Херсонський національний технічний університет Кафедра загальної та прикладної фзики Дисципліна: фізика. Розділ ”Оптика” Степанчиков Д.М. 17.03.2004.

Лабораторна робота № 4–10

ВИЗНАЧЕННЯ ДОВЖИНИ ХВИЛІ ЛАЗЕРНОГО

ВИПРОМІНЮВАННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ЩІЛИНИ ЮНГА

Мета роботи: спостереження дифракційної картини від подвійної щілини, визначення довжини хвилі лазерного випромінювання.

Обладнання: блок лазерного випромінювання, збираюча лінза, щілина Юнга, екран, оптична лава, штангенциркуль.

Теоретичні відомості

Висока ступінь когерентності і висока спрямованість лазерного випромінювання відкривають широкі можливості для вивчення дифракційних явищ. Під дифракцією світла в загальному випадку розуміють явище відхилення напряму поширення світлової хвилі від прямолінійного при перекритті або обмеженні частини його пучка. Найчастіше явище дифракції спостерігають тоді, коли на шляху поширення світлової хвилі міститься непрозора перешкода. В результаті відхилення поширення світлової хвилі від прямолінійного напряму світло проникає в область геометричної тіні від перешкоди, а в розподілі його інтенсивності за перешкодою спостерігаються світлі та темні смуги.

Вивчення явища дифракції показало, що перерозподіл інтенсивності світла за перешкодою не залежить від її матеріалу, а залежить тільки від розмірів перешкоди та від довжини хвилі дифрагуючого світла. Все це, разом з явищем інтерференції, стало ще одним підтвердженням наявності хвильових властивостей світла. Результат дифракції світла на малих перешкодах можна пояснити за допомогою принципа Гюйгенса-Френеля. Згідно з ним кожна точка хвильового фронту є джерелом вторинних хвиль. Ці джерела когерентні між собою, а випромінювані ними хвилі інтерферують.

Щілина Юнга – це дві вузькі щілини, які розділені вузьким непрозорим проміжком. Якщо лазерний промінь спрямувати на щілину Юнга, то на екрані, який розташовано за щілиною, буде спостерігатися дифракційна картина у вигляді паралельних світлих та темних смуг, що мають однакову ширину. Різницю ходу променів, які йдуть від щілин можна обчислити за формулою (рис.1):

(1)

де

– відстань між центрами двох щілин, – кут дифракції.

Отже, різниця ходу залежить від кута . Зі зміною кута різниця ходу змінюється і відповідно до зміни різниці ходу змінюється і результат накладання вторинних хвиль, які йдуть від щілин. В напрямах, де різниця ходу двох променів містить ціле число довжин хвиль, спостерігатимуться максимуми освітленості (дифракційні максимуми), тому що в цьому випадку всі вторинні хвилі, накладаючись, підсилюють одна одну. Таким чином, умова спостереження дифракційного максимуму запишеться:

(2)

де – ціле число, – довжина хвилі випромінювання.

У тих напрямах, в яких різниця ходу між променями містить непарне число півхвиль, спостерігатимуться мінімуми, тобто умова спостереження дифракційного мінімуму запишеться:

(3)

Вторинні хвилі, які поширюються в цих напрямах, гаситимуть одна одну.

Оскільки положення максимумів і мінімумів залежить від довжини хвилі, то щілина Юнга розкладає біле світло в спектр. За допомогою щілини Юнга можна дуже точно дослідити спектральний склад світла, тобто визначити частоти (або довжини хвиль).

Відстань між сусідніми інтерференційними максимумами (або мінімумами) називається шириною смуги і при умові, що , обчислюється за формулою:

(4)

де – відстань від щілини Юнга до екрана.

Значення і легко виміряти експериментально, значення відоме і становить 00,2 ммм. Тому за допомогою щілини Юнга можна визначити довжину хвилі лазерного випромінювання:

(5)

В поданій роботі в якості джерела світла використовується оптичний квантовий генератор (лазер). Оптичним квантовим генератором називається пристрій, в якому відбувається генерація монохроматичних електромагнітних хвиль оптичного діапазону завдяки вимушеного випромінювання

Головні властивості лазерного випромінювання:

1. монохроматичність

2. когерентність

3. висока спрямованість

4. поляризованість

5. велика спектральна густина

Опис експериментальної установки

Установка складається з блока лазерного випромінювання (1), збираючої лінзи №9-1 (2), щілини Юнга (3), непрозорого екрану (4). Ці прилади знаходяться на оптичній лаві (5), вздовж якої їх можна пересувати. Для регулювання лазерного променя по вертикалі використовується гвинт (6).

Увага!

Пряме попадання лазерного променя в око шкідливе для зору. Лазерний промінь можна спостерігати лише після відбивання від розсіючих поверхонь.

Порядок виконання роботи

Вмикання (вимикання) лазера здійснюється тільки викладачем!

1. Скласти установку за рис. 2.

2. Ввімкнути лазер і отримати на екрані чітку дифракційну картину.

3. Виміряти відстань від щілини Юнга до екрана.

4. За допомогою штангенциркуля виміряти ширину смуги . Для підвищення точності слід вимірювати ширину декількох інтерференційних смуг, а потім скористатися формулою:

(6)

де – загальна ширина інтерференційних смуг,

– кількість інтерференційних смуг.

5. Повторити п.п. 3-4 для інших відстаней.

6. Для кожного випадку за формулою (5) визначити довжину хвилі.

7. Обчислити середнє значення довжини хвилі .

8. Обчислити абсолютну і відносну похибки визначення довжини хвилі за формулами:

	(7)
	(8)

де – кількість проведених дослідів.

9. Результати занести у таблицю 1.

Таблиця 1

№ досліду	, мм	n	b, мм	L, мм	λ, м	λср, м	λ, м

Контрольні питання

1. В чому полягають явища дифракції та інтерференції світла?

2. Що являє собою щілина Юнга?

3. Пояснити утворення дифракційної картини в досліді Юнга.

4. Вивести формулу (5) для обчислення довжини хвилі в досліді Юнга.

5. Які головні властивості лазерного випромінювання?

Література

1. Бушок Г.Ф., Венгер Є.Ф. Курс фізики, т.2. – К.: Либідь, 2001.

2. Кучерук І.М., Дущенко В.П., Загальна фізика. Оптика. Квантова фізики. – К.: Вища школа, 1991.

3. Савельев И.В. Курс общей физики, Т. 3, - М.: Наука, 1989.

4. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики, т. 3, М, 1986.

5. Элементарный учебник физики, т.3, Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – М.: Наука, 1985.

6. Бутиков Е.И. Оптика. – М.: Высш. шк., 1986.

7. Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Фізика с основами электротехники, М, 1985.

8. Трофимова Т.И. Оптика и атомная физика. – М.: Высш. шк., 1999.

9. Кравцов Ю.А., Мансуров А.Н. и др. Лабораторный практикум по общей физике, М, 1985.

стор. 1 з 4