Лаб 1. ЛубскийГрищенко_Волновая_оптика_и_фотометрия_20201. Учебное пособие по физике волновые свойства электромагнитного поля
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
оптическая разность хода двух волн, величина 𝐿 1 = 𝑛 1 𝑥 1 – оптическая длина пути первой волны от места разделения лучей до данной области, величина 𝐿 2 = 𝑛 2 𝑥 2 – оптическая длина пути второй волны от места разделения лучей до данной области, λ 0 – длина волны света в вакууме, п – абсолютный показатель преломления среды, в которой распространялась волна до точки наложения волн. Подставляя условия максимума и минимума для (4) в выражение для разности фаз (5) получаем условия максимума и минимума интенсивности интерференционной картины: ∆= ±𝑚 ∙ 𝜆 0 , (m = 0, 1, 2, …) – условие максимума (6) Δ = ± (𝑚 + 1 2 ) ∙ 𝜆 0 , (m = 0, 1, 2, …) – условие минимума (7) Разделение одной волны на две когерентные волны можно проделать различными способами. В частности, разделение на две когерентные волны происходит и при падении света на пластинку (пленку), отличающуюся по своим оптическим свойствам от окружающей среды. При отражении падающей световой волны от верхней и нижней поверхностей пластинки получаются две когерентные волны. Чтобы в обеих волнах присутствовали излучения одинаковых атомов, пластинка (пленка) должна быть тонкой. Поэтому явление 23 интерференции в этом случае получило название интерференции света в тонких пленках. При падении на тонкую пленку плоской волны угол падения во всех точках одинаковый, интерференция в этом случае приводит к зависимости интенсивности отраженной волны от толщины пленки d. Если толщина пленки в разных местах не одинакова, точки, для которых выполняются условия возникновения максимума (6) и минимума (7) образуют линии. Эти линии наблюдаются в тех местах пленки, где толщина пленки одинакова и соответствует либо условию (6), либо условию (7). Вдоль этих линий наблюдаются темные и светлые полосы, которые называются полосами равной толщины. Частным случаем полос равной толщины являются кольца Ньютона. Кольца Ньютона наблюдаются при отражении света от соприкасающихся друг с другом плоскопараллельной стеклянной пластинки и плоско-выпуклой линзы с большим радиусом кривизны (рис. 2). Роль тонкой пленки, от поверхности которой отражаются волны, играет зазор между пластинкой и линзой вблизи точки соприкосновения пластинки и линзы (вследствие большой толщины пластинки и линзы за счет отражений от других поверхностей интерференционные полосы не возникают). При нормальном падении света полосы равной толщины имеют вид окружностей, при наклонном – эллипсов Используя метод колец Ньютона, можно определить радиус кривизны поверхности линзы, обнаружить дефекты полировки ее поверхности (сколы и шероховатости), этот метод является одним из основных при изготовлении и контроле качества линз. Пусть электромагнитная волна «1» (рис. 2), излучаемая источником света, падает перпендикулярно плоской поверхности на плоско-выпуклую линзу, приведённую в контакт со стеклянной пластиной. В точке «С» происходит разделение волны «1» на две: отраженную от нижней поверхности линзы (волна «1'») и отраженную от верхней поверхности стеклянной пластинки (волна «2'»). Эти волны будут интерферировать. Для наблюдения интерференционной картины, возникающей на границе раздела «воздушный клин – линза», в работе используется измерительный микроскоп «М». Интерференционная картина, наблюдаемая в микроскоп «М», имеет вид концентрических колец, симметричных относительно точки соприкосновения линзы и пластины. Исторически такая картина получила названия колец Ньютона, первая публикация о которых была им сделана в 1675 году. Из рис. 2 следует, что оптическая разность хода между волнами «1'» и «2'» равна удвоенной толщине зазора: ∆= |𝐶𝐷| ∙ 𝑛 + |𝐷𝐶| ∙ 𝑛 + 𝜆 2 (8) Где – длина интерферирующих волн, а n – показатель преломления среды, находящейся в зазоре между линзой и пластинкой. Прибавление 𝜆 2 к оптической длине пути волны «2'» связано с тем, что при её отражении от пластины «П» в 24 точке «D» (отражение от оптически более плотной среды) фаза волны изменяется на π. Рис.2 Схема образования интерференционных колец Ньютона Из формулы (8) следует, что ∆= 2𝑑 ∙ 𝑛 + 𝜆 2 . (9) В случае, если в точке С выполняется условие максимума интенсивности (6), то формулу (9) можно переписать в виде: 2𝑑 ∙ 𝑛 + 𝜆 2 = 𝑚𝜆 , (10) где m = 0, 1, 2, … - порядок максимума. Взаимосвязь толщины воздушного клина d с радиусом кривизны линзы R найдём из треугольника АОС. ОВ = ОС = R радиусу кривизны линзы. Толщина зазора d = АВ = ОВ – ОА. Длина катета ОА = R d. По теореме Пифагора: 𝑅 2 = (𝑅 − 𝑑) 2 + 𝑟 𝑚 2 , (11) где r m – радиус концентрического кольца, соответствующего m порядку интерференционного максимума. 