Куб Лесли

Для демонстрации закона Кирхгофа (отношение излучательной способности тела к поглощательной способности есть величина постоянная) используется небольшая установка включающая в себя куб Лесли, термостолбик на подставке и гальванометр.

Куб Лесли[32], изобретенный в 1804 году, представляет собой полый куб из тонкого металлического листа, на две стенки которого нанесены черная и белая краска, третья стенка отполирована, а четвертая оставлена матовой (рис. 8.75).

Рис. 8.75. Куб Лесли.

Куб помещен на штативе и может вращаться вокруг вертикальной оси. Сверху куб имеет отверстие, куда во время демонстрации заливается кипящая вода.

Селеновый термостолбик находится в основании металлического конуса, который, как рупор, собирает излучение куба. С термостолбиком соединен обычный стрелочный гальванометр, изображение шкалы которого при необходимости передается веб-камерой на демонстрационный экран.

Во время демонстрации термостолбик размещается на расстоянии 30 – 60 см от куба Лесли. Отклонение стрелки гальванометра больше, когда куб ориентирован своей черной стороной к термостолбику.

Пропорциональность между излучательной и поглощательной способностями тела при тепловом излучении можно показать, нагревая кусок фарфора или фарфорового блюдца, привязанного к стальной проволоке. На поверхности фарфора должен быть темный рисунок на светлом фоне. Если нагретый фарфор быстро вынуть из нагревателя в затемненной аудитории, то рисунок на фарфоре будет ярко светиться на фоне слабого свечения неокрашенных частей фарфора. Но так как эти места фарфора больше излучают, то они больше остывают, и через некоторое время яркие места, наоборот, станут более темными, хотя весь образец еще светится.

Кстати, внутри нагревателя, заполненного равновесным тепловым излучением, рисунок вообще не будет выделяться на фоне однородно светящегося фарфора, что можно наблюдать через отверстие в нагревателе.

Вместо фарфора можно взять кусок мела и кусок угля.

[1] До недавнего времени явление это называлось полным внутренним отражением. Сейчас этот термин применяется реже и реже.

[2] В связи с этим уместно вспомнить, что в учебниках по физике полувековой давности

экспериментальная демонстрация полного внутреннего отражения сводилась к знаменитому опыту Тиндаля, в котором свет распространялся вдоль струи воды вытекающей из сосуда. Тогда примеров практического применения ПО было немного.

[3] Можно было бы, конечно, просто повернуть лазер вокруг оси на 45⁰, но, учитывая большие габариты и вес лазера ЛГ-75, сделать это во время лекционной демонстрации неудобно. Проще воспользоваться полуволновой пластинкой с осью, повернутой на угол 22,5⁰ относительно азимута падающего на нее света.

[4] Стенки этих призм изготовлены из листового оргстекла. В качестве наполнителя призм, помимо парафина, может использоваться любое другое размягчающееся под действием температуры вещество (смола, воск и т.п.).

[5] Можно также использовать телевизионную технику для регистрации сигнала рупорной антенны.

[6] Речь идет о полупроводниковых лазерах на основе гетероструктур, создателем которых является научная группа под руководством Нобелевского лауреата Ж.И.Алферова.

[7] Используется гелий-неоновый лазер на длине волны 0,63 мкм. Сейчас номенклатура лазеров значительно расширилась, и для демонстрации можно использовать и твердотельные, и полупроводниковые лазеры.

[8] Для визуализации световода его оболочка была частично разрушена с помощью мелкой наждачной бумаги.

[9] Такие большие мыльные пленки являются обязательным экспонатом интерактивных музеев занимательной науки, например, музея «Лабиринтум» в Санкт-Петербурге.

[10] Метод колец Ньютона до сих пор используется для определения радиусов кривизны линз.

[11] Во многих учебных пособиях, по-прежнему, показывают, как получить интерференцию с помощью обычного источника белого света. В этом случае в схеме интерферометра появляется толстая стеклянная пластина для согласования оптических плечей. В лазерном интерферометре эта пластина отсутствует.

[12] В перерыве между лекциями или прямо на лекции, если студентов немного, можно подвести их к установке и показать интерференционную картину непосредственно на экране.

[13] С некогерентным источником белого света эта демонстрация очень трудно осуществима.

[14] Слово «муар» французского происхождения. Так называют плотную шелковую ткань с волнообразным отливом.

