Описание прибора

Прибор для проверки законов освещённости состоит из горизонтально расположенного цилиндрического корпуса 1, в который вмонтирован селеновый фотоэлемент, к клеммам 2 которого подключён люксметр 3. При помощи рукоятки 4 фотоэлемент можно вращать вокруг оси, проходящей через диаметр цилиндрического корпуса. Максимальный поворот может составлять 90^о ( рад); в этом случае свет от источника параллелен поверхности фотоэлемента. Шкала 5, укреплённая на корпусе, служит для измерения угла поворота фотоэлемента (см. рис. 9).

В нижней части откидной крышки цилиндрического корпуса укреплена шкала 6 с сантиметровыми делениями, предназначенная для определения расстояния между источником света 7 и фотоэлементом. Нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного слоя фотоэлемента при угле его поворота 0^о.

Рис. 9

Проведение измерений и обработка результатов

1. Определение зависимости освещённости от расстояния до источника света:

   • перемещая источник 7 вдоль шкалы прибора 6 (см. рис. 9), фиксируют показания люксметра, соответствующие различным положениям источника;

   • ориентацию плоскости светочувствительного слоя фотоэлемента относительно оси прибора выбирают из условия достижения максимальной точности эксперимента;

   • полученные результаты заносят в табл. 1;

   • строят график зависимости .

Таблица 1

№ п/п	r, м	r^2, м^2	, м^-2	Показания люксметра, лк

2. Определение зависимости освещённости от угла падения лучей:

• вращая рукоятку 4, фиксируют показания люксметра, соответствующие разным углам α;

• результаты заносят в табл. 2;

• расстояние от источника до фотоэлемента выбирают, исходя из условий достижения максимальной точности эксперимента;

Таблица 2

№ п/п	Показания гониометра, Град	Показания люксметра, лк	Значения освещённости, вычисленные по формуле , лк

• строят график зависимости ;

• делают вывод.

Здесь Е_о – значение освещённости при показании гониометра 0^о (α=0^о). (Гониометр – поворотное устройство фотоэлемента.)

Контрольные вопросы и задания

1. Раскрыть понятия полного и светового потоков излучения.

2. Дать определение основных фотометрических величин: силы света (интенсивности), светового потока, освещённости, яркости, светимости, а также их единиц измерения. Сравнить понятия яркости и светимости источника.

3. Как формулируются законы освещённости?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ СВЕТА ПРИ ПОМОЩИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

Цель работы: определение длины волны монохроматического света с использованием явления интерференции.

Приборы: установка для наблюдения колец Ньютона.

Теоретические сведения

Для любых волновых процессов, существующих в природе, характерно такое явление, как интерференция. Интерференцией называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от соотношения между фазами этих волн. Интерферировать могут только когерентные волны. Две волны называются когерентными, если они распространяются в одном и том же направлении с одинаковой длиной волны (или частотой колебаний), разностью фаз, не зависящей от времени, и колебания в них происходят в одной плоскости. Источники, излучающие когерентные волны, называются когерентными.

Свет, с точки зрения классической электродинамики, представляет собой поперечные электромагнитные волны. Естественные (нелазерные) источники света не являются когерентными. Для получения когерентных световых волн с помощью обычных источников применяют метод разделения света от одного источника на две или несколько систем волн. В каждой из них представлено излучение одних и тех же атомов источника, так что в силу общности происхождения эти системы волн когерентны между собой и интерферируют при наложении. Разделение света на когерентные системы волн можно осуществить путём его отражения и преломления.

Примером интерференции света, наблюдающейся в естественных условиях, может служить интерференция в тонких плёнках. Рассматривая такую интерференцию, различают интерференционные полосы равного наклона и равной толщины. Полосы равного наклона наблюдаются в тех случаях, когда на тонкую плоскопараллельную плёнку падает под разными углами расходящийся или сходящийся пучок света. Таковы, например, условия освещения плёнки рассеянным солнечным светом. В результате мы можем наблюдать радужную окраску плёнки бензина или масла на поверхности воды.

Полосы равной толщины наблюдаются при отражении параллельного пучка лучей света от тонкой прозрачной плёнки, толщина d которой неодинакова в разных местах. Полосы равной толщины, имеющие форму концентрических колец, называются кольцами Ньютона. Они наблюдаются при интерференции света в тонком воздушном зазоре между плоской стеклянной пластинкой и плотно прижатой к ней плоско-выпуклой линзой. Получающаяся при этом воздушная прослойка постепенно утолщается от точки соприкосновения О до краёв линзы. Плоская поверхность линзы параллельна поверхности пластинки, свет падает на эту поверхность нормально (рис. 10).

Световые волны, отражённые от нижней поверхности линзы и верхней поверхности пластины, интерферируют. Центры колец Ньютона совпадают с точкой соприкосновения пластинки и линзы. При расчёте размера колец Ньютона не нужно учитывать волну, отражённую от верхней (плоской) плоскости линзы, так как оптическая разность хода между этой волной и волнами, отражёнными от границ воздушного зазора, больше длины когерентности для нелазерного света. При отражении от нижней пластинки, представляющей собой оптически более плотную среду, нежели воздух, световая волна меняет фазу на , что эквивалентно изменению оптической разности хода на . Таким образом, оптическая разность хода выражается формулой:

, (1)

где – толщина воздушного зазора; – длина волны монохроматического света в вакууме.

Рис. 10

Из условия интерференционного минимума , где ( 1, 2, 3, ……) – прядок интерференционного минимума, получаем , откуда

. (2)

Величина может быть выражена через радиус кривизны линзы и радиус тёмного интерференционного кольца . Из рис. 10 находим, что . Если толщина воздушного зазора много меньше радиуса кривизны линзы , то

. (3)

Из сравнения формул (2) и (3) получаем .

На практике между стеклянной линзой и плоскопараллельной пластинкой в точке соприкосновения О всегда имеется незначительный зазор величиной . Вследствие этого возникает дополнительная разность хода в . В итоге разность хода выражается соотношением , а радиус k – го тёмного кольца равен . Исключить величину можно, если взять разность квадратов радиусов тёмных колец k – го и m – го порядка: , откуда

. (4)

Переходя в формуле (4) к диаметрам тёмных интерференционных колец D_m и D_k с номерами m и k соответственно получим

. (5)

Таким образом, зная радиус кривизны линзы R и диаметры тёмных интерференционных колец, можно вычислить длину световой волны или найти радиус кривизны по известной длине волны .