25 Раскроем скобки в выражении (11). 𝑅 2 = 𝑅 2 − 2𝑅𝑑 + 𝑑 2 + 𝑟 𝑚 2 (12) В условиях данного эксперимента радиус кривизны линзы R по порядку величины соответствует метрам, радиус колец Ньютона r m примерно соответствует миллиметрам, толщина зазора d, где наблюдаются кольца Ньютона микрометрам. Таким образом, 𝑟 𝑚 ≫ 𝑑 и d 2 можно пренебречь по сравнению с 𝑟 𝑚 2 . Формула (12) упрощается: 𝑑 ≈ 𝑟 𝑚 2 2𝑅 . (13) Из (10) и (13) следует, что для двух максимумов различных порядков m и ℓ справедливы следующие выражения: 𝑟 𝑚 2 𝑅 ∙ 𝑛 + 𝜆 2 = 𝑚𝜆 и 𝑟 ℓ 2 𝑅 ∙ 𝑛 + 𝜆 2 = ℓ𝜆 (14) А радиус светлого кольца Ньютона порядка m в отраженном свете равен: 𝑟 𝑚 = √ (𝑚− 1 2 )𝜆𝑅 𝑛 (15) Вычитая почленно уравнения (14) и учитывая, что в данной лабораторной работе между линзой и пластинкой находится воздух (n 1), получаем формулу для расчёта радиуса кривизны линзы: 𝑅 = 𝑟 𝑚 2 −𝑟 ℓ 2 𝜆(𝑚−ℓ) (16) При нормальном падении света на плоскую поверхность линзы совокупность интерференционных максимумов одного порядка должна иметь форму кольца. Однако из-за того, что в нашей установке угол падения не равен нулю (наклонное падение), а также из-за неравномерного прижима линзы к пластине (рис.2), шероховатости поверхностей пластины и линзы, форма максимума несколько отличается от окружности (рис. 3). 26 Рис.3 Схема измерения среднего радиуса кольца произвольного порядка. Радиусы колец, измеренные в разных направлениях, будут иметь разные значения. На рис. 3 отмечены радиусы первого светлого кольца во взаимно перпендикулярных направлениях. Величину радиуса кольца произвольного m - порядка мы определим как среднее арифметическое радиусов, измеренных во взаимно перпендикулярных направлениях 2 mY mX m r r r r . (17) Величины r mX и r mY находим с помощью измерительной шкалы, вставленной в окуляр микроскопа. Если цена деления шкалы равна С, а значениям r mX и r mY соответствуют N mX и N mY чисел делений шкалы, величину r m можно вычислить по формуле (17), переписав её в виде: Y m X m m N N C r 2 . (18) 3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Установка состоит из измерительного микроскопа МБС – 10 (рис.4), кассеты с линзой и пластинкой «К», светофильтра «СФ», источника света «И». Для определения цены деления измерительной шкалы окуляра служит линейка, закреплённая на одном основании с кассетой «К». 27 Рис. 4. Лабораторная установка 4. ЗАДАНИЕ 4.1. Определить цену деления измерительной шкалы окуляра микроскопа. 4.1.1. Вывести из поля зрения микроскопа светофильтр, ввести в поле зрения линейку с миллиметровыми делениями. 4.1.2. Включить источник света. 4.1.3. Плавно перемещая тубус микроскопа по вертикали, получить резкое изображение штрихов линейки на фоне измерительной шкалы микроскопа. Плавно перемещая подставку с линейкой в горизонтальной плоскости, совместить штрихи измерительной шкалы с серединами двух соседних меток линейки (рис. 5). Если между серединами двух соседних миллиметровых меток линейки укладывается Z интервалов измерительной шкалы, то цена деления измерительной шкалы определяется по формуле: Z C 3 10 [м] , (19) 4.1.4. Измерить и записать значение Z. 28 Рис.5 Определение цены деления микроскопа 4.2. Исследование интерференционного спектра. 4.2.1. Убрать из поля зрения линейку, ввести кассету «К» с линзой и пластиной. 4.2.2. Плавно перемещая тубус микроскопа по вертикали, получить резкое изображение интерференционной картины. Перемещая кассету «К» в горизонтальной плоскости, расположить интерференционную картину в центре зрения микроскопа. 4.2.3. Зарисовать в цвете вид интерференционной картины. 