Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Полосы равной толщины. Кольца Ньютона.





ФИЗИКА

 

Часть III. Оптика. Волновая оптика, квантовая оптика.

Атомная и ядерная физика.

 

3.4 Лабораторный практикум

для студентов всех специальностей

очной, заочной и вечерней форм обучения.

 

 

Москва. 2001 г.

 

В В Е Д Е Н И Е

Свет представляет собой форму лучистой энергии, которая распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн с частотами, воспринимаемыми человеческим глазом, т.е. длинами волн приблизительно от 380 до 760 нм. Обычно, кроме видимой области, в понятие света включают примыкающие широкие области спектра электромагнитных волн - инфракрасную и ультрафиолетовую, изучаемые оптическими методами. Область спектра, включаемая в понятие света, не имеет строгих границ и принципиальных отличий от других областей спектра электромагнитных волн. Но именно в этом диапазоне длин волн начинает существенно проявляться квантовый характер электромагнитного излучения. В соответствии с двойственной квантово-волновой природой света существуют квантовый и волновой аспекты теории света, хотя принципиально в любом оптическом явлении сосуществуют как волновые, так и квантовые свойства. В одних явлениях проявляются волновые свойства света (в явлениях интерференции, дифракции), в других (фотоэффект, эффект Комптона, образование пар) проявляются квантовые свойства света. Представленные в этом лабораторном практикуме работы позволяют убедиться в наличии двойственной природы света.



 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23

Определение длины световой волны при помощи колец Ньютона

I. Краткая теория

I. Природа света

Свойства света еще в древней Греции привлекали к себе внимание ученых. Было отмечено два основных факта, характеризующих распространение света:

Прямолинейность распространения света.

Способность световых лучей не возмущать друг друга при пересечении.

Основным вопросом является вопрос о природе света. Только в XVII веке появляются первые отчетливо сформулированные точки зрения на природу света Ньютона (корпускулярная теория) и Гюйгенса (волновая теория).

Прямолинейность распространения света создала представление о свете как о потоке частиц (корпускул), вылетающих из источника света и движущихся в однородной среде прямолинейно и равномерно. Но такую гипотезу трудно согласовывать с фактом, что световые потоки при пересечении не возмущают друг друга.

Волновая теория света хорошо согласуется с явлением прохождения лучей друг через друга без возмущения. Но основная трудность, которую встречала волновая теория света, состояла в том, что было невозможно объяснить прямолинейность распространения света, т.к. волны при распространении огибают край преграды.

В 1865 г. Максвелл выдвинул гипотезу о том, что свет представляет собой электромагнитные волны. Теория об электромагнитной природе света оказалась очень плодотворной. Основываясь на трудах Гюйгенса, Юнга, Френеля, теория объяснила такие неясные явления, как интерференция, дифракция, прямолинейное распространение света и др. Успехи, достигнутые электромагнитной теорией света в объяснении многих оптических явлений, сделали эту теорию общепризнанной.

Но в дальнейшем выяснилось, что волновая теория не может объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веществом, такими, как некоторые стороны фотоэффекта, теплового излучения, линейчатых спектров и др. Изучение этих явлений привело к установлению квантовых (дискретных) свойств света и к созданию более углубленных представлений о природе света и строении атома.

По квантовой теории излучение и поглощение энергии происходит отдельными (дискретными) порциями, квантами. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте излучения e = hn, где h - постоянный множитель, получивший название постоянной Планка, n - частота излучения. Кванты света получили название ф о т о н о в.

Представление о квантах света как о своеобразных частицах, характеризуемых количеством энергии в них заключенной, обладающих массой и количеством движения - атрибутами, свойственными частицам, а не волнам, и в то же время определяемые длиной волны - атрибутом, свойственным волне, а не частице, оказалось необходимым для понимания многих закономерностей. Квантовые представления хорошо согласуются с законами излучения и поглощения света, с законами взаимодействия света и вещества. Но они не могут дать объяснения таким хорошо изученным явлениям, как интерференция, дифракция, поляризация света, хорошо объяснимые волновой теорией.

Все многообразие установленных в настоящее время свойств и законов распространения света и взаимодействия его с веществом показывает, что свет представляет собой сложное явление. В нем сочетаются противоречащие друг другу свойства движения волнового и квантового характера. Таким образом свет представляет собой пример диалектического единства противоположностей.

 

2. Основные понятия и закономерности волнового процесса.

