Реферат вивчення явища інтерференції світла

ВИВЧЕННЯ ЯВИЩА ІНТЕРФЕРЕНЦІЇ СВІТЛА

Мета роботи. Визначити довжину хвилі червоного і зеленого світла за допомогою біпрізми Френеля.

Явище інтерференції світла полягає в тому, що при складанні коливань електромагнітних полів двох (або більше) когерентних світлових хвиль відбувається перерозподіл інтенсивності в просторі: в одних місцях виникають максимуми в інших мінімуми. Найвиразніше інтерференція проявляється в тому випадку, коли коливання електронів електромагнітних полів відбуваються вздовж одного напрямку і амплітуди обох інтерферуючих хвиль однакові (). В цьому випадку в максимумах інтенсивність I = 4I1. а в мінімумах - I = 0. Інтенсивність світла пропорційна квадрату амплітуди вектора напруженості електричного поля електромагнітної хвилі I =.

Електромагнітна хвиля визначається коливаннями векторів і електричного і магнітного полів. При формулюванні умов інтерференції вибирається вектор. Це пов'язано з тим, що дія світла на органи зору, фотопластинки, фотоелементи та інші прилади, призначені для його виявлення, в основному визначається вектором електромагнітного поля.

Дві хвилі називаються когерентними, якщо різниця їх фаз в певній точці простору постійна в часі. Джерела світла називаються когерентними, якщо вони випромінюють когерентні світлові хвилі. Природні джерела світла некогерентного.

Когерентні світлові хвилі можна отримати, розділивши (за допомогою відображень і заломлень) хвилю, що відноситься до одного акту випускання джерелом, на дві частини (рис. 1), як би що випускаються двома когерентними джерелами.

Нехай від двох когерентних джерел до певної точки Р в просторі перша хвиля проходить в середовищі з показником заломлення n1 шлях l1. друга хвиля проходить в середовищі з показником заломлення n2 шлях l2.

Якщо початкові фази обох хвиль дорівнюють нулю, коливання вектора відбувається уздовж одного напрямку і частоти коливань однакові, перша хвиля порушить в точці Р коливання напруженості електричного поля, друга - коливання. де,, с - швидкість світла у вакуумі. Результуюча напруженість електричного поля в струмі Р дорівнює

і буде здійснювати коливання з такою ж частотою, як напруженості Е1 і Е2. і амплітудою рівній

Так як інтенсивність I пропорційна квадрату амплітуди, то

де - різниця фаз між коливаннями Е1 і Е2 в точці Р, - довжина хвилі у вакуумі.

Величина = L називається різницею оптичних шляхів, прохідних хвилями, або оптичною різницею ходу.

З (3) видно, що максимальна інтенсивність в певній точці простору буде спостерігатися в тому випадку, якщо

або якщо оптична різниця ходу дорівнюватиме цілому числу довжин хвиль у вакуумі:

Мінімальна інтенсивність в певній точці простору буде спостерігатися в тому випадку, якщо

або якщо оптична різниця ходу дорівнюватиме напівцілому числу довжин хвиль у вакуумі:

Умови (5) і (7) є умови максимуму і мінімуму відповідно.

Якщо два когерентних джерела мають вигляд вузьких паралельних щілин, то що випускаються ними циліндричні хвилі при додаванні будуть давати інтерференційну картину у вигляді чергуються світлих і темних смуг.

Нехай екран Е розташований паралельно площині, що проходить через джерела S1 і S2; джерела знаходяться в повітрі (n1 = n2 = I); l - відстань між когерентними джерелами S1 і S2; d0 - відстань від прямої, що з'єднує джерела, до екрану, на якому спостерігається інтерференційна картина (l<

Користуючись схемою освіти інтерференційної картини (рис.2) і умовою (5) можна знайти відстань між центрами двох найближчих максимумів (світлих смуг) або мнімумов (темних смуг) - ширину інтерференційної смуги.

У точці 0 екрану, що лежить на перпендикуляр до середини відрізка, що з'єднує джерела, спостерігається максимум, який називається центральним. У точці Р, що знаходиться на відстані xm від центрального максимуму, буде спостерігатися максимум з номером m, якщо оптична різниця ходу хвиль дорівнюватиме цілому числу довжин хвиль:

З малюнка 2 видно, що

З (9) і (10) випливає, що

Тоді з (11) випливає, що

Відстань від центрального максимуму до максимуму номера m одно

Відстань між найближчими максимумами або мінімумами (ширина інтерференційної смуги) одно

У даній роботі для отримання інтерференційної картини використовується біпрізме Френеля, що представляє подвійну призму з малими заломлюючими кутами (30 ').

Пучок світла, що падає на біпрізме (рис.3) від щілини S, розташованої паралельно ребру тупого кута, внаслідок заломлення поділяються на два пучка когерентних циліндричних хвиль, як би виходять з двох уявних когерентних джерел (зображень щілини) S1 і S2. коливання яких відбуваються синфазно (в одній фазі). Якщо тупий кут біпрізми близький до 180 0. а кут падіння на біпрізме малий, то всі промені при ламанні відхиляться на однаковий кут: = (n-1),

де n - показник заломлення скла біпрізми. При цьому уявні джерела S1 і S2 будуть лежати практично в одній площині зі щілиною.

