- •Изучение явления интерференции
- •Теоретическое введение
- •Описание установки
- •Порядок выполнения работы
- •Теоретический минимум
- •Контрольные вопросы
- •Изучение явления дифракции света
- •Теоретическое введение
- •Контрольные вопросы
- •Изучение поляризованного света
- •Теоретическое введение
- •Контрольные вопросы
Воронежский государственный технический университет
Учебно-лабораторный центр кафедр
общей физики
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторному практикуму по волновой оптике
для студентов всех специальностей очной
формы обучения
Воронеж 2006
Составители: канд. физ.мат. наук А.Г. Москаленко, канд. физ.мат. наук Н.В. Матовых, канд. физ.мат. наук, А.Ф. Татаренков, канд. физ.мат. наук Т.С.Тимошенко, канд. физ.мат. наук. Шестаков О.А., канд. физ.мат. наук Евсюков В.А.
УДК 531.07
Методические указания к лабораторному практикуму по волновой оптике для студентов всех специальностей и всех форм обучения / Воронеж. гос. техн. ун-т; Сост. А.Г. Москаленко, Н.В. Матовых, А.Ф. Татаренков, Т.С.Тимошенко, Шестаков О.А., Евсюков В.А., Воронеж, 2005. с.
Методические указания содержат краткий теоретический материал и описание лабораторных работ по ядерной физики, выполняемых в учебных лабораториях ВГТУ. Пособие предназначено для студентов технического профиля второго курса всех специальностей очной формы обучения.
Ил. . Библиогр. назв.
Рецензент док. физ.-мат. наук, профессор А.В. Бугаков.
Ответственный за выпуск зав. кафедрой ОФРЭП,
канд. физ.-мат. наук, профессор В.М. Федоров
Печатается по решению редакционно-издательского
совета Воронежского государственного технического университета
©ГОУВПО «Воронежский государственный
технический университет», 2006
Лабораторная работа №1
Изучение явления интерференции
Цель работы:изучение интерференции света на тонкой пленке методом колец Ньютона, определение длины световой волны и радиуса кривизны линзы.
Принадлежности:установка для наблюдения колец Ньютона, источник света, светофильтры.
Теоретическое введение
Интерференция света – явление наложения когерентных световых волн, в результате которого происходит перераспределение светового потока в пространстве (возникновение максимумов и минимумов интенсивности света). Когерентные волны – волны одинаковой частоты, разность фаз которых остается постоянной во времени, а плоскости колебаний световых векторов совпадают.
Естественные источники света не являются когерентными, поскольку излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых многими атомами. Отдельные атомы излучают цуги волн длительностью порядка 10-8с и протяженностью около трех метров. Эти цуги, налагаясь друг на друга, образуют световую волну. Фаза световой волны изменяется с течением времени, поскольку излучение одной группы атомов сменяется излучением другой. Время, за которое случайные изменения фазы в световой волне достигают значения π, называют временем когерентности. За это время волна становится некогерентной к самой себе.
Для осуществления когерентности необходимо разделить один и тот же световой пучок на два и заставить их встретиться снова так, чтобы оптическая разность хода между интерферирующими лучами была меньше длины когерентности.
В зависимости от способа разбиения пучка на два существует два разных метода получения когерентных «источников»: метод деления волнового фронта и метод деления амплитуды. В методе деления волнового фронта, который пригоден только для достаточно малых источников, исходящий от источника пучок делится на два: либо проходя через два близко расположенных отверстия, либо отражаясь от зеркальных или полупрозрачных поверхностей (метод Юнга, бизеркала Френеля, бипризма Френеля, билинза Бийе, зеркало Ллойда и др.). Во втором методе, который пригоден как для малого, так и протяженного источников, световой пучок делится путем прохождения и отражения от полупрозрачной поверхности (интерференция от плоскопараллельной пластинки – полосы равного наклона, интерференция от пластинки переменной толщины – полосы равной толщины).
Оптическим путем называется произведение показателя преломления среды nна геометрическую длину путиSв данной среде:
(1)
Разность оптических длин, проходимых световыми волнами, называется оптической разностью хода:
(2)
Разность фаз налагаемых световых волн связана с их оптической разностью хода соотношением
(3)
где λ0– длина волны в вакууме.
Из этого соотношения следует, что если оптическая разность хода равна четному числу полуволн или целому числу длин волн в вакууме
(4)
то разность фаз δ оказывается кратной 2π, лучи в точку наблюдения приходят в одной фазе и амплитуда суммарной волны увеличивается, следовательно, соотношение (4) определяет условие интерференционного максимума.
Если ∆ равна нечетному числу полуволн в вакууме,
(5)
то так что колебания в точку наблюдения приходят в противофазе и гасят друг друга. Следовательно, условие (5) есть условиеинтерференционного минимума.
Интерференционную картину полос равной толщины можно наблюдать от воздушной прослойки, образованной плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой (рис. 1).
Рис.1.
При нормальном падении света, геометрическим местом точек одинаковой толщины является окружность, и поэтому соответствующие полосы равной толщины будут иметь вид концентрических окружностей с центром в точке
соприкосновения линзы с плоскопараллельной пластинкой. Отраженные от линзы и плоскопараллельной пластины лучи 1 и 2 распространяются практически вдоль одного направления. Их оптическая разность хода
(6)
где d– толщина воздушной прослойки, слагаемое λ∕2 учитывает изменение фазы волны на противоположную (потеря полуволны) при отражении от оптически более плотной среды (от плоскопараллельной пластинки).
Условия максимумов и минимумов интерференции для колец Ньютона имеют вид:
(максимум); (7)
(минимум), (8)
где k=0,1,2,3…- порядок интерференционного максимума и минимума (очевидно, максимума 0-го порядка не будет);
dk– толщины воздушного зазора, для которых будут наблюдаться светлые и темные интерференционные кольца.
Связь толщины воздушного слоя dkс радиусом кривизны линзыRопределяется из (рис. 1).
Так как Rнамного большеdk, то величинойdk2можно пренебречь, тогда
(9)
Из формул (6) и (7) следует
(10)
Так как невозможно добиться идеального соприкосновения линзы с пластиной в одной точке, целесообразно вычислять длину волны по разности радиусов двух темных колец
, (11)
где kиm–номера интерференционных колец.