Методика проведения эксперимента

ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫС ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫФРЕНЕЛЯ

Методические указания

по выполнению лабораторных работ

для студентов 2 курса

Издательство "Самарский университет"

2005

ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ КАРТИНЫС ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫФРЕНЕЛЯ

Методика проведения эксперимента

Бипризма Френеля представляет собой две призмы с малыми преломляющими углами (порядка 30'), сложенные основаниями (рис. 1а).

Рис.1

Источником света является узкая щель S, параллельная преломляющим ребрам AD и BC бипризмы (рис. 1б). Каждая из половинок бипризмы отклоняет падающие на нее лучи к своему основанию и поворачивает тем самым фронт волны. Продолжения всех лучей, отклоненных первой (на рис.1б - верхний) половины бипризмы, пересекаются в точке S1, которую можно рассматривать как один мнимый источник света. Продолжения всех лучей, отклоненных второй (на рис. 1б - нижней) половины призмы, пересекаются в точке S2. Так как лучи падают на призму от одного и того же источника света (щель S1), то мнимые источники S1 и S2 будут когерентны. Та область, в которой распространяется волна, отклоненная одной только половиной (пусть первой), на рис. 1б заштрихована линиями, параллельными PA. Та область, в которой распространяется волна, отклоненная второй половинкой бипризмы, на рис. 1б заштрихована линиями, параллельными PB. В области MONP, покрытой двойной штриховкой, происходит наложение двух когерентных волн от двух мнимых источников света S1 и S2. В этой области пространства имеет место явление интерференции света. На участке MN экрана наблюдения получается ряд светлых и темных (а при освещении белым светом - окрашенных) интерференционных полос.

Для построения хода лучшей, отклоняемых бипризмой, можно воспользоваться непосредственно законом преломления света, применяя его последовательно для каждого угла α бипризмы и узости используемого в эксперименте пучка лучей, гораздо удобнее стандартная формула, связывающая угловое смещение луча ε с показателем преломления материала призмы и преломляющим углом:

из которой следует, что при узких световых пучка угол смещения луча в призме не зависит от угла падения света на призму. Угловое смещение определяется материалом и геометрией призмы.

Если показатель преломления стекла бипризмы n=1,5, то угловое смещение луча равно просто половине преломляющего угла призмы:

Воспользовавшись формулами (1) или (2) и выполнив построение хода лучей, можно убедиться в том, что если SO перпендикулярна AB (см. рис. 1б), то мнимые изображения S1 и S2 действительного источника света лежат практически в одной плоскости с самим источником. Заметим, что эта плоскость параллельна передней грани бипризмы, что в дальнейшем упростит вычисление расстояния 2l между мнимыми источниками S1 и S2.

Для расчета наблюдаемой на экране картины воспользуемся тем, что бипризма Френеля содержит все элементы общей принципиальной схемы двухлучевой интерференции (см. методические указания "Интерференция света", ч.1, стр. 19). В реальной установке параметр D (расстояние от мнимых источников до экрана, а фактически - длина самой установки) гораздо больше отрезка 2l, поэтому можно воспользоваться формулой, связывающей разность хода интерферирующих волн с параметрами реальной схемы. В этом случае для ширины интерференционной полосы можно применить формулу (25) (ч.1, стр. 20)

Соотношение (3) можно использовать для проверки теории интерференционных явлений. Можно менять расстояние между мнимыми источниками, изменяя расстояние от щели S до бипризмы. При этом параметр D будет оставаться неизменным. Если при этом λ=const, то правая часть (3) не изменяется, следовательно, должно оставаться постоянным и произведение 2lB. Экспериментальная проверка постоянства данной величины и служит оценкой правильности теоретических рассуждений.

Экспериментальная часть

Оборудование: оптическая скамья, источник света, щель переменной ширины, бипризма Френеля, конденсор, расположенный в осветителе, вспомогательная линза, отсчетный микроскоп МИР-2.

Упражнение 1. Определение длины волны света λ и расстояния между мнимыми источниками 2l

1) Установить по схеме 1 на оптической скамье на одной высоте: осветитель, щель, бипризму, вспомогательную линзу, отсчетный микроскоп МИР-2. Эта установка производится «на глаз».

Оптическая схема 1

1 - источник света; 2 - щель, установленная параллельно ребру бипризмы; 3 - бипризма Френеля; 4 - вспомогательная линза; 5 - отсчетный микроскоп

2) Снять щель, бипризму и вспомогательную линзу с оптической скамьи.

3) Отрегулировать положение источника света1 таким образом, чтобы наиболее яркая часть светового пучка, посылаемая источником света, проходила через отсчетный микроскоп 5, то есть направить световой пучок параллельно оптической оси.

4) Поставить на оптическую скамью держатель со щелью 2. Щель расположить максимально близко к источнику света 1, чтобы сделать в условиях данной работы произведение λD максимальным. При правильном размещении щели щели 2 поле зрения отсчетного микроскопа 5 должно быть равномерно освещено. После того, как щель установлена, оправу щели со стойкой закрепить с помощью винта.

5) Бипризму Френеля 3 поместить между щелью 2 и отсчетным микроскопом 5 так, чтобы ее ребро оказалось точно посередине узкого светового пучка, пропущенного щелью. Убедиться в том, что световой пучок, выходящий из бипризмы, попадает во входное отверстие отсчетного микроскопа 5.

6) Сделать щель достаточно узкой (около 0,1 мм) и, слегка поворачивая ее вокруг горизонтальной оси, добиться такого положения, чтобы щель была строго параллельна ребру бипризмы. При этой установке картина интерференции будет наиболее отчетливой.

7) Передвигая отчетный микроскоп 5 по оптической скамье, добиться того, чтобы расстояние между полосами интерференции было достаточно большим.

8) Между щелью 2 и бипризмой 3 поставить светофильтр для монохроматизации излучения.

9) Рассчитать ширину интерференционной полосы, используя определение ширины полосы B, данное в ч. 1 методических указаний «Интерференция света» на стр. 15. Очевидно, что

где h — расстояние между

m темными (или светлыми) полосами.

Вычисление B произвести не менее трех раз, используя различные h и m.

10) Между бипризмой 3 и микроскопом 5 поместить вспомогательную линзу 4.

11) Перемещая линзу 4, добиться того, чтобы в фокальной плоскости микроскопа появилось резкое действительное и уменьшенное изображение S'1 и S'2 мнимых источников S1 и S2, созданных бипризмой 3 (оптическая схема 2).

Оптическая схема 2

12) По шкале отсчетного микроскопа 5 измерить расстояние d между S'1 и S'2.

13) Измерить расстояние a и b (схема). Из геометрических соображений найти расстояние 2l между мнимыми источниками S1 и S2.

14) Рассчитать длину волны света λ с помощью соотношения (3).

15) Произвести аналогичные измерения B, λ и 2l Для другого светофильтра.