Утворилися пучки за бипризмой частково перекриваються, утворюючи зону інтерференції. Інтерференційна картина, яка спостерігається на екрані, представляє чергування світлих і темних смуг - максимумів і мінімумів (рис. 2).

Визначивши відстань між когерентними джерелами l, відстань від джерел до екрана d0 і ширину інтерференційної смуги, можна визначити довжину хвилі за формулою

Схема установки (рис.4а) для визначення ширини інтерференційної смуги, відстані d0 складається з освітлювача І, К, розсувний щілини S, світлофільтрів Ф, біпрізми Френеля БП, окулярного мікрометра ОМ, в фокальній площині якого спостерігається інтерференційна картина. Для визначення відстані l між уявними зображеннями щілини додатково застосовується збирає лінза Л (рис. 4б, в) з фокусною відстанню 10-15 см. Всі прилади розташовуються на оптичній лаві в власниках, забезпечених покажчиками для відліків їх положень. Прилади можуть переміщатися в власниках вгору і вниз і закріплюватися в необхідному положенні.

Ширина інтерференційної смуги і відстань між дійсними зображеннями щілини l 'вимірюються за допомогою окулярного мікрометра. Відстань між уявними джерелами обчислюється за формулою збільшення тонкої лінзи:

де а - відстань від лінзи Л до уявних джерел (до щілини),

b - відстань від лінзи до дійсних зображень (до окулярного мікрометра).

Відстані d0. а, b вимірюються масштабної лінійкою на оптичній лаві за відповідними вказівниками.

Окулярний мікрометр - пристосування, що дозволяє вимірювати лінійні розміри зображення, утвореного будь - якої оптичною системою в площині шкали (в поле зору окуляра).

Окулярний мікрометр складається з кожуха, окуляра і барабана. У кожусі в фокальній площині окуляра знаходиться нерухома скляна пластинка зі шкалою, що має вісім поділів з ціною поділки 1 мм. У цій же фокальній площині розташована також скляна пластинка з перехрестям і індексом, які представляють дві тонкі паралельні рисочки (рис. 5). Ця платівка за допомогою мікрометричного гвинта пов'язана з відліковим барабаном так, що при обертанні барабана перехрестя і індекс переміщаються в поле зору окуляра відносно нерухомої шкали. Крок гвинта, що переміщує рухому пластинку, дорівнює 1мм. При повороті барабана на один оборот індекс і перехрестя переміщується в поле зору окуляра на одну поділку нерухомою шкали. Барабан розділений на 100 поділок, так що ціна поділки барабана гвинта становить 0,01 мм. Повний відлік окулярного мікрометра складається з відліку по нерухомій шкалі і барабану.

Для визначення розміру зображення перехрестя наводиться послідовно на дві точки зображення об'єкта, і проводяться відповідні відліки. Різниця відліків дає шуканий розмір.

Порядок виконання роботи

1. На оптичній лаві зберіть установку, як показано на рис. 4а. На відстані 30-40 см від щілини помістіть біпрізме так, щоб її преломляющие ребра були вертикальні, на відстані 20-50 см від біпрізми - окулярний мікрометр. Середня частина вікна освітлювача, щілини, светофильтра, біпрізми і вікна окулярного мікрометра повинні бути розташовані на одній висоті, уздовж горизонтальної осі установки. Щілина повинна бути строго паралельна ребру тупого кута біпрізми.
2. Переміщаючи біпрізме уздовж оптичної лави, отримаєте чітку інтерференційну картину в поле зору окулярного мікрометра.
3. Виміряйте ширину інтерференційної смуги за шкалою окулярного мікрометра в червоному, потім в зеленому світлі, змінивши фільтри. Для цього відрахуйте відстань х між досить віддаленими темними або світлими шістьма - десятьма смугами (між центрами або відповідними краями) інтерференційної картини і розділіть на число смуг укладених на ньому (рис.6)

1. Визначте відстань l 'між дійсними зображеннями S1' і S2 '(рис. 4в). Для цієї мети на оптичну лаву між бипризмой і окулярним мікрометрів помістіть збірну лінзу Л (рис. 4б) і, пересуваючи її, не змінюючи положення окулярного мікрометра і біпрізми. Досягніть, щоб обидва зображення було видно в окулярном мікрометрі. Визначте відстань l 'між ними в червоному і зеленому світла.
2. Виміряйте відстань від щілини до окулярного мікрометра d0. яке з достатністю точністю дорівнює відстані від уявних джерел до екрана, на якому спостерігається інтерференційна картина.
3. Виміряйте відстань а від лінзи Л до щілини S і відстань від лінзи до мікрометра b. За формулою збільшення лінзи (16) знайдіть відстань між уявними зображеннями щілини l.
4. За формулою (15) обчисліть довжину хвилі.

Отримані дані занесіть в таблицю форми I.