интерференция света. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ_2021 (2). Вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению работы
 Скачать 220.61 Kb.
|
|
Работа № 2. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА Цель работы: получение интерференционной картины разными способами, определение заданных величин по интерференционной картине. Вопросы, знание которых обязательно для допуска к выполнению работы: В чем заключается явление интерференции? Что такое монохроматический свет? Какие источники называются когерентными? Способы получения когерентных источников, методом деления волнового фронта. Способы получения когерентных источников, методом деления амплитуд. Что собой представляет интерференционная картина. Условия наблюдения интерференционной картины. Оптическая разность хода. Условия максимума и минимума интерференционной картины. Что такое главный максимум, максимумы и минимумы n-го порядка? Интерференция белого света. Введение Интерференция света – явление, возникающее при сложении когерентных световых волн, заключающееся в том, что в одних местах происходит усиление света, в других – ослабление. Результат интерференции зависит от разности фаз интерферирующих волн. Если две световые волны придут в одну точку пространства в одинаковой фазе, они будут усиливать друг друга, и будет наблюдаться светлый участок интерференционной картины. В тех же точках пространства, в которые волны приходят в противоположных фазах, они будут ослаблять друг друга, и будет наблюдаться темный участок. В результате мы будем наблюдать интерференционную картину или зону интерференции. Это область, в которой возникает система чередующихся максимумов и минимумов, т.е. светлых и темных участков (полос, колец и т.д.). Чтобы картина интерференции в каждой точке пространства не менялась со временем, необходимо, чтобы разность фаз была постоянной. Следовательно, наблюдать интерференционную картину можно лишь в том случае, если интерферирующие волны имеют строго одинаковую частоту и постоянную разность фаз в пространстве и во времени. Источники света, излучающие волны одинаковой частоты и постоянной разности фаз, называются когерентными. Рассмотрим интерференцию света в точке P на экране от двух точечных когерентных источников S1 и S2, расстояние между которыми равно d (рис.1).  и  – пути, которые пройдут лучи света от источников S1 и S2 до точки P, в которой наблюдается интерференция. Тогда, величина Δ . (1)н  азывается оптической разностью хода между двумя лучами. Проведем перпендикулярно отрезку S1S2 через его середину прямую OA. И обозначим OAчерез а, а АР – через х. Используя теорему Пифагора, после несложных преобразований получим:  , (2)Если х и d малы по сравнению с а, то приближенно  и . (3)Если оптическая разность хода волн равна нечетному числу полуволн, то световые волны придут в точку P в противофазе и погасят друг друга, интенсивность в этой точке будет минимальной:  , (4)где; k= 0,1,2… - порядок минимума; λ – длина волны. Если же  равна четному числу полуволн, то световые волны придут в точку P в одинаковых фазах и усилят друг друга – интенсивность будет максимальной:  , (5)где  - порядок максимума; λ – длина волны.Таким образом, в точках  (6)будут наблюдаться светлые участки интерференционной картины, а в точках  (7)– темные участки интерференционной картины. В результате на экранебудут наблюдаться светлые и темные полосы. Расстояние b между центрами соседних k-й и (k + 1)-й светлых полос составит:  . (8)Такое же расстояние будет и между центрами темных полос. Способы получения когерентных источников Найти два точечных когерентных источника практически невозможно. Значительно проще поделить волновой фронт или амплитуду излученной волны. В первом методе когерентные волны получают с помощью оптического устройства, позволяющего разделить пучок света, идущего от одного реального источника света, на два пучка. При последующем наложении таких волн будет иметь место интерференционный эффект. Примерами первого метода получения когерентных волн являются: опыт Юнга, бипризма Френеля, зеркала Френеля; билинза Бийе, и другие. Получение когерентных волн по методу деления волны по амплитуде реализуется в опыте с кольцами Ньютона, опыт Поля, при интерференции в тонких пленках и пластинках и др. Бипризма Френеля (рис.2) состоит из двух остроугольных призм, сложенных основаниями. Обычно обе призмы имеют очень малые преломляющие углы B и C. Вследствие чего, угол A близок к 180º.  