Порядок выполнения лабораторной работы 16 Описание установки

В данной лабораторной работе показатель преломления и, соответственно, скорость света в веществе измеряются по сдвигу фазы световой волны, прошедшей различные оптические пути. Экспериментальная схема установки представлена на рис. 16.7.

Рис. 16.7 Экспериментальная установка для измерения скорости света

Под номером 6 указан блок для излучения, модуляции и приема излучения с длиной волны  = 0.65 мкм и относящиеся к нему линзы. Осциллограф 1 позволяет измерять изменение фазы света, прошедшего различные оптические пути (с прозрачными средами и без них), 2 – блок синтетической смолы , 4 – размеченная станина для измерения геометрической длины пути луча, 5 – горизонтальный сосуд с водой, 6 – система отражающих зеркал.

Модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания. Частотная модуляция (ЧМ) – вид аналоговой модуляции, при котором информационных сигнал управляет частотой несущего колебания, при этом амплитуда остается постоянной.

Измерение скорости света в воздухе поясняет рис. 16.8. Сначала при каком-то положении отражающих зеркал синхронизуют фазы сигнала на входе и выходе оптической схемы, а затем отодвигают зеркала на расстояние ∆x до тех пор, пока не появится сдвиг фаз на π из-за увеличения оптической длины пути на ∆l = 2∆x .

Рис. 16.8 Отодвигание зеркал при измерении скорости света в воздухе

Чтобы пройти это расстояние свету потребуется время

где f=50,1 МГц – частота модуляции светового сигнала.

Таким образом, скорость света в воздухе можно считать по формуле

. (16.2)

Скорость света в воде и синтетической смоле определяется по сравнению со скоростью света в воздухе, что поясняет рис. 16.9.

Рис. 16.9 Измерение скорости света в прозрачных средах

Первое измерение x₁ местоположения отражающих зеркал проводится со средой, при этом синхронизуются фазы модулированного светового сигнала на входе и выходе оптической схемы. В первом измерении свету для похождения всего оптического пути понадобится время t₁

,

где l₁=2x₁ – оптическая длина пути без среды, l_m – геометрическая длина прозрачной среды, с – скорость света в воздухе, v – скорость света в среде.

После извлечения прозрачной среды будет некоторое опережение фазы на выходе схемы, так как оптическая длина пути уменьшилась. При отодвигании зеркал на некоторое расстояние ∆х₁ (второе измерение) можно компенсировать эту разность фаз за счет увеличения длины пути и снова добиться синфазности сигналов. При втором измерении (без среды) свет проходит расстояние l₂

l₂=l₁+2∆x_1.

При этом, ему понадобится время t₂:

Так как фазы передатчика и приемника синхронизированы, то

,

где k=0,1,2,3…, где k – номер положения, при котором t₁=t₂ и j₁=j₂=0, т.е. одинакова частота и фаза.

Значение скорости света в среде равна:

. (16.3)

Показатель преломления среды можно рассчитать по формуле:

. (16.4)