Лабораторный практикум по физике
Часть 4. Колебания, волны, оптика
Методическое пособие по общей физике
для студентов всех направлений
Севастополь
Оглавление
| Работа Б-3. Изучение явления интерференции света | |
| Работа 60. Исследование колец Ньютона | |
| Работа Б-4. Изучение явления дифракции света | |
| Рекомендуемая литература |
Работа Б-3. Изучение явления интерференции света
Цель работы
Определение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля.
2. Приборы и принадлежности:
1. Бипризма Френеля.
2. Осветитель.
3. Светофильтры.
4. Щель.
5. Собирающая линза.
6. Зрительная труба с отсчетной шкалой.
7. Измерительная линейка.
8. Оптическая скамья.
Краткая теория
С волновой точки зрения свет представляет собой электромагнитные волны. Скорость распространения света в вакууме 
.
Электромагнитная волна характеризуется колебаниями векторов напряженностей электрического поля 
и магнитного поля 
. Опыт показывает, что физиологические, фотоэлектрические, фотохимические и другие действия света вызываются в основном электрической составляющей электромагнитного поля. В соответствии с этим вектор 
называют в волновой оптике световым вектором. Поэтому уравнение световой волны:
, (1)
где 
- амплитуда, 
- циклическая частота, 
- волновое число, 
- расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения световой волны, 
- начальная фаза колебаний.
Аргумент косинуса в уравнении (1) определяет фазу колебания 
в точке, находящейся на расстоянии 
от источника в момент времени 
.
или 
. (2)
Длины волн видимого сета заключены в пределах:
Эти значения относятся к световым волнам в вакууме. В веществе длины световых волн будут иными. Это следует из того, что фазовая скорость 
распространения волны в веществе становится меньше скорости 
в вакууме, а частота колебаний 
остается неизменной. В вакууме длина волны 
, в среде длина волны 
. Отношение скорости световой волны в вакууме к фазовой скорости 
в некоторой среде называется абсолютным показателем преломления этой среды:
.
Отношение 
, откуда 
.
Волновая природа света проявляется в частности в явлении интерференции.
Интерференцией волн называется явление наложения волн, при котором происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и их ослабление в других точках в зависимости от соотношения между фазами этих волн.
Интерферировать могут только когерентные волны, если им соответствуют колебания, совершающиеся вдоль одного направления.
Когерентными волнами называются волны одинаковой частоты, колебания которых имеют постоянную разность фаз, не изменяющуюся с течением времени.
Источники, испускающие такие волны, называются когерентными источниками.
Энергетической характеристикой световой волны в данной точке пространства является интенсивность света 
.
Интенсивностью света 
в данной точке пространства называется модуль среднего по времени значения плотности потока энергии, переносимой электромагнитной волной.
Плотность потока электромагнитной энергии определяется вектором Умова – Пойтинга:
.
Следовательно, 
. Единица измерения интенсивности 
.
Из теории электромагнитных волн вытекает, что интенсивность света пропорциональна показателю преломления среды и квадрату амплитуды световой волны:
для 
, 
(3)
Световая энергия распространяется вдоль линии, называемой лучом. В изотропных средах лучи перпендикулярны волновым поверхностям.
Пусть две световые волны, исходящие из когерентных источников 
и 
(рис.1), приходят в точку М. В этой точке волны, накладываясь друг на друга, возбуждают колебания одинакового направления.
и 
.
Амплитуда результирующего колебания в точке М определяется выражением:
. (4)
Так как волны когерентны, то 
имеет постоянное во времени значение для данной точки М. Для любой другой точки пространства 
тоже имеет постоянное во времени, но другое свое значение. Таким образом, результат интерференции в любой точке пространства определяется разностью фаз 
, с которой две когерентные волны приходят в данную точку.
  
 
Рис.1
|
и 
равны нулю. Тогда уравнения волн в точке М запишутся соответственно:
и
.
Фазы этих волн 
и 
, где 
и 
- расстояние от источников 
и 
до точки М.
Разность фаз (
.
Волновое число 
можно выразить через другие характеристики волны.
,
где 
- период, 
- линейная частота, 
- фазовая скорость волны.
,
так как 
- показатель преломления среды. Тогда
(5)
Величина 
называется оптическим ходом луча. Таким образом: 
- оптическая разность хода. Формулу (5) можно переписать следующим образом:
, (6)
где 
- длина световой волны в вакууме.
Согласно формуле (4) значение амплитуды 
результирующего колебания зависит от значения 
и принимает различные значения в разных точках пространства. Наибольшее значение амплитуда принимает в тех точках пространства, для которых 
=+1. Это имеет место, если аргумент
, где 
- целое число. (7)
Сравнивая выражения (6) и (7), получим:
- условие максимума интерференции. (8)
Если в разности хода 
двух лучей, приходящих в данную точку пространства, укладывается четное число полуволн (или целое число волн), то в этой точке наблюдается интерференционный максимум.
При этом 
, или 
. Интенсивность света
.
В случае равенства амплитуд 
(или, что тоже самое, равенства интенсивностей 
)
и 
.