Колебательным движением (колебанием) называется процесс, при котором система, многократно отклоняясь от своего состояния равновесия, каждый раз снова возвращается к нему. Если этот процесс совершается через равные периоды времени, то колебание называется п е р и о д и ч е с к и м. Наиболее простым и часто встречающимся случаем колебаний является гармоническое колебание.

Гармоническим колебательным движением называется такое колебательное движение, при котором ускорение прямо пропорционально смещению от положения равновесия и направлено к положению равновесия.

а = - w2 S. (1)

Возвращающая сила, при этом, также, пропорциональна смещению колеблющегося тела и направлена к положению равновесия.

Математически гармоническое колебательное движение описывается уравнением:

S = ASin (wt+α), (2)  

где:

S - смещение, т.е. отклонение колеблющейся величины от положения равновесия;

А - амплитуда, т.е. максимальное смещение (отклонение) от положения равновесия;

w - циклическая частота, w ;

T - период колебания-время одного полного колебания, т.е. время, по истечении которого процесс начинает повторяться;

n - частота колебаний, т.е. число колебаний в секунду;

t - время от начала отсчета времени;

j = wt + a - фаза колебания, т.е. величина, определяющая состояние колеблющейся системы в данный момент времени;

a - начальная фаза, т.е. величина определяющая состояние колеблющейся системы в начальный момент, при t = 0;

Графически гармоническое колебательное движение изображается синусоидой. На рис. I изображено колебание с начальной фазой a = (1) и начальной фазой a = 0(2). По оси ординат откладывается смещение колеблющейся величины от положения равновесия. По оси абсцисс откладывается либо время от начала колебания, либо фаза колебания, измеряемая радианами в долях p.

Фазы, отличающиеся на четное число p, называются одинаковыми; отличающиеся на нечетное число p противоположными.

Процесс распространения колебаний в окружающей среде называется в о л н о й. Возникают волны тогда, когда изменение состояния колеблющейся величины в каком-либо месте оказывает влияние на состояние этой величины в соседних точках.

Графически волна изображается также, как и колебание, т.е. синусоидой.

Если колебания происходят перпендикулярно направлению распространения колебаний, то волна называется п о п е р е ч н о й. Если колебания происходят вдоль направления распространения колебаний, то волна называется п р о д о л ь н ой.

Направление распространения волны называется л у ч о м.

Расстояние (по направлению распространения волны) между двумя соседними точками, которые колеблются в одной фазе, называется д л и н о й в о л н ы.

Длина волны l, период Т, частота n и скорость распространения волны u связаны зависимости:

u = l×n, l= u× T (3)

Скорость распространения волн зависит от свойств среды, в которой они распространяются.

Если колебание источника (вибратора), находящегося в точке 0 (рис. I), определяется уравнением S = А· Sin wt, то колебание точки М, находящейся на расстоянии c от вибратора, определяется уравнением:

S = А· Sin(wt-2p× ), (4)

которое называют уравнением б е г у щ е й в о л н ы. Вид уравнения показывает, что колебание точки М повторяет колебания точки 0, но сдвинуто по фазе на величину

a = -2p Важно отметить, что сдвиг фазы определяется не абсолютным значением величины c, а дробной часть отношения c и l, так как изменение фазы на величину кратную 2 p величины синуса не изменяется.

И н т е р ф е р е н ц и е й света называется сложение двух (или нескольких) световых волн одинакового периода, сходящихся в одной точке, в результате чего наблюдается увеличение или уменьшение амплитуды слагаемых волн.

Наш глаз увидит эффект при сложении световых волн, если этот эффект будет продолжаться достаточно долго. Это возможно в том случае, если слагаемые волны монохроматичны, т.е. имеют одинаковую частоту, и если разность фаз слагаемых колебаний достаточно для восприятия глазом (t » 0,1 сек.) остается постоянной. Колебания, имеющие постоянную разность фаз в течение большего промежутка времени, называются к о г е р е н т н ы м и. Лучи, распространяющиеся от двух независимых источников света, не будут когерентными, и при сложении их явление интерференции не наблюдается. Когерентные лучи можно получить только от одного источника. Для этого нужно каким-нибудь образом разделить один луч на два луча, а после прохождения различных путей, снова соединить их. Тогда разность фаз будет определяться разностью хода лучей и при постоянной разности хода тоже будут постоянной.