4.3. Определение радиуса кривизны линзы. 4.3.1. Подготовить таблицу измерений Таблица 1 Порядок кольца N mX N mY Радиус кольца r m, , м Радиус кривизны линзы R, м ℓ= 1 m = 4.3.2. Ввести в поле зрения светофильтр («СФ» на рис.4). 4.3.3. Сосчитать число делений измерительной шкалы N mX между центром интерференционной картины и первым светлым кольцом (для него ℓ = 1). Развернуть тубус окуляра с измерительной шкалой на 90 0 и сосчитать аналогичное число делений N mY для этого же кольца (рис. 3). Записать значения N mX и N mY для максимума первого порядка. 4.3.4. Повторить операцию п. 4.3.3 для m-того светлого кольца (значение т задает преподаватель), записать значения N mX и N mY для этого максимума. 4.4. Выключить источник света. 4.5. По формуле (19) вычислить цену деления С. 4.6. Вычислить радиусы максимумов первого и третьего порядков по формуле (18). 29 4.7. Вычислить радиус кривизны линзы R рас по формуле (16). Значение длины электромагнитной волны , соответствующее используемому светофильтру, приведено на рабочем месте. 4.8. Рассчитайте относительную погрешность радиуса кривизны линзы по формулам [2]: 2 2 2 2 2 r r m r m r R R , где 2 2 2 mY mY mX mX m m N N N N C C r r r r . При расчётах принять: 8 10 3 м, C C 1 , 0 , 1 mY mX N N 4.9. Рассчитайте абсолютную погрешность радиуса кривизны линзы по формулам [2]: рас R R 4.10. Запишите конечный результат для радиуса кривизны линзы в виде: R R R рас 4.11. Сделать основные выводы по выполненной работе. 5. ПЕРЕЧЕНЬ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 1. Одна таблица. 2. Результаты расчетов радиуса кривизны линзы. 3. Результаты вычисления погрешностей. 4. Выводы. 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 6.1. Дайте понятие волнового процесса, расскажите о структуре электромагнитной волны. 6.2. Дайте определение интерференции. Какие волны называются когерентными? Что такое пространственная и временная когерентность? 6.3. Выведите условия максимума и минимума интенсивности интерференционной картины. Дайте определение оптической разности ходадвух лучей. 6.4. Почему в данной установке существует интерференция, ведь лампа накаливания испускает некогерентные электромагнитные волны? 6.5. Выведите формулу для расчёта радиуса кривизны линзы (16). 30 6.6. Получите формулу для расчета радиуса светлого кольца при наблюдении в отраженном свете (15). 6.7. Пользуясь формулой (15), объясните последовательность чередования цветов в спектре произвольного порядка, полученного в п. 4.2.3. ЗАДАНИЯ. 7. ЛИТЕРАТУРА 1. Лисейкина Т.А. Курс физики. Раздел четвертый. Волновая оптика [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Т. А. Лисейкина, Т. Ю. Пинегина, А. Г. Черевко; Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики. Электрон. дан. (1 файл). - Новосибирск : СибГУТИ, 2007. - 144 с. : ил. Библиогр.: с. 143. Загл. с титул. экрана. - Электрон. версия печ. публикации. - Режим доступа: http://ellib.sibsutis.ru/ellib/2007/25-Liseykina.rar, по паролю. : Б.ц. Авт. договор № 387 от 22.06.2015 г 2. Черевко А.Г. Расчёт неопределённостей результата измерений в физическом эксперименте: методические указания к лабораторному практикуму, Новосибирск: СИБГУТИ, 2002г 3. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 560с 8. ЗАДАЧИ 1.1 Плосковыпуклая линза лежит выпуклой стороной на плоскопараллельной стеклянной пластинке. Освещая линзу монохроматическим светом с длиной волны 640 нм (красный свет), установили, что расстояние между 4 и 5 светлыми кольцами равно 0,5 мм. Определить радиус кривизны линзы. [2,5 м] 1.2 Определить радиус пятого темного кольца Ньютона в отраженном свете, если между линзой с радиусом кривизны 4 м и плоской поверхностью, к которой она прижата, находится вода. Свет с длиной волны 589 нм (желтый свет) падает на плоскую поверхность линзы нормально. Показатель преломления воды n В = 1,33. [2,98 мм] 2.1 Плосковыпуклая стеклянная линза (n стекла = 1,5) с оптической силой D = 1 Дптр лежит выпуклой стороной на стеклянной пластине. Радиус пятого светлого кольца Ньютона в отраженном свете равен 1,2 мм. Определить длину световой волны. [640 нм] 2.2 Между плоской стеклянной