vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

Кафедра общей и технической физики

ОБЩАЯ ФИЗИКА

ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

Интерференция. Дифракция. Взаимодействие световых волн со средами

Лабораторный практикум

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

УДК 535.41/42 + 535.5 (075.80) ББК 22.34

Общая физика. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА. Интерференция. Дифракция. Взаимодействие световых волн со средами: Лабораторный практикум / А.С. Мустафаев, С.В. Егоров. Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2012. 48 с.

ISBN 5-94211-162-6

В лабораторном практикуме представлены работы по всем основным оптическим явлениям: интерференции, дифракции.

Практикум предоставляет возможность студентам познакомиться с явлениями, лежащими в основе современных оптических технологий. Основная задача - овладеть техникой и методикой проведения экспериментальных исследований, а также приемами обработки результатов исследований и оформления заключительного отчета.

В зачетных работах практикума, выполняемых по индивидуальной программе, студент должен продемонстрировать умение в устной и письменной форме, логически верно, и аргументировано защищать результаты своих исследований.

Лабораторный практикум предназначен для студентов, бакалавров и магистров всех специальностей и форм обучения Санкт-Петербургского государственного горного университета.

В постановке работы № 3 и оформлении лабораторного практикума принимала участие ассистентка профессора, студентка группы ИЗ-09-3 Насырова Ирина.

Научный редактор проф. А.С. Мустафаев

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,2012 г.

2

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН

Работа 1. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ

Теоретические сведения

Свет представляет собой электромагнитные волны. Как и всякие волны, световые волны могут интерферировать. Интерференцией света называется сложение световых пучков, ведущее к образованию светлых и темных полос, которые можно наблюдать визуально.

Если две световые волны придут в одну точку пространства в одинаковой фазе, они будут усиливать друг друга. В этой точке образуется светлый участок интерференционной картины. В тех же точках пространства, в которые волны приходят в противоположных фазах, они будут ослаблять друг друга и там будет темный участок.

Таким образом, результат интерференции зависит от разности фаз интерферирующих волн. Чтобы картина интерференции в каждой точке пространства не менялась со временем, необходимо, чтобы разность фаз оставалась постоянной. В противном случае, в каждой точке пространства волны будут то усиливать, то ослаблять друг друга, а глаз, воспринимая усредненную картину, не обнаружит интерференцию. Следовательно, наблюдать интерференционную картину можно лишь в том случае, если интерферирующие волны имеют одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

Источники света и испускаемые ими лучи, удовлетворяющие указанным требованиям, называются когерентными. Только когерентные источники света дают стабильную во времени интерференционную картину.

Рассмотрим интерференцию света от двух когерентных источников S1 и S2, расстояние между которыми равно d (рис.1).

Проведем перпендикулярно отрезку S1 S2 через его середину прямую OA. Возьмем точку P на прямой АВ и введем обозначения: а

– длина отрезка OA, х – длина отрезка АР.

3

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Тогда по теореме Пифагора

ся интерференция.

Из уравнений (1) следует

S2 P 2 S1P 2 2xd или S2P S1P S2P S1P 2xd , откуда

где – оптическая разность хода между интерферирующими лучами.

Если x и d малы по сравнению с a , то приближенно

S2 P S1P 2a

и

xd / a .

Если величина равна нечетному числу полуволн, то световые волны придут в точку P в противофазе и погасят друг друга, соответственно интенсивность в этой точке будет минимальной. Еслиравна четному числу полуволн, то световые волны придут в точку P в одинаковых фазах и усилят друг друга – интенсивность будет максимальной.

Условия минимума и максимума интенсивности имеют вид соответственно

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

xda 2k 1 2 ; xda k ,

АВ будут наблюдаться светлые и темные полосы.

Расстояние между центрами соседних k-й и (k + 1)-й светлых полос, т.е. ширина интерференционной полосы

Такое же расстояние будет и между центрами темных полос.

Описание экспериментальной установки

Бипризма Френеля (рис.2) состоит из двух остроугольных призм, сложенных основаниями. Обычно обе призмы изготовляются из одного куска стекла и имеют очень малые преломляющие углы В и С. В сечении бипризма Френеля представляет собой равнобедрен-

ный треугольник с углом А при вершине, близким к 180 .

Свет от источника S (например, от узкой освещенной щели, перпендикулярной плоскости чертежа) падает на бипризму и прелом-

dS A

Рис.2

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

ляется в ней. В заштрихованной области за бипризмой преломленные пучки складываются, т.е. интерферируют, и образующуюся интерференционную картину, состоящую из светлых и темных полос можно наблюдать с помощью микроскопа. Все происходит так, буд-

то интерферирующие пучки света исходят из точек S1 и S2 . В

этих точках находятся мнимые источники, образованные действительным источником света S . Эти два мнимых источника являются когерентными.

Измерив, расстояние d между мнимыми источниками света S1 и S2 , расстояние, а от мнимых источников света до плоскости

наблюдения, а также расстояние между соседними полосами b, по формуле (2) можно вычислить длину волны , испускаемую источником света.

Схема рабочей установки (рис.3) включает источник света 1, щель 2, светофильтр 3, бипризму Френеля 4 и измерительный микроскоп 5. Щель и бипризма закреплены вместе на специальном рейтере. Для измерения расстояния между мнимыми источниками света d и расстояния от мнимых источников света до фокальной плоскости микроскопа а, на оптическую скамью между бипризмой и микроскопом устанавливают линзу L. В процессе измерения ширины интерференционной полосы линза не используется и удаляется с оптической скамьи.

Расстояние между светлыми полосами интерференции определяется измерительным микроскопом. Он укреплен в рейтере и может передвигаться микрометрическим винтом в направлении, перпендикулярном оптической оси.

Рис.3

6

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Для точного измерения расстояний имеются вертикальные визирные штрихи, которые можно наблюдать в окуляре микроскопа одновременно с полосами интерференции. Окуляр должен быть сфокусирован по глазу наблюдателя так, чтобы штрихи были видны четко. Перемещая микроскоп с помощью микрометрического винта перпендикулярно оптической оси установки, определяют положение микроскопа по шкале. Цена деления основной шкалы - 1 мм, а шкалы барабана микрометрического винта - 0,01 мм.

Порядок выполнения работы

1.Включить источник света, переведя тумблер на блоке питания в положение «Вкл». В поле зрения микроскопа должны быть видны темные и светлые интерференционные полосы.

2.Навести микроскоп так, чтобы визирный штрих окуляра

Рис.4

совместился с серединой крайней из отчетливо видимых справа светлых полос и записать отсчет по шкале и барабану микрометрического винта.

3.Передвинуть микроскоп до середины левой крайней светлой полосы, сосчитать число полос между ними (рис.4) и записать отсчет. Вычислить ширину одной полосы b как разность между двумя отсчетами, деленную на число полос.

4.Повторить пп.2 и 3 четыре-пять раз и вычислить среднее значение b.

7