При сложении двух колебаний одинакового периода, совершающихся по одной прямой, амплитуда результирующего колебания определяется формулой:

А2 = А + А +2АI×А2×Cos j

где

АI и А2 - амплитуды слагаемых колебаний;

j - разность фаз слагаемых колебаний j = 2 p ;

l - длина волны;

l1 - l2 - разность хода волн от точки, где фазы их одинаковы.

Основной закон интерференции света состоит в следующем:

1. Условие максимума:

Если разность хода лучей равна четному числу полуволн, т. е. целому числу волн, l1 - l2 = 2 к , то Cos j = 1, А = АI + А2, и такие лучи при сложении усилят друг друга.

2. Условие минимума:

Если разность хода равна нечетному числу полуволн lI - l2 =(2к+1) , то Cos j = -1 и А = А1 - А2.

Следовательно, такие лучи ослабят друг друга, а при равенстве А1 = А2 полностью погасят друг друга.

Энергия колебательного движения пропорциональна квадрату амплитуды.

Из этого следует, что в местах усиления волн энергия результирующего колебания больше энергии слагаемых колебаний, а в местах ослабления волн энергия результирующего колебания меньше энергии слагаемых колебаний. При интерференции происходит п е р е р а с п р е д е л е н и е энергии волн в пространстве.

Как видим, в явлениях интерференции играет роль не геометрическое расстояние между двумя точками, а число световых волн, укладывающееся между этими точками. Именно это число, точнее дробная часть числа, определяет фазу суммарного колебания в рассматриваемой точке.

Так как при переходе из одной среды в другую скорость распространения света изменяется, а частота остается неизменной , то, вследствие соотношения u = ln, изменяется и длина волны. Если скорость света в вакууме с и длина волны l, скорость света в среде u, и длина волны l1, то из условия равенства частот получим:

или l = l1×

Отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде называют абсолютным показателем п р е л о м л е н и я среды.

= n и l = l1× n

Следовательно, длина волны в среде с показателем преломления n будет в n раз меньше чем в вакууме (или в воздухе). Число волн, укладывающихся на длине l в данной среде будет равно:

N = (6)

Произведение l× n называется о п т и ч е с к о й д л и н о й пути.

 

Цвета тонких пленок

В естественных условиях легко наблюдать интерференцию в тонких пленках.

Всем известны красивые радужные цвета, появляющиеся на поверхности мыльных пузырей, в тонких слоях масла или нефти, плавающих на поверхности воды, и в некоторых других случаях. Все эти явления имеют интерференционный характер и наблюдаются при отражении света от очень тонких слоев прозрачных и бесцветных веществ.

Пусть на тонкую пленку, например мыльную (рис. 2) с показателем преломления n, падают монохроматические лучи от источника света, в среде с показателем преломления n1. Предположим, что мы наблюдаем явление интерференции глазом, смотря на верхнюю поверхность пленки. На рис. 2 толщина d пленки сильно увеличена. Через какую-либо точку А на поверхности пленки от источника в глаз наблюдателя попадут два луча ОА и ОВ. Луч ОА попадает в глаз непосредственно после отражения от верхней поверхности. Луч ОВ, как видно на рис. 2, попадает в глаз после прохождения через пленку и отражения от ее нижней поверхности. В зависимости от величины разности фаз глаз увидит точку А светлой или темной. Найдем величину разности фаз в зависимости от угла падения и толщины пленки.

Если провести ВК перпендикулярно обоим лучам, то до точек В и К оба луча проходят одинаковые пути в одинаковых условиях и приходят в эти точки в одинаковой фазе. Начиная от этих точек, условия их распространения до точки А становятся различными. Луч ОА проходит отрезок КА в среде с показателем преломления n1, луч ОВ проходит путь ВС + СА в среде с показателем преломления n. За счет разности хода получается разность фаз. Величина разности фаз будет определяться разностью оптического хода лучей до точки А. Определим эту разность.

Оптический путь луча ОА равен КА × n1.

Оптический путь луча ОВ равен (ВС + СА) × n .

Оптическая разность хода равна их разности

d = n (ВС + СА) - КА × n1 ,

Из рис. 2 видно, что КА = ВА Sin a ;

ВА = 2 d tg b;

ВС = CА = .

