Metoduka_do_optuku_Chapter_I

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу

Кафедра загальної та прикладної фізики

Басараба Ю.Б., Федоров О.Є., Калугін А.Г.

Оптика

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

Частина І

Хвильова оптика Квантова оптика

Для студентів усіх спеціальностей

Рекомендовано методичною радою університету

Івано-Франківськ

2010

МВ 02070855-3152-2010

Басараба Ю.Б., Федоров О.Є., Калугін А.Г. Оптика. Лабораторний практикум., Ч.І. Хвильова оптика. Квантова оптика. – 2-ге вид., переробл.- Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2010. - 123 с.

Даний лабораторний практикум написаний згідно з програмою курсу загальної фізики для студентів вищих технічних навчальних закладів України і містить методичні вказівки до проведення двадцяти однієї лабораторної роботи з розділу «Оптика».

До кожної лабораторної роботи додано виклад теорії та вказано методику і послідовність виконання роботи. Значну увагу звернено на практичне застосування відповідних фізичних явищ.

Призначений для використання студентами усіх інженерних напрямів підготовки денної та заочної форм навчання.

Рекомендовано методичною радою університету

(протокол № ____від «____» _____________ 2010 р.)

©Басараба Ю.Б., Федоров О.Є., Калугін А.Г., 2010

©ІФНТУНГ, 2010

3

ЧАСТИНА І

Дерзайте! Беріться за великі справи, якщо ви беретеся серйозно. Здібності, як і мускули, зростають під час тренування. Великі відкриття не кожному під силу, але хто не спробує, той напевне нічого не відкриє. Ви повинні піти далі від своїх дідів і прадідів.

В.О. Обручев

ВСТУП

Методичні вказівки підготовлені для допомоги студентам при виконанні лабораторних робіт з розділу «Оптика» курсу загальної фізики.

Складені методичні вказівки відповідно до навчального плану та програми з фізики. Вони охоплюють детальні теоретичні відомості та інструкції з 21 лабораторної роботи цього розділу. Методичний посібник складається з двох окремих частин:

Частина І. Хвильова оптика. Квантова оптика.

Частина ІІ. Геометрична оптика. Взаємодія світла з речовиною. Виконання цих робіт ознайомить з основними властивостями світла,

допоможе кращому розумінню явищ інтерференції, дифракції та поляризації світла; ознайомить з найбільш цікавими як з наукової, так і практичної точок зору, їх властивостями, а також з найбільш зручними методами їх дослідження. Ознайомить з проявом цих явищ у природі та їх практичним застосуванням у техніці.

Виконання кожної лабораторної роботи пов’язане з необхідністю попереднього вивчення певних теоретичних питань. З цією метою у кожній інструкції до роботи наведено перелік контрольних питань з теоретичного матеріалу, який необхідно засвоїти при підготовці до роботи, опис установки, порядок проведення вимірювань.

5

Методичні вказівки до підготовки, виконання і оформлення звітів з лабораторних робіт

При підготовці до лабораторних робіт необхідно перш за все ознайомитися з теоретичним матеріалом даної роботи, вивчити інструкції з експлуатації до вимірюваних приладів і методику виконання експерименту.

З цією метою студент повинен:

–ознайомитися з даними методичними вказівками;

–самостійно вивчити теоретичний матеріал до даної лабораторної

роботи;

–у спеціально відведеному для лабораторних робіт зошиті підготувати інструкції по виконанню роботи з виведенням робочих формул і формул для розрахунку похибок;

–підготувати бланк звіту про виконання лабораторної роботи. Отримавши допуск у викладача, студент може приступити до виконання

лабораторної роботи. Для цього необхідно:

–ознайомитися з приладами, які необхідні для виконання роботи;

–провести спостереження і вимірювання;

–опрацювати результати вимірювань (обчислити шукану фізичну величину за формулами і дати оцінку похибок вимірювання).

