Лабораторная работа №1. Лабораторная работа Определение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля. Введение

• Название: Лабораторная работа Определение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля. Введение
• Дата: 08.11.2022
• Размер: 332 Kb.
• Имя файла: Лабораторная работа №1.doc
• Тип: Лабораторная работа; #776712

Лабораторная работа № 1.
Определение длины световой волны с помощью бипризмы

Френеля.

1. 
   Введение.
   

Цель работы : изучение явления интерференции света и определение длины волны света с помощью бипризмы Френеля.

1. 
   Бипризма Френеля - оптическое устройство, которое дает возможность разделить волну света от одного источника на две когерентные волны.
   

Бипризма представляет собой две призмы с малым преломляющим углом (около ), соединенные основаниями (рис. 1.1).

Источником света служит щель S, расположенная параллельно ребру тупого угла бипризмы. Волновой фронт света делится на две части из-за преломления бипризмой, а затем волны перекрываются в области О АВ, образуя зону интерференции. На экране Э наблюдается интерференционная картина, образованная волнами, испущенными как бы двумя когерентными мнимыми источниками S и S .



Рис. 1.1.


1.2. Определим ширину интерференционной полосы. Из рис. 1.2, учитывая малость угла , следует
,
где - оптическая разность хода волн, приходящих в точку В;

- расстояние между мнимыми источниками;

x - расстояние между центральным максимумом (точка О) и максимум m - го порядка.
Тогда

x = .
Условие максимума интерференции = m и x = m , а ширина полосы
= - = (m+1)
Отсюда (1.1)

Величины , L и определяются на опыте.


Рис. 1.2.

2. 
   Описание установки
   

1. 
   Приборы, с помощью которых производится определение длины световой волны, расположены на оптической скамье. Она представляет собой массивную направляющую, снабженную линейкой. На ней установлены рейтеры с приборами (рис. 1.3).
   

Рис. 1.3.
Источником света для бипризмы является микрометрическая щель Щ, которая освещается лампой накаливания. После щели свет падает на оправу С со сменными светофильтрами. Светофильтры дают возможность выделять из непрерывного спектра лампы накаливания свет определенной длины волны. Бипризма Френеля БФ укреплена в специальной оправе. На ее грани попадает свет от щели. Окулярный микрометр ОМ служит для измерения ширины интерференционной полосы и расстояния между мнимыми источниками. Четкое изображение интерференционной картины получается в фокальной плоскости окулярного микрометра, что достигается его перемещением по оптической скамье.

В поле зрения окулярного микрометра (рис. 1.4) имеется неподвижная шкала с ценой деления 1 мм, две визирные линии и биштрих (двойная черта). Перекрестие визирных линий вместе с биштрихом перемещается параллельно при вращении микрометрического винта. При повороте винта на один оборот биштрих и перекрестие в поле зрения окуляра перемещаются на одно деление шкалы. Таким образом, с помощью неподвижной шкалы отсчитываются обороты винта, т.е. целые миллиметры. Микрометрический винт снабжен барабаном, разделенным по окружности на 100 делений. Поворот барабана на одно деление соответствует перемещению перекрестия на 0,01 мм. Полный отсчет по шкалам окулярного микрометра складывается из отсчета по неподвижной шкале и отсчета по барабану винта. Отсчет по неподвижной шкале в поле зрения определяется положением биштриха, т.е. числом целых делений шкалы слева от биштриха: отсчет ведется от нуля шкалы. Отсчет по барабану микрометрического винта определяется делением шкалы барабана, которое находится против индекса (черты), нанесенного на неподвижном цилиндре барабана. Отсчет по рис. 1.4 2,52 мм.





Рис. 1.4.

3. 
   Порядок выполнения работы.
   

1. 
   Ознакомьтесь с приборами на установке. Снимите линзу Л с оптической скамьи и включите лампу накаливания.
   
2. 
   Установите оправу с светофильтрами в такое положение, чтобы на пути лучей света оказалось отверстие без светофильтров. Рассмотрите в окулярный микрометр интерференционную картину. В чем ее особенность? (Если не наблюдается четкая интерференционная картина, обратитесь к лаборанту или преподавателю).
   
3. 
   Поворотом оправы с светофильтрами установите на пути лучей красный светофильтр, при этом должны быть четко видны красные и темные полосы. Если необходимо - произвести дополнительную настройку. До конца измерений не изменять положение бипризмы и окулярного микрометра на оптической скамье!
   
4. 
   Измерьте расстояние L от щели до окулярного микрометра и запишите в протокол.
   
5. 
   Определите ширину интерференционной полосы. Для уменьшения погрешности измеряется расстояние между n полосами; ширина полосы получается делением измеренного расстояния на n , где n - число полос.
   