По закону преломления или sin b =
×sin a

Подставляя эти значения в разность хода лучей, получим:

d = - 2 dn1tgbSina = × (n – n1 Sinb ( ( Sin a) =

= (n- )= =

 

После сокращения получим: d = 2 d

Для определения разности хода лучей в точке А необходимо учесть, что световые волны, как и всякие волны, отражаясь от оптически более плотной (n > n1) среды теряют «полволны», т.е. происходит и з м е н е н и е ф а з ы на противоположную. Если первой средой является воздух, то n1 = I и луч ОА будет терять полволны, т.к. он отражается от оптически более плотной среды. Следовательно, между лучами ОА и ОВ образуется дополнительная разность хода в полволны. Учитывая это получаем разность хода d, равной:

d = 2 d (8)

Когда толщина d и угол падения таковы, что указанная разность d хода лучей равна четному числу полуволн, то по условию максимума мы будем видеть в точке А свет, при нечетном числе полуволн по условию минимума - темноту. При изменении угла падения лучей интерференционная картина будет меняться.

До сих пор предполагалось, что источник испускает монохроматический свет, т. е . с одной длиной волны l . Если пленка освещается источником белого света, то в точке А мы будем видеть свет такого цвета, для длины волны которого осуществляется условие максимума, т. е. длина волны укладывается целое число раз в разности хода d . В точку А придут и другие лучи других длин волн , входящих в состав белого луча, но максимальную яркость будут иметь те лучи, длина волны l которых удовлетворяет условию максимума, т.е. укладывается целое число в разности хода, поэтому мы увидим и соответствующий l цвет.

Другой точке поверхности пленки, на которую падают белые лучи под другим углом, будет соответствовать другая разность хода, которая в свою очередь, будет составлять целое число других волн. Поэтому эта точка будет иметь другой цвет. Таким образом, пленка будет иметь радужную окраску. Если на пленку, имеющую во всех точках одинаковую толщину, падает пучок параллельных лучей белого света, то она вся будет окрашена в один цвет. Если угол падения изменить, а лучи оставить параллельными, то окраска пленки изменится, но опять она вся будет окрашена одним цветом. При освещении пучком параллельных лучей белого света, пленка будет иметь радужную окраску лишь в том случае, если толщина ее будет различна в разных точках, т.е. она не будет плоско-параллельной. Это используется как метод контроля равенства толщины тончайших пластинок из стекла, которые применяются в целом ряде очень точных оптических приборов.

Интерференционная картина будет наблюдаться и в проходящем свете. Но так как в проходящем свете нет потери полволны, то вся картина интерференции изменится на обратную: на месте светлых полос будут темные, на месте темных - светлые.

 

Таблица результатов вычисления длины волны

Радиус линзы R =

№ п/п Пары колец rm rk rm+rk rm-rk l×103 Dl×103
1-3 1-4 2-4 2-5 3-5            

 

lср = ; Dlсз = ;

e = =

Окончательный результат: l = e =

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 24

Определение длины волны при помощи дифракционной решетки

I. Краткая теория

1. Дифракция света

Развитие оптики вплоть до начала XX века базировалось в основном, на представлении о прямолинейности распространения света. Но уже в XVII веке были известны факты, указывающие на отступление от закона прямолинейного распространения. Это бывает в следующих случаях: когда луч света проходит через малое отверстие в непрозрачном экране; если на пути луча находится малое непрозрачное тело и если свет проходит около края непрозрачного предмета.

Если пучок параллельных лучей света встречает на своем пути непрозрачное круглое тело, то при достаточно малых размерах тела на экране, в середине геометрической тени, будет заметно с в е т л о е пятно в центре чередующихся темных и светлых колец. Это указывает на то, что свет распространяется и в область геометрической тени.

Если же пучок параллельных лучей света пропустить через достаточно малое круглое отверстие, то на экране, начиная с некоторого расстояния, по мере изменения расстояния между отверстием и экраном, будет появляться то с в е т л о е пятно, то т е м н о е пятно в центре чередующихся темных и светлых колец, диаметр которых значительно больше диаметра отверстия. Свет здесь распространяется в область геометрической тени.

Явление отклонения света от прямолинейного распространения в однородной среде, выражающееся в распространении света в область геометрической тени, называется д и ф р а к ц и е й света.

Дифракция света показывает, что законы геометрической оптики, базирующиеся на законе прямолинейности распространения света, так же как и ряд других законов физики, оказываются справедливыми только в известных условиях.