Методичні рекомендації для самостійного вивчення хвильових та квантових властивостей світла

Вивчення властивостей і законів поширення світла, його взаємодій з речовиною показує, що світло має двоїсту природу (дуалізм): корпускулярну і хвильову.

Згідно корпускулярної теорії випромінювання і поглинання світла речовиною відбувається певними порціями (квантами), а його поширення відбувається у вигляді потоку світлових квантів – фотонів.

З точки зору хвильової теорії світло являє собою поперечні електромагнітні хвилі, які поширюються у вакуумі з швидкістю 299792458 м⁄с. В електромагнітній хвилі перпендикулярно до напряму швидкості поширення хвилі у взаємно перпендикулярних площинах коливаються вектор напруженості електричного поля і вектор напруженості магнітного поля. У більшості оптичних явищ основну роль відіграє вектор напруженості електричного поля, тому у подальшому буде вестись мова саме про цей вектор і його амплітудне значення. Хвильова природа світла найбільше проявляється в явищах інтерференції, дифракції і поляризації світла.

Таким чином, світло являє собою єдність протилежних видів руху – корпускулярного і хвильового, тобто єдності дискретності і неперервності, що перебуває у повній відповідності з висновками матеріалістичної діалектики.

6

ХВИЛЬОВА ОПТИКА

Інтерференція світла

… Та читайте Од слова до слова,

Не минайне ані титли, Ніже тії коми, Все розберіть …

Т.Г.Шевченко

Лабораторна робота № 67

Визначення довжини хвилі монохроматичного світла за допомогою біпризми Френеля

Мета: використовуючи інтерференційний метод, визначити довжину світлової хвилі гелій-неонового лазера.

Прилади: біпризма Френеля, джерело світла (гелій-неоновий лазер ЛГН 109), циліндрична лінза, відліковий мікроскоп, набір світлофільтрів, лінза з відомою фокусною віддалю.

Теоретичні відомості

У кожній точці простору відбувається накладання електромагнітних хвиль, які поширюються незалежно одна від інших. Це незалежне накладання хвиль називається суперпозицією хвильових рухів. Розглянемо детальніше

,– початкові фази коливань хвиль у джерелах випромінювання.

7

Рисунок 1 – Інтерференція від двох точкових джерел когерентного світла: а – монохроматичне світло; б – біле світло.

Оскільки відбувається накладання двох гармонічних коливань однакової частоти, то результуюче коливання також буде гармонічним з тією ж частотою:

Величина ∆ називається геометричною різницею ходу променів. Якщо початкові фази коливань не залежать від часу, то їх різниця буде сталою і повна різниця фаз також не залежатиме від часу:

∆ 2 . (8)

λ

Коливання для яких різниця фаз не змінюється з часом називаються

когерентними. Тоді

де , – інтенсивності хвиль, що накладаються.

Амплітуда (інтенсивність) результуючого коливання залежить не тільки від амплітуди початкових коливань, але й від різниці фаз ∆ . У зв’язку з цим розглянемо два випадки.

1) Можливі випадки, коли дві світлові хвилі, які приходять у дану точку простору, у результаті накладання посилюють або послаблюють одна другу. Спостерігається це тільки у випадку, коли хвилі когерентні, тобто такі хвилі, які мають однакову частоту і постійну різницю фаз. У цьому випадку різниця

світлових хвиль відбувається просторовий перерозподіл інтенсивності хвиль, у результаті чого в одних місцях виникають максимуми, а в інших мінімуми інтенсивності. Це явище називається інтерференцією світла.

спостерігається максимум освітленості для певної довжини хвилі. Якщо різниця ходу дорівнює пів-цілому числу хвиль світла, то коливання знаходяться у протилежних фазах. Таким чином, максимальна освітленість відповідає різниці ходу, яка дорівнює парному числу півхвиль, мінімальна – непарному.

розміщених на віддалі . Розглянемо інтерференцію від цих джерел на екрані

екрану (точки перетину з екраном перпендикуляра, опущеного з середини лінії