Рис. 2 Свет от монохроматического источника S (например, от узкой освещенной щели, перпендикулярной плоскости чертежа) падает на бипризму и преломляется в ней. Вследствие преломления в бипризме пучок света разделяется на два пересекающихся пучка, как бы исходящих из двух мнимых изображений щели S1 S2. В области пересечения пучков за призмой будет наблюдаться интерференционная картина, состоящая из светлых и темных полос. Зная расстояние между источниками d, ширину интерференционной полосы Δx и расстояние от источников до экрана L, можно определить длину волны монохроматического света, которым освещается бипризма Френеля:  (9)В  оздушный клин (кольца Ньютона). «Кольца Ньютона» представляют собой один из видов интерференции в тонкой пленке. При наложении плоско-выпуклой линзы радиуса R выпуклой поверхностью на отражающую стеклянную плоскую поверхность, можно наблюдать интерференционную картину в виде концентрических колец, называемых кольцами Ньютона. Вблизи места соприкосновения получается слой воздуха, толщина которого сравнима с длиной световой волны. Радиусы колец можно связать с параметрами схемы для получения интерференционной картины (рис. 3). Пусть свет падает вдоль нормали к поверхности стеклянной пластинки. Оптическая разность хода Δ между лучом, отраженным от сферической поверхности в точке С , и лучом прошедшим точку С после отражения его от пластинки, определяется выражением:  , (10)где  - толщина воздушного зазора в точке С. Величина разности хода увеличена наλ/2вследствие потери полуволны лучом при отражении от оптически более плотной поверхности на границе раздела воздух – стекло. Для радиуса к-го светлого кольца в отраженном свете (или темного в проходящем) имеем:  (11).А для радиуса k-го темного кольца в отраженном свете (или светлого в проходящем) имеем:  (12).Измеряя радиусы колец и, зная длину волны λ, можно найти радиус кривизны линзы:  (13).Задания и указания к их выполнению З  адание 1. Определить длину волны красного света с помощью бипризмы Френеля. Схема рабочей установки (рис.4) включает осветитель (1), щель (2), светофильтр (3), бипризму Френеля (4), измерительный окуляр (5), линзу L. Выполнение: При измерении расстояния между интерференционными полосами (п.1 и 2) линза L (рис.4) не используется! В  ключить осветитель. Посмотреть в окуляр окулярного микрометра (описание окулярного микрометра приведено в Приложении). В поле зрения окуляра видны темные и светлые интерференционные полосы. Измерить расстояние между соседними полосами Δb. для этого совместите визирный штрих с серединой крайней из отчетливо видимых слева светлых полос (рис. 5а); запишите отсчет слева по шкале и барабану микрометрического винта в таблицу 1; Таблица 1
передвиньте визирный штрих до середины крайней полосы справа (рис. 5б); запишите отсчет справа в таблицу 1; посчитайте число полос между этими двумя положениями визирного штриха; Найдите разность между двумя отсчетами. Деля разность на число полос, получите ширину одной полосы. Эту операцию повторите 5 раз. И  змерить расстояния d между мнимыми источниками света S1 и S2 (рис.6). Для этого поместите между бипризмой и окуляром линзу L (рис.4) (п. 3 и 4). Получите в окуляре изображение двух мнимых источников (две тонкие линии), перемещая линзу вдоль оси. Измерьте расстояние a – между изображениями щелей с помощью делений окуляра. Измерьте расстояние x1 – от щели до линзы. Измерьте расстояние x2 – от линзы до окуляра. По формуле  рассчитайте расстояние между мнимыми источниками света. Погрешность будет меньше, если сделать x2 больше x1 и, тем самым, а >d. Измерьте расстояние l от источников света до плоскости наблюдения. По формуле  вычислите длину волны λ, испускаемую источником света.