Принцип Гюйгенса

Направление распространения света в области геометрической тени можно определить при помощи метода, получившего название принцип Гюйгенса, который объясняет механизм передачи волнового процесса (рис.1а). Гюйгенс рассматривал распространение световых волн как последовательное возмущение точек среды, в которой распространяется свет. По принципу Гюйгенса каждая точка волновой поверхности (фронта волны) является самостоятельным источником вторичных элементарных сферических волн. Поверхность, огибающая эти вторичные волны, является новой волновой поверхностью (фронтом волны). В изотропной среде световые лучи являются нормалями волновой поверхности.

Но принцип Гюйгенса позволил решать задачи распространения светового фронта, не отвечая на вопрос об интенсивности волн, идущих по разным направлениям. Оставался нерешенным и вопрос о прямолинейности распространения света. Эти недостатки принципа Гюйгенса устранил Френель, который дополнил принцип Гюйгенса идеей интерференции волн.

 

3. Принцип Гюйгенса - Френеля

Огибающая поверхность вторичных элементарных волн Гюйгенса рассматривается Френелем как поверхность, где вследствие взаимной интерференции элементарных волн результирующая волна имеет заметную интенсивность. При определении интенсивности (амплитуды) результирующей волны Френель предложил рассматривать поверхность фронта волны S как светящуюся поверхность. Излучение отдельных элементов dS поверхности S (рис. 1а) приходя в точку Е определяет своей совокупностью интенсивность излучения в этой точке. Так как фазы всех источников dS определяются излучением, идущим из точки О, то они будут когерентными и при сложении в точке Е будут интерферировать. Для вычисления интенсивности результирующей волны Френель предложил следующий прием, получивший название метода зон Френеля.

 

Метод зон Френеля

Соединим источник света О с рассматриваемой точкой М (рис.1б), разбиваем поверхность SS фронта волн на зоны такого размера, чтобы расстояние l от краев зоны до М отличались на полволны, т.е. радиусами:

l0 = в; l1 = в + ; l2 = в + 2 ; l3 = в + ... ln = в + .

Если пренебречь малыми величинами второго порядка, то площади каждой полученной зоны будут одинаковыми и равны

DS = , а радиусn-ой зоны (1)  

При этом необходимо учитывать следующие обстоятельства:

1. По мере удаления от центра С нормаль к волновой поверхности составляет все больший угол с направлением СМ и вследствие этого действие удаленных зон будет мало эффективным.

2. При построении зон по методу Френеля соответствующие точки двух соседних зон будут отличатся по фазе на p и при интерференции в точке М будут гасить друг друга.

Математические вычисления показывают, что действие безграничной световой поверхности S в точке М сводится к эквивалентному действию половины одной центральной зоны. Этим и объясняется прямолинейность распространения света.

Вопрос о том, что будет наблюдаться в точке М, максимум или минимум интенсивности от света, проходящего через отверстие SS, решается числом зон Френеля, которые укладываются в отверстии.

1. Если число зон будет четное, то зоны попарно погасят друг друга и в точке М будет минимум интенсивности.

2. Если число зон Френеля будет нечетное, то парные зоны погасят друг друга, а одна зона остается не погашенной и даст максимум интенсивности.

Дифракцию света, наблюдаемую от сферических волн, т.е. в случае, когда источник света находится на конечном расстоянии R, называют дифракцией Френеля.

Дифракцию света, наблюдаемую от параллельных лучей, т.е. в случае, когда источник света находится в бесконечности и фронт волны плоский, называют дифракцией Фраунгофера.

Если фронт волны плоский, то R = и площади DSi, будут равны DS = pbl, а радиусn-ой зоны Френеля

rn = (2)

 

Дифракционная решетка

Для получения ярких дифракционных спектров применяются дифракционные решетки. Дифракционная решетка представляет собою совокупность большого числа узких параллельных щелей одинаковой ширины, расположенных на равных расстояниях друг от друга. Простейшим примером дифракционной решетки является стеклянная пластинка, на которой делительной машиной нанесен ряд параллельных штрихов. Места, прочерченные машиной являются практически непрозрачными промежутками. Неповрежденные части пластинки играют роль щелей.

Рассмотрим дифракционную картину, даваемую решеткой. Картина дифракционных максимумов и минимумов, даваемых одной щелью, не зависит от положения щели, т.е. если щель переместить параллельно самой себе, то параллельно переместится и вся дифракционная картина. Поэтому, если в пластинке проделаны одинаковые параллельные щели (рис.4), то они дадут одинаковые дифракционные картины. Если на пути лучей, распространяющихся от щелей решетки, поместить линзу, а в фокальной плоскости линзы экран, то на экране в одну точку соберутся все параллельные лучи, идущие под одним и тем же углом j к нормали.

