Файл: Определение длины световой волны при помощи бипризмы френеля (Лабораторная работа 64).doc

Цель работы: Изучить явление интерференции.
Пусть две волны одинаковой частоты, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке пространства колебания одинакового направления:

где

– амплитуды колебаний, м;

– частота колебаний, с^-1,

– начальные фазы колебаний, рад.

Амплитуда результирующего колебания в данной точке определяется из выражения:

,

где

- разность фаз,

.

Соответственно интенсивность результирующего колебания равна:

.

Если разность фаз (

) возбуждаемых колебаний остаётся постоянной во времени, то волны называются когерентными. У когерентных волн частоты колебаний одинаковы:

.

Для некогерентных вол

непрерывно меняется. При наложении когерентных световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних местах возникают максимумы, в других – минимумы интенсивности. Это явление называется интерференцией.

Источники, излучающие когерентные волны, тоже называются когерентными. В природе таких источников не существует, но когерентные световые волны можно получить, если разделить волну, излучаемую одним источником, на две части. Если заставить эти

волны пройти разные оптические пути, а затем наложить их друг на друга, можно наблюдать интерференцию света.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

нашей работе когерентные волны получаются с помощью бипризмы Френеля. Изготовленные из одного куска стекла две призмы с малым преломляющим углом

имеют общее основание (рис. 17.1). Лучи от источника

дважды испытывают преломление на гранях призмы. Когерентными источниками являются мнимые источники

, лежащие на пересечении прошедших сквозь призму лучей 1 и 2, 3 и 4.

В пространстве за бипризмой будет наблюдаться интерференционная картина, локализованная во всей области пересечения пучков 1 - 2, 3 - 4. При наблюдении в белом свете наблюдается картина из разноцветных полос, в монохроматическом – чередовании тёмных и светлых полос данного цвета. Расстояние между полосами можно определить из следующих соображений. Рассмотрим ход лучей от двух когерентных источников (рис. 17.2). Пусть

– два когерентных источника света, расстояние (

) между которыми мало по сравнению с расстоянием (

) до экрана. В точке

находится центральная светлая полоса.

Расстояние k-й светлой полосы от центральной, равное

, определяется из условия:

,

где

– длина волны монохроматического света

;

.

Положение темных полос определяется условием:

. Легко видеть, что расстояние между двумя соседними светлыми или тёмными полосами равно:

;

,

откуда:

. (17.1)

Установка для определения длины световой волны при помощи бипризмы Френеля собирается на оптической скамье (рис. 17.3). Все приборы могут свободно передвигаться вдоль оптической скамьи и неподвижно закрепляться на ней. Ребро бипризмы должно быть строго параллельно щели.

На скамье расположены: осветитель

, светофильтр

, щель

, бипризма Френеля

, собирающая линза

, экран

, окулярный микрометр

.

Размеры щели можно изменять с помощью специального винта. Расстояние между щелью и бипризмой во время опыта должно оставаться постоянным. Все приборы установки: окно осветителя, середина щели, бипризма и окулярный микрометр – должны быть установлены на одной высоте.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание: определить длину световой волны монохроматического света с помощью бипризмы Френеля.

Все величины, полученные в результате измерений и вычислений, внесите в протокол измерений в соответствии с порядком работы и формой протокола.

Для вычисления длины световой волны необходимо определить расстояние между мнимыми источниками (

), расстояние от источника до экрана (

), расстояние между соседними темными полосами (

). Для этого следует выполнить следующие операции:

Снимите со скамьи линзу и экран. Сделав щель достаточно узкой при помощи винта, слегка поворачивайте её или бипризму около горизонтальной оси, добиваясь, чтобы щель стала параллельной ребру бипризмы. При такой установке интерференционная картина будет наиболее отчетливой. Изменяя ширину щели и передвигая микроскоп вдоль оптической скамьи, добейтесь, чтобы интерференционные полосы были яркими при достаточно большом расстоянии между ними.

После нахождения интерференционной картины щель и бипризму закрепите и не меняйте их положения в течение всего эксперимента.

Установите светофильтр и с помощью отсчетной шкалы окулярного микроскопа определите расстояние ( ) между крайними темными полосами, то есть ширину всей картины интерференции: , где – показания микрометра соответствующие крайним полосам интерференционной картины. Подсчитайте число ( ) всех темных полос и определите расстояние между двумя темными интерференционными полосами по формуле:
Измерьте расстояние ( ) от щели до окуляра микроскопа. Результаты измерений занесите в таблицу результатов измерений.
Для определения расстояния ( ) между мнимыми источниками поместите на оптическую скамью между бипризмой и микроскопом линзу (см. рис. 17.3). Перемещая линзу и экран, добейтесь отчетливого появления на бумаге двух изображений щели (должны быть видны две яркие полоски).
Закрепите все части установки и измерьте с помощью масштабной линейки расстояние (см. рис. 17.3) между щелью и линзой ( ) и между линзой и экраном ( ). Результаты запишите в таблицу результатов измерений.
К экрану придвиньте вплотную микроскоп, а между щелью и осветителем поставьте светофильтр. Затем уберите экран и с помощью отсчетного микроскопа определите расстояние между изображениями мнимых источников и по формуле: , где и – показания отсчетного микроскопа для каждого из мнимых источников. Результаты занесите в таблицу результатов измерений.
Используя формулу увеличения линзы, найдите истинное расстояние d₀ между мнимыми источниками и : .
По формуле 17.1 вычислите длину волны . Сравните с длиной волны красного цвета шкалы световых волн.