Лабораторные работы по физике Примеры выполнения задания

Лабораторные работы физика
  • Измерение показателя преломления жидкости рефрактометром
  • Дисперсия света
  • Определение процентного содержания белка в молоке
  • Интерференция света
  • Интерференция света в тонких пленках
  • Определение радиуса кривизны линзы с помощью кроец Ньютона
  • Определение малых разностей показателей преломления интерферометром
  • Естественный и поляризованный свет
  • Поляризация при отражении и преломлении
  • Вращение плоскости поляризации
  • Эксперементальная проверка закона Малюса
  • Определение показателя преломления вещества
  • Изучение эффекта Фарадея
  • Изучение внутренних напряжений в твердых телах оптическим методом
  • Дифракция света
  • Метод зон Френелях
  • Дифракция от прямоугольной щели .
  • Дифракционная решетка
  • Определение длины световой волны
  • Законы поглащения света
  •  Квантовая природа света Тепловое излучение тел
  • Оптическая пирометрия
  • Определение постоянной Стефана-Больцмана
  • Определение температуры нити кинолампы
  • Изучение внешнего фотоэффекта
  • Определить красную границу фотоэффекта
  • Применение универсального фотометра ФМ-56
  • Волновая и квантовая оптика
  • Явление полного внутреннего отражения.
  • Принцип Гюйгенса.
  • Метод Юнга. Получение интерференционной картины
  • Интерференция света в тонких пленках
  • Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля.
  • Дифракция Френеля на круглом отверстии и диске.
  • Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке
  • Естественный и поляризованный свет
  • Поляризация света при двойном лучепреломлении
  • Анализ плоскополяризованного света. Закон Малюса
  • Искусственная оптическая анизотропия
  • Взаимодействие элетромагнитных волн с веществом
  • Тепловое излучение тел
  • Квантовый характер излучения
  • Фотоэлектрический эффект
  • Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля.

    Если свет от источника через сферическое отверстие на­править на экран (рис. 3.1 а), то, согласно закону прямолиней­ного распространения света, на экране должно наблюдаться светлое пятно АВ - изображение отверстия. При уменьшении отвер­стия его изображение также должно уменьшаться. Однако опыт привел к неожиданному результату: начиная с определенного размера отверстия его дальнейшее уменьшение сопровождается увеличением пятна (А’B’), которое становится расплывчатым, нерав­номерно освещенным и на нем появляется ряд колец (рис. 3.1 б). Данное явление проникновения световых волн в область гео­метрической тени, огибания ими препятствий и вообще откло­нение их от прямолинейного распростра­нения было названо диДифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеляфракцией света. Дифракция явилась еще од­ним подтверждением справедливо­сти волновой теории света.

    Изложенный в разделе 2. 1. принцип Гюйгенса помог объяснить дифракцию качественно. Поскольку вторичные источники излучают сферические волны, световое воз­мущение будет распространяться по всем направлениям. Значит, каждая точка отверстия (рис. 3.1 a) будет источником сферической волны и свет за отверстием мо­жет идти по всем направлениям, т.е. отклоняться от прямоли­нейности. Французский физик О. Френель, развивая идеи Гюй­генса, дал метод количественного расчета дифракции, назван­ный принципом Гюйгенса-Френеля. Рассмотрим основные поло­жения данного принципа:

    1. Любой источник света S0 можно заменить эквивалент­ной системой фиктивных (вторичных) источников, находящихся на какой-либо его волновой поверхности S.

    2. Все вторичные ис­точники вол­новой поверхности S излучают коге­рентные волны, которые накладываются во всех точках пространства и интерферируют между собой.

    3. Каждый вторичный источник излучает преимущественно в направлении внешней нормали n к dS. Амплитуда вторичной волны в на­правлении r (где r – расстояние от dS до точки наблюдения В) уменьшается с увеличением угла α между r и нормалью n к dS (рис. 3.2). Она становится равной нулю при α ≥ π/2, т.е. излучение внутрь поверхности не распространяется. От каждого участка dS в точку В приходит световое колебание

    .

    Здесь Е0 – амплитудное значение светового вектора, С(α)- коэффициент, зависящий от угла α (С(0) = 1, С(π/2)= 0). Тогда результирующий световой вектор от всей волновой поверхности S в точке В равен

    .