Лучи идущие под другим углом, соберутся в другой точке. Освещенность каждой точки экрана будет зависеть как от интенсивности света, даваемого каждой щелью в отдельности, так и от результата интерференции лучей, прошедших через равные щели. В тех местах, где каждая из щелей дает минимум, будет минимум и при нескольких щелях. Но в тех местах, где каждая из щелей дает свет, не обязательно будет свет и при нескольких щелях. В некоторых направлениях лучи света, прошедшие через разные щели, могут вследствие интерференции гасить друг друга и давать д о б а в о ч н ы е , к даваемым каждой щелью, минимумы. Точно также в других направлениях лучи, складываясь, могут усиливать друг друга, давать максимумы.

Обозначим на рис. 4 ширину щели АВ = а, ширину непрозрачного промежутка ВС = в. Расстояние а + в = с называют п е р и о д о м решетки или п о с т о я н н о й решетки.

В направлении нормали лучи идут в одинаковой фазе и при сложении (на рис.4 линза не показана) усилят друг друга, дадут светлую полоску, которую называют нулевым максимумом.

Возьмем лучи., распространяющиеся от щелей под некоторым углом j к нормали, и проведем линию АР перпендикулярно к направлению лучей. От этой линии до экрана лучи, распространяющиеся от щелей, будут проходить одинаковые расстояния. Но до этой линии пути, пройденные лучами, различны. Разность хода лучей, идущих от соответственных точек соседних щелей, т.е. лучей, начинающихся у тождественных точек равна:

d = РС = АС × Sin j = с Sin j (6)

На рис. 4 ряд таких соответственных точек показан стрелками.

Если разность хода d равна целому числу волн, т. е. четному числу полуволн, то все лучи, идущие от одной щели, будут при сложении усиливаться лучами, идущими от с о о т в е т с в е н н ы х точек соседних щелей и в направлении, определяемом равенством:

с Sin j = 2k или Sin j = , (7)

мы увидим светлую полоску, максимум. Величина к, равная любому целому числу начиная с 1, показывает порядок максимума. Из этого равенства следует, что положение максимумов не зависит от числа щелей решетки, а зависит только от длины волны падающего света и постоянной решетки.

Если разность хода d будет равна нечетному числу полуволн, то все лучи щели при сложении погасятся лучами, идущими от с о о т в е т с в е н н ы х точек соседних щелей. В направлении определяемом равенством

с Sin j = (2 k + 1) , или Sin j = , (8)

мы увидим темную полоску, добавочный минимум.

Из формулы (7) следует, что лучи различной длины волны будут иметь максимум в различных направлениях. Поэтому, если на дифракционную решетку падает белый луч, то решетка разложит его, и на экране мы увидим дифракционный спектр, обращенный к центральной полосе фиолетовой линией.

Дифракционная решетка находит большое применение в спектральном анализе, обладая рядом преимуществ по сравнению с призматическим спектрографом. Разрешающая способность спектрографов с дифракционной решеткой выше чем у спектрографов призматических. Для определения длины волны достаточно знать период решетки и расстояние от решетки до экрана, предварительной градуировки спектрометра не требуется.

Дифракционной решеткой может служить прозрачная жидкость или газ, в которых распространяется ультразвуковые волны. В этом случае по дифракционной картине можно определить длину ультразвуковых волн и скорость их распространения. Дифракция рентгеновских лучей при прохождении через кристалл позволяет определить структуру кристалла.

 

 

Часть I

В первой части работы определяют постоянную дифракционной решетки по известной длине волны света, получаемого от монохроматического источника света,

Для определения постоянной решетки С поступают следующим образом:

1. Включают лазерную установку 1 (l = 0,636 мкм). Рис.5

2. На пути лазерного луча устанавливают дифракционную решетку Д (в положение 3). На экране появится дифракционный спектр от монохроматического источника света: в центре яркое красное пятно (нулевой максимум), а по обе стороны от него - убывающие по интенсивности максимумы 1-го, 2-го, 3-го и т.д. порядка.

3. Устанавливают дифракционную решетку на заданном расстоянии h от экрана э. Расстояние измеряют по линейке 4.

4. Измеряют l1 - расстояние между центрами максимумов 1-го порядка, симметричных относительно нулевого максимума. Затем измеряют l2 - расстояние между центрами максимумов 2-го порядка.

