новая папка 1 / 677949

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

УДК 535.412 (07)

П563

Рецензент – канд. техн. наук, доц. кафедры физики и биомедицинской техники Строковский Г.С.

Пономарев, А. С.

П563 Опыт Юнга [Текст]: методические указания к лабораторной работе № 43 по дисциплине «Физика» / А.С. Пономарев, В.И. Сериков,

А.А. Демидова. – Липецк: Изд-во Липецкого государственного технического университета, 2018. – 12 с.

В лабораторной работе изучается опыт Юнга, как экспериментальное подтверждение интерференции света, и его применение в науке и технике.

Методические указания предназначены для студентов всех курсов технических специальностей любой формы обучения, изучающих дисциплины «Физика», «Общая физика», «Физика-2», «Физические основы радиологии», «Узлы и элементы биотехнических систем», «Основы конструирования приборов и изделий медицинского назначения» и «Теоретические основы электронно- и ионно-лучевого оборудования».

Ил. 4. Библиогр.: 7 назв.

© ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет», 2018.

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 43

ОПЫТ ЮНГА

Цель работы:

1)изучение явления интерференции света с помощью интерференционной схемы Юнга;

2)определение длины волны излучения лазерного источника с использованием явления интерференции света.

Приборы и оборудование: лабораторный оптический комплекс ЛКО-3, содержащий лазер, оптическую скамью, кассеты с проградуированными экранами и набор линз.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

В 1802 году Юнг провел свой классический опыт с двумя отверстиями: направил поток света на непрозрачную пластинку с двумя очень маленькими отверстиями, за которой находился экран. Если придерживаться господствовавшей в то время корпускулярной теории света, то на экране он должен был увидеть две светящиеся точки. Вместо этого он увидел чередующиеся светлые и тёмные полосы. Причём самая яркая из них находилась на экране посередине между отверстиями на перегородке, чего быть не должно. Юнг объяснил

возникновение полос явлением интерференции света.

Колебания, протекающие согласованно, называют когерентными. Для колебаний, близких к гармоническим, когерентность означает постоянную во времени разность фаз . При сложении двух когерентных волн наблюдается

явление интерференции, заключающееся в том, что интенсивность I резуль-

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Две плоские волны, с малым углом между направлениями распростра-

нения, в плоскости, перпендикулярной среднему направлению распростране-

ния, дают интерференционную картину (рис.1, а) в виде чередующихся тем-

ных и светлых полос. Ширина полосы (расстояние между соседними миниму-

мами или соседними максимумами):

а б

Рис. 1. Формирование интерференционной картины: а – чередование полос;

б – геометрическое сложение

Волны, пришедшие на экран Э от достаточно удаленных точечных ис-

точников S1 и S2 (рис. 1, б), можно в области экрана Э считать плоскими.

Очевидно, = h/l, соответственно

5

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

На оптической скамье последовательно располагаются (рис. 2):

-устройство формирования пучка излучения;

-изучаемый объект в плоскости Э1;

-плоскость Э2, в которой формируется изучаемая интерференционная картина. Для наблюдений и измерений эта картина линзой микропроектора Л2

переносится с увеличением на экран ЭЗ.

Расстояния между объектами в направлении распространения света определяются как разности координат z на линейке оптической скамьи. Харак-

терные размеры объектов и распределений интенсивности в плоскостях Э1 и

Э2 определяются как разности координат х в этих плоскостях.

x

Рис. 2. Схема установки

В качестве источников используются две щели, освещаемые излучением лазера. Вследствие дифракции пучки излучения после щелей получаются рас-

ходящимися, благодаря чему перекрываются и дают интерференционную кар-

тину (рис. 3, а). Однако при освещении щелей плоской волной пучки не успе-

вают пересечься в пределах размера l установки. Поэтому щели освещаются сходящейся волной (рис.3, б), полученной с помощью короткофокусной линзы и объектива.

Пучок лазера превращается линзой Л1 и объективом О в волну, сфокуси-

рованную в объектной плоскости Э2 линзы Л2 микропроектора с координатой

6

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

риски z2 = 650 мм (см. рис. 2). При этом на экране фотоприемника ЭЗ видна яр-

кая точка малых размеров. Исследуемые объекты (пары щелей) помещаются в кассете для экранов в плоскости Э1 с координатой z1. При этом в плоскости Э2

образуется интерференционная картина, которая в увеличенном виде наб-

людается на экране ЭЗ. Для наблюдения и измерения параметров самих объек-

тов их помещают в кассету в объектной плоскости линзы Э2, а объектив О смещают так, чтобы волна расфокусировалась и осветила всю поверхность объекта. При этом на экране фотоприемника ЭЗ возникает увеличенное изоб-

ражение объектов.