    Данный интеграл по поверхности называют интегралом Френеля. Современная теория Максвелла электромагнитных волн для точного решения задачи о распространении световых волн при наличии препятствий приводит к выражению аналогичному интегралу Френеля. Это математическое выражение позволяет вычислять световое возмущение в любой точке наблюдения. Недостатком данного принципа явля­ется сложность его практического применения.

    4. Если часть волновой поверхности закрыть непрозрач­ным экраном, то вторичные волны излучаются только откры­тыми участками поверхности.

    . Метод зон Френеля.

    Для упрощения расчета результирующей амплитуды све­тового колебания в точке наблюдения Френель предложил ме­тод деления фронта волны на зоны. Пусть S– точечный источ­ник света, P – произвольная точка наблюдения, в которой необ­ходимо определить амплитуду Е световых колебаний. Фронт волны в опре­деленный мо­мент времени есть сфера S’ (рис. 3.3). Зоны Френеля стро­ятся таким обра­зом, что рас­стояния от краев двух соседних зон до точки на­блюдения отли­чаются на половину длины световой волны λ/2. Обозначим расстояние от точки P до волнового фронта OP = L, тогда границей централь­ной или первой зоны будут точки поверхности S’, находящиеся на расстоянии L+λ/2 от точки P. Эти точки расположены на по­верхности по окружности. Точки сферы S’, находящиеся на рас­стоянии L+2λ/2 от P, образуют границу второй кольцевой зоны, на расстоянии L+3λ/2 – гра­ницу третьей и т.д.

    Обозначим Е1 амплитуду волны, пришедшей в точку P от первой зоны, Е2 – от второй и т.д. Колебания, приходящие в точку В от двух соседних зон, противоположны по фазе, так как их разность хода равна λ/2, они будут ослаблять друг друга. На­помним, что при прохождении волной пути в половину длины волны ее фаза меняется на противоположную. Поэтому при суммировании амплитуды нечетных зон будем брать со знаком «+», а четных – со знаком «-». В итоге результирующая ампли­туда, т.е. амплитуда колебаний от всех зон в точке P будет равна

    Е = Е1 – Е2 + Е3 – Е4 +…+ Еn.

    С увеличением номера зоны амплитуда колебаний моно­тонно убывает, так как увеличивается расстояние от зоны до точки P и угол α между нормалью к поверхности зоны и на­прав­лением на точку наблюдения, поэтому по абсолютной вели­чине Е1 > Е2 > Е3 > Е4 >…> Еn.

    Из-за того, что число зон n очень велико (например, для λ= 500 нм и L = 10 см n = 80000), амплитуды двух соседних зон мало отличаются друг от друга по величине и с большой степе­нью точности можно предположить, что

    . Если представить амплитуду любой не­четной зоны, например Е1 как , то выражение для результирующей амплитуды запишется в виде

    Согласно вышеприведенным рассуждениям все выраже­ния в скобках обращаются в нуль и Е ≈ Е1/2. Результирующая амплитуда светового колебания от всей волновой поверхности в точке наблюдения равна половине амплитуды, приходящей от одной центральной зоны. Если на пути волны поставить непро­зрачный экран, оставляющий открытой только центральную зону Френеля, то амплитуда светового колебания в точке P бу­дет равняться Е1, т.е. возрастет в два раза. Если экран открывает две зоны, их амплитуды будут «гасить» друг друга и в точке P будет наблюдаться минимум интенсивности. Если открыты три зоны, третья зона останется не скомпенсированной и в точке P будет наблюдаться максимум, и т.д. Таким образом, если на волновой поверхности открыто нечетное число зон Френеля, в точке наблюдения будет светло, если четное – темно. Если ме­жду волновой поверхностью и точкой P поставить специальную пластинку, которая закрывала бы все четные (или нечетные) зоны, то интенсивность в точке P резко возрастает. Такая пла­стинка называется зонной и действует подобно собирающей линзе.

    Различают дифракцию Френеля – это дифракция в сходящихся или расходящихся лучах и дифракцию Фраунго­фера – в параллельных лучах. Разберем эти случаи более под­робно.

    Интерференция света