[15] Это уже «настоящая» муаровая картина, однако подчеркнем, что такие картины – это только имитация интерференционных эффектов. Здесь нет сложения или вычитания колебаний, как это происходит при сложении колебательных движений осциллятора, в том числе с близкими частотами.

[16] Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1980, с. 280.

[17] Положение дифракционной картины определяется осью линзы и не зависит от поперечного смещения щелей.

[18] Хотя в данном случае мы имеем дело не с отверстиями (щелями), а с круглыми экранами (шариками), все рассмотренные особенности дифракции остаются в силе.

1 На первый взгляд схема липпмановской фотографии (рис. 8.46) и голографии Денисюка (рис. 8.47) очень похожи, что в свое время стало причиной непризнания отражательной голографии как самостоятельного направления когерентной оптики. Ю.Н.Денисюку даже не удалось защитить на эту тему докторскую диссертацию, хотя термин “голограммы Денисюка” был уже общепризнанным в мире. На самом деле легко видеть, что в липпмановской фотографии для получения цветного изображения и его регистрации глазом используется некогерентный свет, а частично отражающие слои в фотоэмульсии “кодируют” локальный цвет изображения, а не кривизну волнового фронта. Поэтому липпмановские фотографии не обладают эффектом объемности. В голографии Денисюка для получения голограммы применяются источники когерентного света (лазеры), иногда даже несколько таких источников, когда хотят получить цветную голограмму. В этом случае частично отражающие слои “кодируют” фазу объектной волны, а при восстановлении голограммы белым (некогерентным) светом изображение получается объемным.

[19] Некоторые насекомые, например, пчелы способны воспринимать состояние поляризации света и пользуются этим для ориентации в пространстве.

[20] Анализатор – это тот же поляризатор, но используемый не для получения, а для анализа поляризованного света.

[21] О магнитном векторе электромагнитной волны мы не говорим, так как его изменения жестко связаны с изменениями электрического вектора.

[22] Дихроичная среда по-разному пропускает свет с разной формой поляризации. Каждый поляризатор представляет собой тонкую дихроичную пленку диаметром 12 см, помещенную между двумя толстыми (~ 3 мм) стеклянными дисками, которые обеспечивают механическую прочность поляризатора.

[23] Все перемещения поляризаторов во время демонстрации требуют особой осторожности, чтобы не уронить и не разбить эти ценные и труднодоступные приборы.

[24] Можно несколько сместить верхний и нижний поляризаторы друг относительно друга. Тогда изменение интенсивности будет наблюдаться только в области пересечения изображений этих поляризаторов (рис. 8.54,в).

[25] Так что полную поляризацию отраженного света открыл не Брюстер, а Малюс, но Брюстер указал, как можно вычислить этот угол, зная показатель преломления.

[26] Это легко сделать, если прямо на поверхности поляризатора проведена тонкая линия, параллельная его оси пропускания. Такую линию можно провести краской, но ни в коем случае нельзя царапать поверхность поляроида.

[27] На рис. 8.62а полуволновая пластинка получена из двух четвертьволновых пластинок, положенных друг на друга так, что образовался крест. Это получилось случайно, так как в данном случае верхняя и нижняя пластинки имеют ортогональные направления осей наибольшей и наименьшей скорости. Если бы у нас были четвертьволновые пластинки с одинаковыми направлениями осей, то для получения полуволновой пластинки их надо было положить параллельно друг другу.

[28] В литературе фазовую анизотропию называют двулучепреломлением.

[29] Это означает, что оптическая ось перпендикулярна входной грани кристалла. Напомним, что тот же кварц, у которого оптическая ось расположена в плоскости входной грани, обладает линейной фазовой анизотропией.

[30] Начиная с этого места, мы будем использовать оптический термин «азимут поляризации», под которым понимают угол, который образует с каким-то выделенным направлением колебания электрического вектора в линейно поляризованной волне или, в более общем случае, большая ось поляризационного эллипса в эллиптически поляризованной волне.

[31] В перпендикулярном к магнитному полю направлении анизотропия вещества является линейной, следовательно, если свет поляризован линейно и азимут поляризации не совпадает с направлением магнитного поля, то при своем распространении свет становится эллиптически поляризованным, потом снова линейно поляризованным и т.д. Этот эффект называется эффектом Коттона-Мутона или эффектом Фогта.

[32] Джон Лесли (1766 – 1832) – шотландский физик-экспериментатор и математик, член Лондонского королевского общества. Положил начало количественному изучению лучеиспускательной и поглощательной способности тел.

Дата добавления: 2014-01-04