Соответственно наименьшее значение амплитуда результирующего колебания принимает в тех точках пространства, для которых 
. Это имеет место, если аргумент
,где 
- целое число. (9)
Вновь из выражений (6) и (9) получим
- условие минимума интерференции (10)
Если в разности хода 
двух лучей, приходящих в данную точку пространства, укладывается нечетное число полуволн, то в этой точке наблюдается интерференционный минимум.
При этом 
или 
.
Интенсивность света 
. В случае равенства амплитуд 
(или интенсивностей 
) 
и 
. Эти точки пространства будут темными.
Отметим, что согласно закону сохранения энергии при интерференции происходит такое распределение энергии, что усиление интенсивности света в одних точках пространства осуществляется за счет ослабления в других.
При наложении некогерентных волн разность фаз (
) слагаемых колебаний в любой точке пространства изменяется с течением времени хаотически и 
изменяется тоже хаотически от +1 до –1. Среднее во времени значение косинуса равно нулю. Тогда квадрат амплитуды суммарного колебания согласно формуле (4):
и соответственно интенсивность 
одинакова для всех точек пространства, то есть интерференция наблюдаться не будет, так как не происходит перераспределения энергий света в пространстве.
Источником световых волн являются возбужденные атомы вещества. Каждый атом излучает электромагнитные волны независимо друг от друга и поэтому начальные фазы излучаемых волн различны и непрерывно меняются со временем. Создать два независимых когерентных источника света трудно. Практически все методы получения когерентных световых волн сводятся к разделению световой волны от одного источника на две волны, которые являются когерентными. Затем эти волны, накладываясь друг на друга, интерферируют между собой.
Одним из оптических устройств получения когерентных световых волн и наблюдения интерференции света является бипризма Френеля, которая используется в данной работе.
Бипризма Френеля состоит из двух одинаковых призм с малыми (порядка 
) преломляющими углами А и В, сложенных основаниями и изготовленных как одно целое (рис.2).
Свет из узкой щели S проходит через бипризму и в результате преломления за бипризмой получаются сходящиеся пучки света, которые можно рассматривать как исходящие из мнимых источников S 1 и S 2. Поскольку оба пучка света исходят от одного источника, то они когерентны, и поэтому, накладываясь друг на друга за бипризмой, интерферируют между собой. Интерференционная картина на экране MN представляет чередование темных и светлых полос, параллельных щели S.
Расстояние между двумя соседними светлыми (или темными) полосами называется шириной интерференционной полосы. Ширина интерференционной полосы на экране изменяется в зависимости от расстояния между источниками света и экраном.
Для вывода расчетной формулы рассмотрим рис.3, где S 1 и S 2 – когерентные источники света, расположены на расстоянии d друг от друга.
Интерференционная картина наблюдается на экране, расположенном от источников S 1 и S 2 на расстоянии | FO | = L >> d. Считая, что лучи S 1 М и S 2 М распространяются в одинаковой среде, определим их разность хода = | S 2 P | = 
, с которой они приходят в точку М, отстоящую от центра экрана О на расстоянии 
| OM | << L. Острый угол 
S 2 S 1 P определяется преломляющим углом бипризмы и, следовательно, мал. А так как 
<< 
и 
<< 
, то угол OFM также равен 
, а треугольники S 2 S 1 P и OFM можно считать подобными. Из подобия этих треугольников получим:
, откуда 
(11)
Подставляя в формулу (11) условие максимума (8) или минимума (10), получим положение светлых и темных полос на экране.
Если 
, то получим усиление света, то есть светлую полосу, положение которой
, где 
. (12)
Целое число 
определяет порядок интерференционного максимума.
Если 
, то 
, то есть в центре экрана получим центральный максимум, в центре экрана лучи всегда сходятся в одинаковой фазе. Максимум первого порядка находится на расстоянии
.
Если 
, то получим ослабление света, то есть темную полосу:
, где 
(13)
Минимум первого порядка при 
:
,
то есть первый интерференционный минимум находится посередине между центральным и первым максимумом.
Расстояние между соседними светлыми или темными полосами:
. (14)
Из выражений (12) и (13) видно, что 
зависит от длины волны 
. Если источники дают монохроматический свет (
), то на экране получим чередующиеся темные и светлые полосы вполне определенного цвета, соответствующего данной длине волны.
Если источники дают белый свет, то в луче присутствуют все длины волн видимого спектра, и будет различным для различных длин волн. Короткие длины волн, например, в максимуме первого порядка, дадут усиление ближе к центру; максимум более длинных волн будет находиться дальше от центра. Темных полос в случае белого света не будет, так как на минимум для одной длины волны накладывается максимум для другой длины волны. В центре экрана при 
максимумы для всех длин волн совпадают и центральный максимум представляет собой яркую белую полосу. Соседние с ней светлые полосы будут радужными, обращенными фиолетовым краем к центральной белой полосе.
Описание установки
| f Б С О S F Л Рис.4 |
Точная установка всех приборов обеспечивает четкую интерференционную картину. Для этого ребро бипризмы должно быть параллельно щели, щель должна быть узкой, середина щели и ребро бипризмы должны совпадать с оптической осью зрительной трубы.