Вказівки до виконання роботи. Контрольні запитання

Лабораторна робота № 5.1. ВИЗНАЧЕННЯ ДОВЖИНИ СВІТЛОВОЇ ХВИЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ БІПРИЗМИ ФРЕНЕЛЯ

Контрольні запитання

1. Що таке автоколивання? Наведіть приклади автоколивальних систем.

2. Які коливання називають релаксаційними?

3. Зобразіть схему релаксаційного генератора та опишіть процеси, що в ньому відбуваються.

4. Що називають самостійним газовим розрядом? Сформулюйте умови виникнення самостійного газового розряду в газі.

5. Чи є гармонійними релаксаційні коливання? Поясніть чому.

6. Як змінюється з часом зарядний струм у колі?

7. Чи зміниться амплітуда релаксаційних коливань через зміну опору зарядного резистора?

8. Що визначає швидкість зарядки конденсатора?

9. Чому величина більша від ?

10. Чи можна віднести релаксаційний генератор до автоколивальних систем? Поясніть чому.

Мета роботи: вивчити явище інтерференції світла, визначити довжину світлової хвилі за допомогою біпризми Френеля.

Для виконання роботи потрібно засвоїти такий теоретичний матеріал: плоскі та сферичні хвилі; хвильовий фронт; інтерференція світла; когерентність; способи одержання когерентного світла; інтерференційна картинка, умови утворення максимумів та мінімумів; різниця ходу променів.

Література: [ 1 §§ 153, 171-173,175; 2 §§ 119-121; 3 §§ 119,121; 4 §§ 171, 173, 174].

Визначення довжини світлової хвилі в цій роботі базується на інтерференції світла. Інтерференція – це явище перерозподілу інтенсивності світлового потоку в просторі внаслідок накладання когерентних хвиль, через що виникають стійкі максимуми та мінімуми освітленості. Для здійснення інтерференції світла потрібно отримати когерентні світлові пучки. Когерентність – це узгоджене протікання в часі декількох хвильових процесів, коли частоти коливань однакові, а різниця початкових фаз джерел світла залишається незмінною.

Природні джерела оптичного випромінювання складаються з великої кількості атомів, які випромінюють хвилі фактично незалежно один від одного. Крім того, атоми випромінюють достатньо короткі світлові імпульси тривалістю порядку ~ 10 нс з випадковими початковими фазами. Таке випромінювання атомів у вигляді окремих світлових імпульсів називають хвильовим цугом. Середня тривалість одного цуга – час когерентності _ког , а відстань, яку проходить світло у вакуумі за час когерентності . Когерентність існує лише у межах одного цуга, а тому прилад зафіксує інтерференцію, коли оптична різниця ходу Δ між променями є меншою за довжину когерентності.

Існує також поняття просторової когерентності, тобто обмеження на спостереження інтерференції, яке виникає через поперечні розміри джерела. Внаслідок обмежень, пов’язаних із часовою і просторовою когерентністю, для спостереження інтерференції слід поділити хвильовий фронт на дві частини і звести їх потім у місці спостереження. У такому разі в одній точці накладаються два промені від одного й того самого атома. Ці промені когерентні, тому за різниці ходу між ними

, (m = 1, 2, 3…)

виникає максимум освітленості (інтерференційний максимум).

Якщо виконується умова

,

виникає мінімум освітленості (інтерференційний мінімум).

Прикладом того, яким чином поділяється хвильовий фронт, а когерентні промені сходяться в певній точці, є біпризма Френеля. Вона являє собою дві однакові призми з малим заломлюючим кутом, з’єднані основами (рис. 5.1.1). Біпризму Френеля освітлюють за допомогою вузької щілини, краї якої паралельні ребру біпризми. З рис. 5.1.1 випливає, що внаслідок заломлення у біпризмі за нею поширюються дві циліндричні світлові хвилі, що неначе виходять з уявних зображень щілини та . Оскільки ці пучки утворюються з одного фронту, вони є когерентними, а тому там, де вони перекриваються (заштрихована ділянка), спостерігається інтерференція.

L

b

Для розрахунку параметрів інтерференційної картини (рис. 5.1.2) розглянемо промені S ₁О₁ та S ₂О₁, що попадають у точку О₁ екрана від кожного з джерел S ₁ та S ₂.

Якщо взяти до уваги, що , то з рис. 5.1.2 випливає, що оптична різниця ходу дорівнює:

, (5.1.1)

де – показник заломлення середовища.

Введемо позначення: S ₁ S ₂ = b, S О = L а OO₁ = d (рис. 5.1.2). Якщо різниця ходу становить ціле число довжин хвиль , тоді в точці О₁ на екрані буде спостерігатись інтерференційний максимум. Його координати для випадку спостереження в повітрі ():

, (5.1.2)

де – порядок інтерференційного максимуму, m = 1, 2, 3….

Інтерференційному мінімуму відповідає умова

. (5.1.3)

Шириною інтерференційної смуги називають відстань між сусідніми інтерференційними мінімумами:

. (5.1.4)

Таким чином, якщо відомі порядок інтерференційної смуги , відстань від неї до центра інтерференційної картини та відстань від щілини до екрана , то за відомої відстані між уявними джерелами відповідна довжина хвилі світла, що падає, становитиме:

. (5.1.5)

Величину можна виміряти за допомогою мікрометричної шкали окуляра.

Для визначення відстані b між уявними джерелами S ₁ та S ₂ пропонується скористатися лазером як джерелом світла з відомою довжиною хвилі червоного кольору l = 630 нм. Для цього лазерний промінь треба пропустити крізь біпризму Френеля. В результаті на екрані можна буде спостерігати не одну світлову пляму, а дві (рис. 5.1.3).

З рис. 5.1.3 внаслідок подібності трикутників ВОО₁ та S ₁O₁ S випливає, що:

. (5.1.6)

За відомими з досліду значеннями ОВ та OO₁ можна визначити , за значенням – відстань між уявними джерелами b. Величина b характеризує біпризму, тому вона одна й та сама і для випромінювання лазера, і для випромінювання лампи.

Для визначення довжини хвилі світла у видимому діапазоні в цій роботі використорують оптичну лаву (рис. 5.1.4), на якій розміщено послідовно: джерело світла D (лампочка), щілина C, біпризма Френеля BF, окулярний мікрометр OK. Екраном, на якому отримують зображення інтерференційної картинки, є сітківка ока спостерігача (рис. 5.1.4).

Дата добавления: 2015-05-24