Файл: Лабораторная работа 1 измерение длины световой волны с помощью бипризмы френеля методические указания к лабораторной работе.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.03.2024
Просмотров: 32
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лабораторный вариант 02.02.2023
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Санкт-Петербургский горный университет»
Кафедра общей и технической физики
общая физика
Лабораторная работа №1
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ
Методические указания к лабораторной работе
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2023
Работа 1. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ
Теоретические сведения
Свет представляет собой электромагнитные волны. Как и всякие волны, световые волны могут интерферировать. Интерференцией света называется сложение световых пучков, ведущее к образованию светлых и темных полос, которые можно наблюдать визуально.
Если две световые волны придут в одну точку пространства в одинаковой фазе, они будут усиливать друг друга. В этой точке образуется светлый участок интерференционной картины. В тех же точках пространства, в которые волны приходят в противоположных фазах, они будут ослаблять друг друга и там будет темный участок.
Таким образом, результат интерференции зависит от разности фаз интерферирующих волн. Чтобы картина интерференции в каждой точке пространства не менялась со временем, необходимо, чтобы разность фаз оставалась постоянной. В противном случае, в каждой точке пространства волны будут то усиливать, то ослаблять друг друга, а глаз, воспринимая усредненную картину, не обнаружит интерференцию. Следовательно, наблюдать интерференционную картину можно лишь в том случае, если интерферирующие волны имеют одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
Источники света и испускаемые ими лучи, удовлетворяющие указанным требованиям, называются когерентными. Только когерентные источники света дают стабильную во времени интерференционную картину.
Рассмотрим интерференцию света от двух когерентных источников S1 и S2, расстояние между которыми равно d (рис.1).
Проведем перпендикулярно отрезку S1 S2 через его середину прямую OA. Возьмем точку P на прямой АВ и введем обозначения: а – длина отрезка OA, х – длина отрезка АР.
Тогда по теореме Пифагора
(1)где
и 
– пути, которые пройдут лучи света от источников 
и 
до точки 
, в которой наблюдается интерференция.Из уравнений (1) следует
или 
,откуда
,где
– оптическая разность хода между интерферирующими лучами.Если
и 
малы по сравнению с 
, то приближенно
и
.Если величина
равна нечетному числу полуволн, то световые волны придут в точку в противофазе и погасят друг друга, соответственно интенсивность в этой точке будет минимальной. Если равна четному числу полуволн, то световые волны придут в точку в одинаковых фазах и усилят друг друга – интенсивность будет максимальной.Условия минимума и максимума интенсивности имеют вид соответственно
где
; 
– длина волны.В точках
(k = 0; 1; 2, …) будут наблюдаться светлые участки интерференционной картины, а в точках 
(k = 0; 1; 2, …) – темные. В результате в плоскости АВ будут наблюдаться светлые и темные полосы.Расстояние между центрами соседних k-й и (k + 1)-й светлых полос, т.е. ширина интерференционной полосы
. (2)Такое же расстояние будет и между центрами темных полос.
Описание экспериментальной установки
Бипризма Френеля (рис.2) состоит из двух остроугольных призм, сложенных основаниями. Обычно обе призмы изготовляются из одного куска стекла и имеют очень малые преломляющие углы В и С. В сечении бипризма Френеля представляет собой равнобедренный треугольник с углом А при вершине, близким к 180.
С
вет от источника S (например, от узкой освещенной щели, перпендикулярной плоскости чертежа) падает на бипризму и преломляется в ней. В заштрихованной области за бипризмой преломленные пучки складываются, т.е. интерферируют, и образующуюся интерференционную картину, состоящую из светлых и темных полос можно наблюдать с помощью микроскопа. Все происходит так, будто интерферирующие пучки света исходят из точек 
и 
. В этих точках находятся мнимые источники, образованные действительным источником света 
. Эти два мнимых источника являются когерентными.И
змерив, расстояние 
между мнимыми источниками света и
, расстояние, а от мнимых источников света до плоскости наблюдения, а также расстояние между соседними полосами b, по формуле (2) можно вычислить длину волны
, испускаемую источником света.Схема рабочей установки (рис.3) включает источник света 1, щель 2, светофильтр 3, бипризму Френеля 4 и измерительный микроскоп 5. Щель и бипризма закреплены вместе на специальном рейтере. Для измерения расстояния между мнимыми источниками света d и расстояния от мнимых источников света до фокальной плоскости микроскопа а, на оптическую скамью между бипризмой и микроскопом устанавливают линзу L. В процессе измерения ширины интерференционной полосы линза не используется и удаляется с оптической скамьи.
Расстояние между светлыми полосами интерференции определяется измерительным микроскопом. Он укреплен в рейтере и может передвигаться микрометрическим винтом в направлении, перпендикулярном оптической оси.
Для точного измерения расстояний имеются вертикальные визирные штрихи, которые можно наблюдать в окуляре микроскопа одновременно с полосами интерференции. Окуляр должен быть сфокусирован по глазу наблюдателя так, чтобы штрихи были видны четко. Перемещая микроскоп с помощью микрометрического винта перпендикулярно оптической оси установки, определяют положение микроскопа по шкале. Цена деления основной шкалы - 1 мм, а шкалы барабана микрометрического винта - 0,01 мм.
Порядок выполнения работы
1. Включить источник света, переведя тумблер на блоке питания в положение «Вкл». В поле зрения микроскопа должны быть видны темные и светлые интерференционные полосы.
2. Навести микроскоп так, чтобы визирный штрих окуляра совместился с серединой крайней из отчетливо видимых справа светлых полос и записать отсчет по шкале и барабану микрометрического винта.
3. Передвинуть микроскоп до середины левой крайней светлой полосы, сосчитать число полос между ними (рис.4) и записать отсчет. Вычислить ширину одной полосы b как разность между двумя отсчетами, деленную на число полос.
4
. Повторить пп.2 и 3 четыре-пять раз и вычислить среднее значение b. Следует иметь в виду, что микрометрический винт может иметь некоторый люфт и при вращении его по часовой стрелке и против нее отсчеты могут не совпадать. Поэтому подводить штрих
к середине интерференционной полосы нужно всегда с одной стороны.
5. Результаты измерений записать в табл.1.
Таблица 1
| Номер измерения | Отсчет слева, мм | Отсчет справа, мм | Разность отсчетов, мм | Число полос | b, мм | ||
| 1 | | | | | | ||
| … | | | | | | ||
| 5 | | | | | | ||
| | | | | | | | |
| | | | | | bср = | ||
6. Для определения расстояния a между плоскостью расположения мнимых источников и фокальной плоскостью микроскопа установить на рельсе линзу
(на рис.3 линза обозначена пунктиром).7. Так как расстояние между щелью и микроскопом более чем в 4 раза превышает фокусное расстояние линзы, то существует два таких ее положения, при которых в окуляр микроскопа будут отчетливо видны изображения двух мнимых источников света в виде двух ярких полосок. Расстояния между этими изображениями для обоих положений линзы измерить так же, как и расстояние между интерференционными полосами. Кроме того, измерить и записать положения z1 и z2 линзы с помощью шкалы, расположенной на рельсе установки.
Для положения линзы, когда изображения мнимых источников увеличены, справедливо соотношение
, (3)где
– расстояние между изображениями мнимых источников, измеренное с помощью микроскопа. 
– расстояние от места расположения мнимых источников до линзы;