Рис. 3. Формирование интерференционной картины в опыте Юнга: а – форми-

рование идеальной картины интерференции; б – формирование интерферен-

ции на установке

В схеме на рис. 2 вместо реального положения экрана ЭЗ', показанного пунктиром, задаётся положение ЭЗ, в котором игнорируется излом лучей зер-

калом микропроектора.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ:

1. Перед началом работы проверить положение всех автоматов, выклю-

чателей питания и поставить их в положение «отключено». 2. При выполнении лабораторной работы запрещается: - смотреть в луч квантового генератора;

7

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

- вносить в зону луча блестящие предметы.

3. Во избежание ожога сетчатки глаза рекомендуется включить освети-

тель, а затем смотреть в окуляр прибора.

ХОД РАБОТЫ:

1. Убедитесь в том, что после прохождения излучения через щель полу-

чается расходящийся пучок. Увеличение микропроектора даётся лаборантом заранее.

2. Поместите в плоскости Э1 экран с раздвижной щелью. Вместо яркой точки на экране ЭЗ появится пятно, размазанное в направлении, перпендику-

лярном щели. Оно состоит из центрального дифракционного максимума и ряда побочных максимумов по обе стороны от центрального. Размер пятна опреде-

ляется фундаментальным соотношением дифракции: если излучение с длиной волны λ проходит через отверстие размером d, то возникает дифракционная расходимость, определяемая углом дифракции Θд, порядок величины которого

д d . (12) 3. Проверьте это соотношение, определив размер центрального макси-

мума и подставив полученное значение в формулу.

4.Установите в плоскости Э1 экран с двумя щелями.

5.Для двух экранов с различными расстояниями между щелями h при максимальном (допускаемом установкой) значении l измерьте ширину интер-

ференционной полосы x. Для этого разность координат минимумов, разне-

сенных на несколько полос в пределах центрального дифракционного макси-

мума, разделите на число полос:

где x’1 – координата центра первой полосы, мм; x’2 – координата центра N-ой полосы, мм; N – число полос между координатами их центра; β – увеличение микропроектора (даётся лаборантом) (рис.4, а).

8

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

6. Расфокусировав установку перемещением объектива по оси Оz от экрана и осветив тем самым объектную плоскость микропроектора, измерьте параметры экранов со щелями, определите расстояние h между ними. В каче-

стве h следует взять расстояние от края одной до соответствующего края дру-

гой щели. На рис. 4, а показано измерение на экране ЭЗ ширины интерферен-

ционной полосы, на рис. 4, б – измерение расстояния между щелями.

Расстояние между щелями (рис. 4, б): h x '3 x '1 .

а б

Рис. 4. Полученное изображение на экране: а – координаты центра полосы; б – координаты расстояния между щелями

8.Выразив из формулы (11), рассчитайте длину волны излучения.

9.Выведите формулу и рассчитайте погрешность измерения.

10.Результаты внесите в табл. 1.

Таблица 1

рётся у лаборанта) длины волн.

9

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

12. Начертите доверительные интервалы.

13. Сделайте вывод.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

1.Тема, цель, приборы и принадлежности.

2.Схема установки.

3.Краткая теория.

4.Таблица результатов измерений и вычислений.

5.Результаты вычислений.

6.Стандартные формы записи теоретических и расчётных длин волн.

7.Доверительные интервалы теоретических и расчётных длин волн.

8.Вывод.

Контрольные вопросы

1.Что понимают под монохроматической волной?

2.Какие источники называются когерентными и как их можно получить?

3.Геометрическая и оптическая разности хода при интерференции.

4.Условия максимумов и минимумов при интерференции в выражении че-

рез разность хода и разность фаз.

5.Что такое ширина интерференционной полосы?

6.Как найти разность хода интерферирующих лучей в опыте Юнга?

7.Как изменяется вид интерференционной картины в опыте Юнга при уменьшении расстояния между отверстиями S1 и S2?

8.Как изменяется вид интерференционной картины в опыте Юнга при уве-

личении расстояния между отверстиями S1 и S2 и плоскостью наблюдения интерференции?

9.Как изменится вид интерференционной картины в опыте Юнга при уве-

личении длины волны света, с которым проводится опыт?

10