Вращая барабан микрометра, подведите перекрестие на середину одной из светлых полос, расположенных в левой части поля зрения, считая полосу началом отсчета. Запишите в таблицу показания окулярного микрометра , отсчитав целые деления по окулярной шкале, а доли по барабану так, как это описано выше. Переместите перекрестие на середину n -ой полосы в правой части поля зрения, одновременно отсчитывая число пройденных полос n следует брать максимально возможным. Запишите в таблицу отсчет по окулярному микрометру . Измерения повторить 5 раз не изменяя значения n. Результаты измерений запишите в табл. 1.

Во время измерений нельзя облокачиваться на стол, так как даже легкий нажим вызывает смещение полос!

6. 
   Определите расстояние между мнимыми источниками . Непосредственно расстояние измерить нельзя. Для его определения получают с помощью линзы изображение двух мнимых источников. Измеряя расстояние между ними , можно по формуле линзы рассчитать расстояние между источниками.
   

(1.2)




Рис. 1.5.

Расположите линзу Л на оптической скамье между бипризмой БФ и окулярным микрометром. Перемещая линзу по скамье, добейтесь в поле зрения окулярного микрометра четкого изображения мнимых источников в виде двух вертикальных полосок (интерференционные полосы при этом не видны). Вращая барабан окулярного микрометра, наведите перекрестие на левую полосу и снимите отсчет по окулярному микрометру. Затем подведите перекрестие к правой полосе и снова снимите отсчет по окулярному микрометру. По разности отсчетов найдите .

Измерение расстояния между мнимыми источниками повторяют 5 раз.

7. 
   Измерьте расстояние между щелью и линзой -a, расстояние между линзой и окулярным микрометром - b.
   
8. 
   Произведите те же измерения для другого светофильтра, установив его поворотом оправы со светофильтрами (так, как указано в пп. 3.5-3.7).
   

4. 
   Результаты измерений и их обработка
   

Определение ширины интерференционной полосы L = ... мм
Таблица 1

Цвет светофильтра			n
1 . . . 5

Определение расстояния между мнимыми источниками

a = ... мм, b = ... мм.
Таблица 2

Цвет светофильтра
1 . . . 5

1. 
   Рассчитайте ширину интерференционной полосы для каждого измерения по формуле
   

2. 
   Рассчитайте расстояние между изображениями мнимых источников волн.
   

3. 
   Рассчитайте длину волны по средним значениям и . Формула (1.1) для расчета длины волны света с учетом формулы (1.2) примет вид
   

(1.3)
Расчет произвести для каждого светофильтра.

4. 
   Выведите формулу для расчета погрешности и рассчитайте погрешность для одного из светофильтров.
   
5. 
   Запишите окончательный результат и надежность измерений:
   

, P =

5. 
   Определение спектральной области пропускания светофильтра.
   

При выводе формулы (1.2) считалось, что источник монохроматический и имеет вид бесконечно узкой щели.

Немонохроматичность света вызывает постепенное ухудшение резкости интерференционных полос по мере удаления от центрального максимума. Пусть источник дает излучение в интервале от до . Наблюдаемая интерференционная картина - результат наложения систем интерференционных полос, соответствующих различным длинам волн.

Ширина полосы пропорциональна длине волны света, поэтому для спектрального интервала максимумы волн одних длин будут накладываться на минимумы волн других длин, и по мере удаления от центрального максимума полосы будут постепенно терять резкость и исчезать.

Условие исчезновения интерференционных полос

(Объясните и выведите это условие).
Откуда
(1.4)
Из формулы (1.4) видно: чем менее монохроматичен свет, тем более низкие порядки интерференции доступны наблюдению.

Найдите - область пропускания светофильтра. Для этого определите порядок m -го максимума, который можно достаточно уверенно различить. За m = 0 принять центральный максимум (см. рис. 1.2).

Контрольные вопросы

1. 
   В чем заключается явление интерференции волн?
   
2. 
   Напишите уравнение плоской монохроматической электромагнитной волны.
   
3. 
   Сформулируйте цель работы. Какие величины и каким образом они измеряются на опыте?
   
4. 
   Какие приборы используются в опыте и каково их назначение?
   
5. 
   Какие волны называются когерентными, и как выполняется требование когерентности в работе?
   
6. 
   Будет ли наблюдаться интерференционная картина при освещении щели белым, немонохроматическим светом?
   
7. 
   Будет ли наблюдаться интерференционная картина, если одну половину бипризмы закрыть красным светофильтром, а вторую - фиолетовым?
   
8. 
   Выведите расчетную формулу для определения длины волны света.
   
9. 
   Что называется шириной интерференционной полосы?
   
10. 
    Почему преломляющий угол бипризмы должен быть мал?
    

Литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Т.№ М.: Высш. шк., 1979. 3.1, 5.1, 5.2.