пластинкой и линзой введена жидкость, в результате чего радиусы колец Ньютона уменьшились в 1,2 раза. Найти показатель преломления жидкости. [1,44] 3.1 Установка для получения колец Ньютона освещается белым светом, падающим нормально. Наблюдение производится в проходящем свете. Радиус 31 кривизны линзы равен 5 м. Найти: 1) радиус четвёртого фиолетового кольца (λ ф =400 нм), 2) радиус третьего красного кольца (λ кр = 700 нм). [2,83 мм, 3,24 мм] 3.2 Плоско-выпуклая стеклянная линза с радиусом кривизны R=40 см соприкасается выпуклой поверхностью со стеклянной пластинкой. При этом в отражённом свете радиус некоторого кольца равен r=2,5 мм. Наблюдая за данным кольцом, линзу осторожно отодвинули от пластинки на h=5,0 мкм. Каким стал радиус этого кольца? [1,5 мм] 4.1 На вершине сферической поверхности плоско-выпуклой стеклянной линзы имеется сошлифованный плоский участок радиуса r=3,0 мм, которым она соприкасается со стеклянной пластинкой. Радиус кривизны выпуклой поверхности линзы R=150 см. Найти радиус шестого светлого кольца в отраженном свете с λ=655 нм. [3,8 мм] 4.2 В просветлённой оптике для устранения бликов на свободную поверхность линзы наносится тонкая плёнка вещества с показателем преломления n n , где n=1,5 – показатель преломления стекла. При какой толщине этого слоя отражательная способность стекла в направлении нормали будет равна нулю для света с длиной волны λ? [1,5 мм] 5.1 Между стеклянной пластинкой и лежащей на ней плосковыпуклой линзой находится жидкость. Найти показатель преломления жидкости, если радиус пятого светлого кольца Ньютона при наблюдении в отраженном свете равен 1,1 мм, длина волны света 600 нм, радиус кривизны выпуклой поверхности линзы равен 0,6 м. [1,34] 5.2 Установка для получения колец Ньютона освещается монохроматическим светом. Наблюдение ведётся в отражённом свете. Радиусы двух соседних тёмных колец равны соответственно 4,0 мм и 4,38 мм. Радиус кривизны линзы равен 6,4 м. Найти порядковые номера колец и длину падающего света. [498 нм, 5, 6] 6.1 Найти расстояние между третьим и шестнадцатым тёмными кольцами Ньютона, если расстояние между вторым и двадцатым тёмными кольцами равно 4,8 мм. Наблюдение проводится в отражённом свете. [1,5 мм] 6.2 В установке для наблюдения колец Ньютона пространство между линзой и стеклянной пластинкой заполнено жидкостью. Определить показатель преломления жидкости, если радиус третьего светлого кольца получился равным 3,65 мм. Наблюдение ведётся в проходящем свете. Радиус кривизны линзы 10 м. Длина волны света 589 нм. [1,33] 32 Лабораторная работа 7.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ МЕТОДОМ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Исследовать явление дифракции электромагнитных волн. С помощью дифракционной решетки проходящего света измерить длины электромагнитных волн видимого диапазона. 2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Дифракцией электромагнитных волн называют отклонения направлений их распространения от законов геометрической оптики. Дифракция световых волн, являющихся частным случаем электромагнитных волн, может быть объяснена с помощью принципа Гюйгенса-Френеля, согласно которому каждая точка среды, до которой дошел волновой фронт, может рассматриваться как точечный источник вторичной сферической волны. Если, например, волна «1» проходит вблизи непрозрачного экрана АВ, то точку В можно считать источником вторичной сферической волны (Рис.1). Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, наряду с волной «2», распространяющейся в том же направлении, что и волна «1», могут иметь место волны «3» или «4», которые называют дифрагированными. Следствием дифракции является проникновение волны в область геометрической тени, создаваемой экраном АВ (Рис.1). Угол φ отклонения света от первоначального направления называют углом дифракции. Рис. 1 Проникновение волны в область геометрической тени Различают два вида дифракции. Первый – дифракция Френеля. В этом случае размеры неоднородностей b, на которых дифрагирует волна, соизмеримы с длиной волны λ и расстоянием до точки наблюдения L, то есть 𝐿 ≈ 𝑏 2 𝜆 . Второй вид – дифракция Фраунгофера