Цель работы: ознакомление с явлением дифракции света и использованием его для измерения периода дифракционной решетки.
Дифракционную решетку используют в качестве спектрального прибора для измерения длин волн излучения видимого диапазона. При этом она должна быть аттестована. Аттестация заключается в измерении периода дифракционной решетки d с помощью квазимонохроматического излучения, для которого средняя длина волны λ известна с точностью, превышающей точность спектральных измерений.
В данной работе период дифракционной решетки, изготовленной голографическим методом, измеряется с помощью излучения гелий-неонового лазера, для которого λ=0,6328 мкм.
Принципиальная схема измерительной установки изображена на рисунке.
где 1- гелий-неоновый лазер, 2 – голографическая дифракционная решетка, установленная на держателе, 3 – экран наблюдения с измерительной шкалой. Все элементы измерительной установки располагаются на оптической скамье.
На экране наблюдается дифракционная картина, получаемая после прохождения лазерного луча через дифракционную решетку и состоящая из ряда ярких точек, соответствующих максимумам порядковm=0,±1,±2. Угловые положения максимумов описываются формулой, полученной из условия, чтобы разность хода от любых двух соседних щелей решетки до точки наблюдения была бы кратна длине волны:
sinθm=mλ / d, m=0,± 1,± 2. (1)
Отсюда по известным значениям λ, m и sinθ можно найти d.
Перед выполнением измерений необходимо провести юстировку (наладку) оптической системы. Экран наблюдения устанавливается таким образом, чтобы в отсутствие дифракционной решетки лазерный луч попадал в центр измерительной шкалы. После этого на оптическую скамью устанавливается держатель с дифракционной решеткой. Меняя расположение дифракционной решетки, следует добиться попадания луча лазера в ее центр. Плоскость дифракционной решетки должна быть перпендикулярна лазерному лучу. При таком положении световой луч, отраженный от стеклянной подложки дифракционной решетки, распространяется строго по освещающему ее лазерному лучу.
Выполнение измерений
Измерить расстояние L между дифракционной решеткой и экраном наблюдения.
Измерить расстояние rm между максимумом нулевого порядка m=0 и максимумами порядков m=0,±1,±2.
Вычислить sinθm= rm / √ rm2 + L2.
Вычислить период дифракционной решетки d=mλ / sinθm.
Провести измерения для двух значений L.
Определить среднее значение d и оценить погрешность измерения ∆d.
Полученные измерения занести в таблицу:
| № | L | m | rm | sinθm | d |
Контрольные вопросы
Сформулируйте принцип Гюйгенса – Френеля.
Считая, что каждая щель дифракционной решетки является источником вторичных волн, выведите формулу (1).
Как объяснить уменьшение интенсивности дифракционных максимумов с ростом их порядкового номера m?
Список рекомендуемой литературы
1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. М.: Наука, 1982.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.4. Оптика. М.: Наука, 1980.
Лабораторная работа 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА
Цель работы: ознакомление со свойствами поляризованного света, проверка закона Малюса.
Световая волна представляет собой совокупность колебаний вектора напряженности электрического поля E и вектора напряженности магнитного поля H. Эти колебания происходят во взаимно-перпендикулярных плоскостях, перпендикулярных также и к направлению распространения волны. Понятие поляризованный свет связано с упорядоченностью колебаний вектора E в световой волне. Свет называется поляризованным, если колебания вектора E каким-либо образом упорядочены. Например, вектор E может поворачиваться вокруг направления распространения волны, пульсируя по величине так, чтобы конец этого вектора описывал эллипс. Такой свет называется эллиптически поляризованным. Если колебания вектора E происходят вдоль прямой, перпендикулярной к направлению распространения световой волны, то такой свет называется плоско - (или линейно -) поляризованным.
Естественный (белый) свет не является поляризованным, т.к. в нем в каждый момент времени вектор E имеет случайную ориентацию в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Плоско поляризованный свет можно получить из естественного с помощью поляризатора (или поляроида). Этот прибор свободно пропускает колебания, параллельные некоторой плоскости, называемой плоскостью поляризатора. Колебания, перпендикулярные этой плоскости, идеальный поляризатор поглощает полностью (реальный – частично). Таким образом, если на идеальный поляризатор падает плоско поляризованный свет с амплитудой E0, в котором вектор E составляет угол φ с плоскостью поляризатора, то поляризатор пропустит только составляющую вектора E, параллельную этой плоскости. Поэтому амплитуду E прошедшего света можно записать в виде:
E= E0cos φ. (1)
Возведя (1) в квадрат, получим выражение для соответствующих интенсивностей:
I = I0cos 2φ, (2)
где I0 – интенсивность падающего на поляризатор плоско поляризованного света, I – интенсивность света, прошедшего через поляризатор.
Выражение (2) называется законом Малюса. Проверка этого закона и является целью этой работы. Схема установки изображена на рисунке.
Чтобы из неполяризованного света получить плоско поляризованный, после источника света 1 установлен поляризатор 2. Вышедшая из него плоско поляризованная волна попадает на поляризатор 3. Вращая его, мы можем менять уголφмежду плоскостью поляризации волны и плоскостью поляризатора 3. Соответственно будет меняться и интенсивность пришедшего света, которая измеряется с помощью фотодиода 4, соединенного с микроамперметром. Сила тока, измеряемая микроамперметром, пропорциональна интенсивности света.
Выполнение измерений
Включите в сеть источник света и микроамперметр. Для микроамперметра установите диапазон, удобный для измерений.
Вращая поляризатор 3, получите максимальное значение фототока. Это положение поляризатора соответствует φ=0. Зафиксируйте показание φ΄ на лимбе поляризатора 3, соответствующее максимальному фототоку (это начало отсчета, от него далее будете отсчитывать угол φ). Запишите в таблицу первое значение угла φ=0 и максимальное значение фототока I, измеренное в делениях.
| φ | I,дел | I / I0 |
| 00 | ||
| 100 | ||
| 200 | ||
| 300 | ||
| 400 | ||
| 500 | ||
| 600 | ||
| 700 | ||
| 800 | ||
| 900 |
Снимите зависимость фототока I от угла φ, повернув поляризатор сначала на 100 от начала отсчета и потом прибавляя по 100 для каждого последующего измерения. Результаты занесите в таблицу.
Рассчитайте отношение I / I0, где I0 – максимальное значение фототока.
Постройте зависимость I / I0 от угла φ по данным таблицы. На этом же графике постройте теоретическую зависимость I / I0 =cos 2φ. Сделайте вывод о выполнении закона Малюса в проведенном эксперименте.
Контрольные вопросы
Что такое поляризованный свет, чем он отличается от неполяризованного?
Является ли естественный (белый) свет поляризованным?
Какой свет называется плоско- поляризованным?
Сформулируйте закон Малюса.
Список рекомендуемой литературы
И.В.Савельев. “Курс общей физики”. Т.2. М.:Наука, 1982
Лабораторная работа 7