В ходе подготовки к работе необходимо изучить литературу (п. 2),
теоретическую часть (п. 4) и согласно вашему варианту произвести
предварительные расчёты и проверить результаты в лабораторной работе.
Все необходимые данные для расчета приведены в табл. 2.1 и табл. 2.2, в
которых приняты следующие обозначения:
II. Явление интерференции.
– длина волны двух монохроматических источников излучения,
расположенных в одной плоскости, параллельной плоскости
экрана;
– расстояние между источниками излучения;
– расстояние между источниками излучения и экраном (в расчетах
принять = 5250 нм).
Определить цвет, соответствующий длине волны . Рассчитать
положение первой темной полосы и положение первой светлой полосы на
экране. Заполнить табл. 2.3.
Табл. 2.1 – Длина волны излучения
Табл. 2.2 – Расстояние между источниками излучения
17
Длина
волны
, нм
Цвет
Положение первой
темной полосы, нм
Положение первой
светлой полосы, нм
Табл. 2.3 – Результаты предварительного расчета
4. Теоретическая часть
Явление интерференции. При интерференции двух волн с одинаковыми
частотами, но с разными интенсивностями и
получаем
монохроматическую волну с такой же частотой, но уже с интенсивностью [1]:
, (2.1)
где
– фазы двух волн. Уравнение (2.1) часто называют
интерференционным. На рис. 2.1 показана зависимость суммарной
интенсивности от разницы фаз (.
Рис. 2.1 – Интерференционная картина при интерференции двух волн с
одинаковыми частотами и разными интенсивностями
Как видно из интерференционного уравнения (2.1), суммарная
интенсивность двух волн не равняется сумме интенсивностей каждой волны,
там присутствует так называемая интерференционная составляющая cos(
. Эта составляющая может принимать как положительное значение
(увеличение интенсивности), так и отрицательное (уменьшение суммарной
интенсивности).
Если имеем полностью идентичные источники монохроматического света,
то =
, и уравнение (2.1) преобразуется:
. (2.2)
На рис. 2.2 показана зависимость суммарной интенсивности от разницы фаз
при интерференции одинаковых по интенсивности монохроматических волн.
Как видим, суммарная интенсивность имеет периодический характер, причем
значения максимумов в 4 раза, а среднее значение в 2 раза превышают значения
максимумов интерферирующих волн.
18
Рис. 2.2 – Интерференционная картина двух одинаковых волн
Исследуем уравнение (2.2) относительно разницы фаз двух волн.
Если = 2π q (q = 0, 1, 2, 3…), то
,
если = (q = 0, 1, 2, 3…), то ,
если
(q = 0, 1, 2, 3…), то
,
q – может принимать и целые отрицательные значения.
Таким образом, при определенных условиях, когда
= π, 3π, 5π, ...,
волны «уничтожают» друг друга и суммарная интенсивность равняется нулю.
На экране этим случаям соответствуют темные полосы интерференционной
картины. При
суммарная интенсивность максимальная и равняется
= 0, 2π, 4π, ..., волны «усиливают» друг друга и
, наблюдаем светлые
полосы интерференционной картины.
Если во время суперпозиции (сложения) волн одна волна запаздывает и
проходит дополнительно расстояние Δ относительно другой волны, то
учитывая, что
, (2.2) преобразуется:
. (2.3)
На рис. 2.3 показана зависимость суммарной интенсивности двух
монохроматических источников излучения от разности хода волн Δ.
Рис. 2.3 – Зависимость результирующей интенсивности излучения
от разности хода волн
19
Исследуем функцию в зависимости от разности хода Δ:
когда Δ = λq (q = 0, 1, 2…), то = 4
– условия максимумов
(светлые полосы);
когда Δ =
, то = 0 – условия
минимумов (темные полосы).
Приведем пример расчета определения местоположения светлых и темных
полос в интерференционной картине. На рис. 2.4 показаны месторасположения
двух источников монохроматического света, соответствующие точкам A и B.
Расстояние межу ними равно . Длина волны излучения источников света . На
расстоянии от источников излучения находится экран, где в точке P,
находящейся на расстоянии от центра интерференционной картины
,
требуется исследовать условия возникновения максимума или минимума.
Рис. 2.4 – Пример нахождения условий возникновения максимума и
минимума в интерференционной картине
Как видно из рисунка, разность хода двух волн, дошедших от двух
источников света до точки P, обозначена Δ. Из прямоугольного треугольника
ABC:
А из прямоугольного треугольника
,
:
,
где соответствует расстоянию от центра интерференционной картины до
точки наблюдения на экране.
Однако из-за малости угла , , следовательно:
,
откуда
.
Применяя условия максимума и минимума, можно найти положение
светлых и темных полос. Таким образом, максимумы светлых полос будут
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]