ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
Методические указания содержат методику проведения лабораторных работ по геометрической, волновой и квантовой оптике, описание оптических приборов и установок.
В начале каждой лабораторной работы под общим названием «Теория метода и описание установки» в достаточно полном объеме представлены сведения, необходимые для самостоятельной теоретической подготовки студентов, осмысливания и представления ими исследуемого явления или процесса. Там же приводится вывод расчетной формулы, анализ экспериментальных зависимостей, сноски в виде формулировок законов, имеющих принципиальное значение, сноски с указанием конкретной литературы, включая параграфы и страницы.
В конце каждой лабораторной работы приведены контрольные вопросы по теме работы.
При подготовке к лабораторной работе студент обязан записать в свою лабораторную тетрадь:
название работы, ее номер;
краткие теоретические сведения по теме работы (можно в виде ответов на приведенные в конце каждой лабораторной работы контрольные вопросы);
вывод расчетной формулы;
принципиальную схему установки;
формы таблиц для записи экспериментальных данных.
При работе с оптическими приборами, находящимися в лаборатории, следует помнить о необходимости весьма осторожного обращения с ними. Оптические поверхности нельзя протирать случайными материалами, нельзя также применять силу при установке или регулировке каких-либо частей приборов.
Перед началом работы в лаборатории студент обязан:
ознакомиться с правилами техники безопасности;
внимательно прочитать указания, приведенные на лабораторном стенде;
прочитать и осмыслить порядок выполнения работы.
Лабораторная работа считается выполненной, если:
сделаны все экспериментальные замеры и заполнены таблицы в лабораторной тетради;
выполнены все необходимые расчеты (в том числе и расчеты ошибок);
на миллиметровой бумаге построены графики исследуемых зависимостей (где это требуется);
исходя из цели лабораторной работы, проведен анализ полученного результата в виде вывода, записанного в лабораторной тетради (о его содержании дает также информацию последний пункт в «Порядке выполнения работы»);
произведена защита теоретической части лабораторной работы.
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Лабораторная работа № 401
ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ
РАСПРОСТРАНИЕНИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Цель работы: изучение законов геометрической оптики.
Приборы и принадлежности: излучатель электромагнитных волн сантиметрового диапазона с рупорной антенной; приемник электромагнитных волн сантиметрового диапазона с рупорной антенной и детектором, индикатор (микроамперметр); источник питания; поляризатор и набор поглотителей разной толщины и рода материала, двояковыпуклая и плосковыпуклая линза, отражатель.
Основные теоретические положения.
Основные закономерности волновых процессов носят универсальный характер и в равной мере справедливы для волн различной физической природы: механических волн в упругой среде, волн на поверхности воды и т.д. Не являются исключением и электромагнитные волны, представляющие собой процесс распространения электромагнитного поля. В отличие от всех других видов волн, распространение которых происходит в какой-либо среде, электромагнитные волны могут распространяться в вакууме и в веществе.
Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано Максвеллом, в результате анализа предложенной им системы уравнений, списывающих электромагнитное поле.
Полная система уравнений Максвелла в интегральной форме:
, (1.1)
где Е – вектор напряженности электрического поля;
Н – вектор напряженности магнитного поля;
S - поверхность контура взаимодействия;
r - объемная плотность вещества;
V – объем;
В - вектор индукции магнитного поля
плотность полного тока;
D – вектор электрического смещения.
Максвелл показал, что электромагнитное поле в вакууме может существовать и в отсутствие источников – зарядов и токов.
Поле без источников имеет вид волн, скорость распространения которых С = 3 ×108 м/с. Векторы напряженности электрического и магнитных полей в каждый момент времени и точке пространства перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлению распространения волн.
Изучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении электрических зарядов. Электромагнитная волна в вакууме является поперечной, вектор напряженности электрического поля перпендикулярен направлению распространения волны. Плотность потока энергии в волне зависит от направления: в том направлении, по которому происходят, колебания заряда, энергия не излучается (рисунок 1.1).
Плотность энергии электрического поля wэ, монохроматической волны, излучаемой зарядом, можно найти по формуле 1.2.
, (1.2)
где: r – радиус сферы;
А – амплитуда движения заряда;
– частота;
t – время.
Заряд совершает колебания вдоль вертикальной оси. Излучение распространяется вдоль вертикальной оси X. Пространственное распределение энергии очень хорошо иллюстрирует полярная диаграмма излучения диполя (рисунок 1.1
 |
X
Рисунок. 1.1. Угловое распределение энергии, излучаемой
осциллирующим зарядом.
Построение полярной диаграммы производится так:
Текущее значение интенсивности излучения Ik находят как величину нормированную к I0, т.е. 
, где 
- величина интенсивности, наблюдаемой под углом a. Величина вычисленной интенсивности Ik соответствует длине радиуса-вектора Ik на рисунке 1.1.
Плотность энергии магнитного поля wм выражается через индукцию В следующим образом.
(1.3)
Приравнивая 1.2 и 1.3, убеждаемся, что индукция магнитного поля в бегущей электромагнитной волне зависит от координат и времени точно так же, как напряженность электрического поля. Или, в бегущей волне индукция магнитного поля В^ пропорциональны друг другу в любой точке в любой момент времени
(1.4)
Плотность потока энергии j, переносимой волной
j = cw (1.5)
где с – скорость света.
Полная плотность энергии электромагнитного поля в бегущей волне w. Вдвое больше плотности энергии электромагнитного поля, по (1.2)
Рисунок 1.2. Колебания вектора напряженности электрического и магнитного полей в электромагнитной волне.
Из рисунка 1.2 видно, что поток энергии через любую поверхность осциллирует с частотой 2 w. Для нахождения среднего значения плотности потоки энергии <j> необходимо усреднить по времени выражение 1.2.
Т.к. среднее значение cos2 w (t-r/c) равно ½, то для <j> получаем.
(1.6)
Наряду с энергией электромагнитная волна обладает и импульсом. Если волна поглощается, то ее импульс переда/ется тому объекту, который ее поглощает, следовательно электромагнитная волна оказывает давление на преграду. Подающая волна взаимодействует с электрическими зарядами, входящими в состав любого тела. Сила, с которой электрическое и магнитные поля волны действуют на заряд q, равна
F = qE + qv B, (1.7)
где v – скорость движения заряда.
В бегущей электромагнитной волне в любой момент времени В = Е/с; поэтому при v<<c второе слагаемое в (1.7) – сила Лоренца – всегда много меньше первого.
Но именно с силой Лоренца связано давление, оказываемое волной, в то время как первое слагаемое, qE, определяем энергию, поглощаемую преградой.