Из формулы (7) определяют значение постоянной решетки С, используя данные для спектра 1-го порядка: k = 1, Sin j1 = l1/2h, см. (рис. 5.) Вследствие малости угла j1 можно положить Sin j1 » tg j1.

Затем определяют значение постоянной решетки (С’’), используя данные для спектра 2-го порядка: k = 2, Sin j2 = l2/2h.

Все измерения выполняют два раза для двух значений h, заданных преподавателем. Найденные значения С для двух значений h заносят в протокол и вычисляют среднее значение постоянной решетки и погрешность измерения.

Часть II

Во второй части работы определяют длину волны одной из линий спектра белого света. Спектр создается с помощью дифракционной решетки. Используют значение постоянной решетки С, полученное в первой части работы. Формула измерений в этом случае имеет вид:

l = (9)

Для определения l поступают следующим образом:

1. Включают источник белого света - проекционный фонарь (2 на рис.5). Между конденсором и объективом проекционного фонаря вставляется непрозрачная пластинка с узкой щелью. Перемещением объектива проекционного фонаря, добиваются того, что на экране будет видно отчетливое изображение щели.

2. На пути пучка белого света на заданном расстоянии от экрана ставят дифракционную решетку Д (в положение 31 на рис. 5). На экране появится яркий дифракционный спектр белого света, обращенный к центру картины фиолетовым цветом (см. Рис.6).

3. Измеряют расстояние между одинаковыми линиями спектра 1-го порядка l1 (цвет линий задает преподаватель). Затем измеряют l2 - расстояние между такими же линиями в спектре 2-го порядка.

По формуле (9) определяют l1 (k = 1, Sin j1 = ) и l2 (k = 2, Sin j2 = l2/2h) для двух значений h.

4. Найдя значения l1 и l2 для спектра 1-го и 2-го порядка, вычисляют среднее значение длины волны и погрешность измерения.

 

Таблица результатов измерения

Длина волны крайних красных лучей 0,76 мкм

определение С определение l
h l C h l l Dl
               
               
               
               

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 25

Изучение явления поляризации света

I. Краткая теория

Основные определения

Свет представляет собой электромагнитные колебания, распространяющиеся в виде электромагнитных волн. Электромагнитная волна характеризуется двумя периодически изменяющимися векторами: вектором напряженности электрического поля Е и вектором напряженности магнитного поля Н. Векторы Е и Н расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях и колеблются в одинаковых фазах. Колебания этих векторов в изотропной среде происходят в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения колебаний - к лучу. Поэтому электромагнитные волны относятся к типу поперечных волн.

В большинстве случаев воздействия световых волн (такие как физиологические и фотохимические воздействия, люминесценция, фотоэффект, и т.д.) определяются вектором напряженности электрического поля, вектором Е.

Это положение легко понять, если рассматривать явление с точки зрения электронных представлений. Большинство явлений, наблюдаемых в веществе под действием света, связаны с воздействием на электроны. А так как электроны представляют собой электрические заряды, то сила, действующая на них, определяется в первую очередь электрическим полем, т.е. электрическим вектором электромагнитной волны, вектором Е. Магнитный вектор, вектор Н, играет лишь второстепенную роль и действие его непосредственно почти не сказывается. В соответствии с этим электрический вектор электромагнитной волны, вектор Е, называют с в е т о в ы м вектором. Поэтому в дальнейшем, говоря о колебаниях в с в е т о в о м л у ч е, мы всегда будем понимать под ними колебания вектора Е, который будем называть световым вектором. Если в световой волне колебания вектора напряженности электрического поля, вектора Е, происходят по всевозможным направлениям в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения (к лучу), то свет называется е с т е с т в е н н ы м. Если колебания вектора Е происходят только в о д н о м н а п р а в л е н и и, перпендикулярном лучу, то свет называется п о л я р и з о в а н н ы м. Плоскость, проходящая через направление колебаний вектора Е и через луч (рис. 1, плоскость А), называется плоскостью к о л е б а н и й вектора Е. Если колебания в каком-либо направлении ослаблены, то свет называется частично поляризованным.

Прибор, превращающий естественный свет в поляризованный, называется п о л я р и з а т о р о м, а прибор определяющий направление колебаний (гасящий поляризованную волну) называется а н а л и з а т о р о м.

Рассмотрим механическую аналогию поляризации света.







ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2022 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.