Лаб5_1. Интерференция света. Опыт юнга

• Название: Интерференция света. Опыт юнга
• Дата: 25.01.2022
• Размер: 0.51 Mb.
• Имя файла: Лаб5_1.rtf
• Тип: Документы; #342191

Работа 5.1

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. ОПЫТ ЮНГА
Цель работы:   1) наблюдение интерференционной картины от двух параллельных щелей в монохроматическом свете;

2) определение длины волны лазерного излучения.
С хема экспериментальной установки

1 , 2, 3 – штативы; 4,5 – регулировочные винты; Л – газовый лазер;

БП – блок питания лазера; П – пластинка со щелями; Э – экран
Описание установки и методики измерений
Источником монохроматического излучения в данной работе является газовый лазер Л, закрепленный горизонтально в штативе 1; включение лазера осуществляется тумблером на панели блока питания БП. В штативе 2 размещена непрозрачная зачерненная пластинка П, на которую нанесены несколько пар горизонтальных щелей, расположенных на малом расстоянии d друг от друга (фронтальное изображение пластинки со щелями дано на схеме установки справа). Ослабив регулировочный винт 4, можно перемещать пластинку П по вертикали, направляя лазерный луч на различные пары щелей. Интерференционная картина наблюдается на экране Э, закрепленном в штативе 3 и удаленном на расстояние D от пластинки со щелями (на схеме плоскости пластинки П и экрана Э перпендикулярны плоскости чертежа).

Газовый лазер испускает узкий пучок монохроматического (красного) цвета. Как известно, свет представляет собой электромагнитную волну; в случае узкого пучка фронт этой волны можно считать плоским. Уравнение плоской волны имеет вид

(1)

где E(r,t) – проекция светового вектора (напряженности электрического поля) на плоскость его колебаний в точке, находящейся на расстоянии r от источника света в момент времени t; E_m – амплитуда колебаний;  – циклическая частота;  – длина волны излучения.

Из выражения (1) следует, что значение Е определяется фазой колебаний

(2)

Попадая на пластинку П, луч лазера проходит через две узкие и близко расположенные друг к другу щели S₁ и S₂  (см. рис. 30). Каждую из этих щелей можно рассматривать как источ-ник света, причем благо-даря одинаковой частоте и постоянной во времени разности фаз эти источ-ники когерентны. Расхо-дящиеся от них световые пучки перекрываются, и на экране Э можно на-блюдать результат их на-ложения, т.е. картину интерференции.

В произвольную точку М экрана приходят две волны и возбуждают колебания



разность фаз которых, согласно (2), равна

(3)

где  = (r₁ – r₂) – разность хода лучей от источников до точки М. Амплитуда результирующего колебания в точке М определяется выражением



а интенсивность света в данной точке

(4)

где I₀ – интенсивность от каждого из источников в отдельности.

Таким образом, результат интерференции зависит от величины cos. При cos = -1 интенсивность I = 0; совокупность таких точек на экране образует ряд темных полос. При cos = 1 интенсивность максимальна: I = I _max=4I₀ – такие точки образуют светлые полосы.

Как известно, cos=1 при  = 2kи cos = -1 при  = (2k + 1), где k  Z. С учетом выражения (3) получим условия наблюдения максимумов

 = k(5)

и минимумов

 = (2k + 1) (6)

Найдем положение соответствующих точек, т.е. координаты светлых и темных полос на экране. Направим ось Oy вертикально в плоскости экрана Э; начало координат совместим с центром наблюдаемой картины (см. рис. 30). Воспользуемся теоремой Пифагора:



Вычитая почленно первое уравнение из второго, получим

r₁²– r₁² = 2yd

или

(r₂ + r₁)(r₂ - r₁) = 2yd(7)

(здесь и в дальнейшем индекс “М” у координаты исследуемой точки опущен).

Расстояние между щелями d составляет менее 1 мм, а расстояние от щелей до экрана D – несколько десятков сантиметров. Поэтому можно с достаточной степенью точности положить величину (r₂ + r₁)  2D. Учитывая также, что (r₂ - r₁) = , преобразуем (7) к виду

(8)

Координаты светлых полос найдем, подставляя (8) в условие максимума (5):



Ширина интерференционной полосы y(расстояние между соседними максимумами или минимумами) может быть определена как



Полученное соотношение позволяет по известным расстояниям d, D и y найти длину волны излучения:

(9)

Примерный вид интерференционной картины от двух щелей показан на рис. 31. Для практического определения ширины интерференционной п олосы необходимо измерить расстояние L_N , на котором укладывается целое число N светлых полос. Ширина полосы находится из очевидного соотношения

(10)

(чем больше N, тем точнее будет определена величина y; в приведенном на рис. 31 примере N = 7).


Порядок измерений и обработки результатов
1. Ознакомьтесь с приборами на рабочем столе; расположите их в нужной последовательности на одной прямой согласно схеме на с. 102.

2. Подключите к сети блок питания БП лазера; с помощью тумблера на панели БП включите лазер.

3. Ослабив регулировочный винт 4 штатива 2 и перемещая пластинку П по вертикали, добейтесь того, чтобы лазерный луч точно попадал на рекомендованную пару щелей. Зафиксируйте это положение пластинки винтом 4.

4. Установите экран Э на таком расстоянии от пластинки П, чтобы наблюдалась четкая картина интерференции с хорошо различимыми светлыми (красными) и темными полосами.

5. Занесите величины d и D в соответствующие столбцы таблицы.

Номер опыта	d, мм	D, мм	N	LN , мм	y, мм	, нм	, нм	()2, нм2
1
…	…	…	…	…	…	…	…	…
6
					 =		 =

6. Приложите к экрану Э линейку. Тщательно отсчитайте возможно большее число светлых полос N и измерьте расстояние между ними L_N , как показано на рис. 31. (При выполнении работы на реальной лабораторной установке удобнее сначала приложить к экрану полоску бумаги и на ней отметить края соответствующих светлых полос штрихами). Значения N и L_N занесите в таблицу.

7. Измените расстояние Dмежду щелями и экраном. Повторите пп. 4…6.

8. Повторите пп. 1…7 с еще двумя рекомендованными парами щелей (общее число опытов должно быть равным шести).

9. Для каждого из опытов рассчитайте по формуле (10) ширину интерференционной полосы y, а затем – длину волны излучения  по формуле (9). Результаты расчетов запишите в таблицу, переведя значение  из мм в нм.

10. Вычислите сумму найденных значений  и определите ее среднее значение .

11. Выполните все расчеты, необходимые для оценки случайной погрешности измерения длины волны _s . Найдите величину _s , задаваясь дверительной вероятностью  = 0,95.

12. Оцените абсолютные приборные ошибки прямых измерений d, D и L_N , а также относительные ошибки E_d ,E_D и E_L . Найдите абсолютную погрешность косвенного измерения длины волны , при необходимости используя формулу



13. Оцените полные абсолютную  и относительную Е погрешности. Сделав необходимые округления, запишите окончательный результат измерения длины волны лазерного излучения.