Описание установки. Порядок выполнения лабораторной работы 16

Порядок выполнения лабораторной работы 16

В данной лабораторной работе показатель преломления и, соответственно, скорость света в веществе измеряются по сдвигу фазы световой волны, прошедшей различные оптические пути. Экспериментальная схема установки представлена на рис. 16.7.

Рис. 16.7 Экспериментальная установка для измерения скорости света

Под номером 6 указан блок для излучения, модуляции и приема излучения с длиной волны l = 0.65 мкм и относящиеся к нему линзы. Осциллограф 1 позволяет измерять изменение фазы света, прошедшего различные оптические пути (с прозрачными средами и без них), 2 – блок синтетической смолы, 4 – размеченная станина для измерения геометрической длины пути луча, 5 – горизонтальный сосуд с водой, 6 – система отражающих зеркал.

Модуляция – процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания. Частотная модуляция (ЧМ) – вид аналоговой модуляции, при котором информационных сигнал управляет частотой несущего колебания, при этом амплитуда остается постоянной.

Измерение скорости света в воздухе поясняет рис. 16.8. Сначала при каком-то положении отражающих зеркал синхронизуют фазы сигнала на входе и выходе оптической схемы, а затем отодвигают зеркала на расстояние ∆ x до тех пор, пока не появится сдвиг фаз на π из-за увеличения оптической длины пути на ∆ l = 2∆ x.

Рис. 16.8 Отодвигание зеркал при измерении скорости света в воздухе

Чтобы пройти это расстояние свету потребуется время

где f= 50,1 МГц – частота модуляции светового сигнала.

Таким образом, скорость света в воздухе можно считать по формуле

. (16.2)

Скорость света в воде и синтетической смоле определяется по сравнению со скоростью света в воздухе, что поясняет рис. 16.9.

Рис. 16.9 Измерение скорости света в прозрачных средах

Первое измерение x ₁ местоположения отражающих зеркал проводится со средой, при этом синхронизуются фазы модулированного светового сигнала на входе и выходе оптической схемы. В первом измерении свету для похождения всего оптического пути понадобится время t ₁

,

где l ₁=2 x ₁ – оптическая длина пути без среды, l _m – геометрическая длина прозрачной среды, с – скорость света в воздухе, v – скорость света в среде.

После извлечения прозрачной среды будет некоторое опережение фазы на выходе схемы, так как оптическая длина пути уменьшилась. При отодвигании зеркал на некоторое расстояние ∆ х ₁ (второе измерение) можно компенсировать эту разность фаз за счет увеличения длины пути и снова добиться синфазности сигналов. При втором измерении (без среды) свет проходит расстояние l ₂

l ₂= l ₁+2∆ x _1.

При этом, ему понадобится время t ₂:

r wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>">

Так как фазы передатчика и приемника синхронизированы, то

,

где k =0,1,2,3…, где k – номер положения, при котором t ₁= t ₂ и j ₁= j ₂=0, т.е. одинакова частота и фаза.

Значение скорости света в среде равна:

. (16.3)

Показатель преломления среды можно рассчитать по формуле:

. (16.4)

Задание 16.1 Измерение скорости света в воздухе

1. Установите систему отражающих зеркал 3 на минимальном расстоянии от светоизлучающего блока с линзами. Это положение должно соответствовать нулевому делению на станине 4.

2. При помощи ручки на лицевой поверхности блока 6 добейтесь по осциллографу синфазности выходящего и принимаемого сигнала (рис.17.4).

3. Отодвигайте систему отражающих зеркал, при этом на экране осциллографа будет появляться эллипс (см. рис. 15.5).

Далее отодвигайте систему отражающих зеркал до тех пор, пока фаза принимаемого сигнала по осциллографу относительно излучаемого не изменится на π см.рис. (17.4).

4. Запишите, какому расстоянию ∆x по станине соответствует это положение зеркал.

5. Повторите измерения 5–7 раз.

6. Рассчитайте по формуле 16.2 скорость света в воздухе, сравните с известным значением.

Задание 16.2 Измерение скорости света в прозрачных средах

1. Отодвиньте систему зеркал 3 и поместите между ними и излучающим блоком 6 на специальные подставки сосуд с водой.

2. При каком-то положении зеркал добейтесь по осциллографу синфазности входного и выходного сигнала. Запишите, какой длине x ₁ по станине соответствует это положение.

3. Извлеките сосуд с водой из оптической схемы. По осциллографу убедитесь, что теперь сигнал с выхода приходит раньше, чем в предыдущем случае.

4. Отодвигайте систему зеркал 3 из первоначального положения до тех пор, пока фазы входного и выходного сигнала по осциллографу опять не совпадут, как первоначально при наличии воды.

5. Запишите, какому расстоянию ∆ x по станине соответствует это положение зеркал.

6. Повторите измерения 5–7 раз.

7. Пункты 1–5 повторите для синтетической смолы.

8. Рассчитайте по формуле 16.3 скорость света в воде и синтетической смоле и по формуле 16.4 соответствующие им показатели преломления. Сравните полученные значения с табличными.

Контрольные вопросы к лабораторной работе 16

1. Сформулируйте физический смысл скорости света.

2. Физический смысл показателя преломления среды.

3. Чем отличается оптический путь от геометрического пути?

4. Какова связь между длиной волны, скоростью распространения света и частотой?

5. Каким образом измерил скорость света Рёмер, Физо?

6. Фигуры Лиссажу. Математическое выражение для кривой Лиссажу.

7. Перечислите основные элементы экспериментальной установки.

8. Какой метод положен в основу измерения скорости света?

9. Какой параметр остается постоянным при переходе из одной среды в другую?

10. Какими тремя векторами характеризуется свет как электромагнитная волна?

11. Какие методы определения показателя преломления среды Вы знаете?

Рекомендуемая литература: [1], [4], [11], [12], [14].

Дата добавления: 2015-06-04