в параллельных лучах. В этом случае расстояние от источника до точки наблюдения много больше размеров неоднородностей 𝐿 ≫ 𝑏 2 𝜆 . В данной работе для исследования дифракции Фраунгофера используется дифракционная решетка проходящего света, которая представляет собой совокупность узких параллельных щелей, расположенных в одной 33 плоскости. Ширина всех щелей одинакова и равна b, ширина каждого препятствия равна а. Величину d = a + b называют периодом или постоянной дифракционной решетки (Рис.2). Данная величина показывает, какое количество щелей (штрихов) приходится на единицу длины дифракционной решетки. В данной работе 𝑑 = 1 мм 100 , то есть, на 1 миллиметр приходится 100 щелей (штрихов). Если число щелей равно N, её длина (ширина) 𝑟 = 𝑁𝑑. (1) Рис. 2 Устройство дифракционной решетки 1 Одно из назначений дифракционных решеток проходящего света – измерение длин волн электромагнитного излучения, проходящего сквозь них. Найдем аналитическое выражение для определения длины волны с помощью дифракционной решетки. Пусть когерентные волны «1» и «2» падают на решетку нормально к её поверхности и дифрагируют под углом φ (Рис.3). Пройдя через дифракционную решетку, волны интерферируют в плоскости экрана «Э» в точке «М». Если в точке «М» наблюдается интерференционный максимум, то разность оптических длин путей проходимых волнами 1 и 2 определяется выражением: ∆ℓ = 𝑚𝜆, где 𝑚 = 0, 1, 2, 3 … (2) 1 http://rpp.nashaucheba.ru/docs/index-48898.html 34 С другой стороны, из рис. 3 видно, что величина ∆ℓ = 𝑑 ∙ sin 𝜑 (3) Рис. 3 Схема интерференции дифрагированных лучей Объединяя эти два условия интерференционного максимума в дифракционном спектре, получим: 𝑑 ∙ sin 𝜑 = 𝑚𝜆, где 𝑚 = 0, 1, 2, 3 … (4) Очевидно, что две любые другие волны, аналогичные волнам «1», «2» и проходящие сквозь дифракционную решетку на расстоянии d друг от друга, дадут вклад в формирование максимума в точке «М», который называют главным дифракционным максимумом. Условие m = 0 в уравнении (4) главного дифракционного максимума, соответствует значению φ = 0, и определяет интерференционное условие для центрального максимума, формируемого недифрагированными волнами, приходящими в центр экрана в одной фазе. Из рисунков 1 и 2 следует, что дифракционный спектр должен быть симметричен относительно центрального максимума. Полагая значения углов дифракции φ для максимумов, расположенных справа от центрального, условно положительными, а слева – отрицательными, получаем окончательное выражение для главных максимумов в дифракционном спектре: 𝑑 ∙ sin 𝜑 = ±𝑚𝜆, где 𝑚 = 0, 1, 2, 3 … (5) 35 Значения m называют порядком дифракционного максимума. Главные максимумы различных порядков разделены в дифракционном спектре интерференционными (главными) минимумами, в которых волны складываются в противофазе и гасят друг друга попарно. Наряду с главными максимумами и минимумами в дифракционном спектре присутствуют добавочные максимумы и минимумы, возникающие при интерференции дифрагированных волн, проходящих сквозь дифракционную решетку на расстояниях d 1 > d одна от другой. В результате, дифракционный спектр имеет форму, схематически показанную на рисунке 4, где I – интенсивность света на экране. Рис. 4 Схема распределения интенсивности в дифракционном спектре. В данной лабораторной работе наблюдение добавочных максимумов и минимумов не представляется возможным из-за малой разрешающей способности измерительной установки. Если освещать решетку белым светом, в максимумах каждого порядка должны наблюдаться спектральные линии различных цветов от фиолетового до красного. В соответствии с формулой (5) линия красного цвета должна располагаться дальше от центра дифракционной картины по сравнению с линией фиолетового цвета в максимуме любого порядка. Исходя из формулы (5), определим длину волны света 𝜆 = 𝑑∙sin 𝜑 𝑚 (6) Таким образом, дифракционную решетку можно использовать для исследования спектрального состава электромагнитных излучений по длинам волн, т.е., как спектральный прибор. Дифракционная решетка, как спектральный прибор, характеризуется тремя параметрами: угловой дисперсией, линейной дисперсией и разрешающей способностью. |