Определите погрешность измерений и с учетом ее запишите конечные результаты. Задание 2.Определить радиус кривизны линзы, используя интерференционную картину «кольца Ньютона». Выполнение: Установить на металлографическом микроскопе (описание прибора смотреть в приложении) крайний левый интерференционный светофильтр (зеленый, λ=558 нм). Измерить окулярным микрометром (описание прибора смотреть в приложении) диаметры 3 (третьего), 5 (пятого) и 7 (седьмого) темных колец не менее 3 раз и занесите в таблицу 2, умножив полученный результат на увеличение равное 0,13. Таблица 2
По формуле (13) определите радиус кривизны линзы. Определите погрешность измерений и с учетом ее запишите конечные результаты. Контрольные вопросы для получения зачета: Почему преломляющий угол бипризмы должен быть мал? Почему в качестве источника применяется узкая щель? Будет ли наблюдаться интерференционная картина, если щель сделать широкой? Почему интерференция наблюдается только в очень тонких пленках? Для чего в схему с бипризмой Френеля введен светофильтр? Как изменится интерференционная картина на экране, если одну половину бипризмы закрыть плотной бумагой? Чем определяется число видимых полос? Как изменится интерференционная картина, если наблюдать кольца Ньютона при освещении белым светом? Чем объясняется расцветка крыльев насекомых? Почему интерференционная картина исчезает при увеличении расстояния между линзой и пластиной? Чем отличаются кольца Ньютона в отраженном и в проходящем свете? Контрольные задачи для получения зачета: Видимый свет с самой короткой длинной волны падает на две щели, расстояние между которыми 2,8•10 –2 мм. Щели и экран, отстоящий от них на расстояние 18 см, погружены в воду. Определить расстояние между интерференционными полосами на экране. На бипризму Френеля, сделанную из корунда, падает плоская световая волна l=0,63 мкм. Определить ширину интерференционных полос на экране, если преломляющий угол бипризмы j=1°. На толстую стеклянную пластинку, покрытую очень тонкой пленкой, показатель преломления n2 вещества которой равен 1,4, падает нормально параллельный пучок монохроматического света (λ=0,6 мкм). Отраженный свет максимально ослаблен вследствие интерференции. Определить толщину d пленки. В опыте Юнга расстояние d между щелями равно 0,8 мм, длина волны l = 640 нм. На каком расстоянии от щелей следует расположить экран, чтобы ширина Dx интерференционной полосы оказалась равной 2 мм? Плёнка глицерина на поверхности льда освещается рассеянным монохроматическим светом (l=670 нм). При каких толщинах плёнки исчезают интерференционные полосы? Кольца Ньютона наблюдаются в отраженном свете. Используется плосковыпуклая линза, прижатая к стеклянной пластинке. Пластинка и линза находятся в воздухе, расстояние между 3 и 4 светлыми кольцами равно Dl1=0, 049 мм. Определить расстояние между 10 и 11 тёмными кольцами. Плоская монохроматическая световая волна проходит через стеклянную призму с малым углом преломления 0,001 рад. Длина волны света 500 нм. Показатель преломления стекла 1,5. На экране интерферируют волны прошедшие через призму. Найти расстояние между соседними интерференционными максимумами. При наблюдении колец Ньютона в отражённом свете (l=0,450 мкм) с помощью плосковыпуклой линзы положенной на плоскую пластинку, радиус третьего тёмного кольца оказался равным r3=0,780 мм. Когда фильтр заменили на красный (lкр=0,650 мкм), то радиус пятого тёмного кольца оказался равным r5=1,25 мм. Определить радиус кривизны линзы: линза и пластинка находятся в воздухе. На мыльную пленку падает белый свет под углом 45º к поверхности пленки. При какой неизменной толщине пленки отраженные лучи будут окрашены в желтый свет (λ=600 нм)? Показатель преломления мыльной воды n=1,33. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||