fizick_praktika_III

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Томский государственный архитектурно-строительный университет»

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

ТОМ III

Волновая и квантовая оптика

Под ред. профессора С.В. Старенченко

Томск Издательство ТГАСУ

2011

Авторы: И.А. Божко, А.А. Клопотов, Ю.П. Миронов, Е.Л. Никоненко, В.П. Пашко, Т.М. Полетика, Н.Р. Сизоненко, Ю.В. Соловьева, Н.О. Солоницина, С.В. Старенченко, А.С. Тайлашев, Л.А. Теплякова, М.В. Федорищева, Т.В. Черкасова, Ю.П. Шаркеев

УДК 53(076.5) ББК 22.3я73

Физический практикум [Текст] : в 3 т. Т. III : Волновая

Ф50 иквантоваяоптика: учебноепособие/ подред. С.В. Старенченко. – Томск: Изд-воТом. гос. архит.-строит. ун-та, 2011. – 132 с.

ISBN 978-5-93057-441-8

Учебное пособие представляет собой физический практикум по курсу общей физики по разделам волновая и квантовая оптика, включающий в себя 12 наименований лабораторных работ. Практически каждая работа содержит два варианта выполнения. Это могут быть реальное и компьютерное моделирование явления или различные задания, соответствующие общей теории. Пособие предназначено для студентов общеобразовательного факультета, ИЗИДО и ЗФ, а также для студентов всех инженерно-технических специальностей, изучающих курс физики.

УДК 53(076.5) ББК 22.3я73

Рецензенты:

доктор физико-математических наук,

2

работы, вопросы для контроля усвоения теоретического материала и степени подготовки к проведению эксперимента.

Лабораторные работы подобраны так, что их подготовка и выполнение позволяют углубить и расширить излагаемый теоретический материал. Такой подход весьма актуален, поскольку время, отводимое на лекционный материал, существенно уменьшается, и большее внимание уделяется самостоятельной работе студентов. В предлагаемом пособии присутствуют работы, содержащие элементы исследовательского характера, которые могут быть предложены в качестве курсовой работы в тех потоках, где это предусмотрено учебным планом. Структура практикума позволяет преподавателю подходить к студентам дифференцированно, в соответствии с их уровнем подготовки.

Для эффективного освоения лабораторного практикума кратко напомним те действия, которые необходимо выполнить студенту для осуществления результативной работы.

I. При подготовке к выполнению лабораторных работ:

1.Ознакомьтесь с методическими указаниями к работе.

2.Изучите теоретический материал, привлекая дополнительные сведения, используя учебники, Интернет.

3.Ознакомьтесь с описанием установки и детально проработайте порядок выполнения работы.

4.Ознакомьтесь с необходимыми для расчета физических величин формулами.

5.Продумайте особенности построения графиков.

6.Дайте ответы на контрольные вопросы.

II. При выполнении лабораторных работ:

1.Получите допуск у преподавателя, рассказав о теоретических основах изучаемого явления, о цели работы, о методе выполнения, о необходимых измерениях.

2.Ознакомьтесь с установкой на рабочем месте.

3.Включите установку и выполните измерения.

4.Постройте необходимые графики, выполните необходимые расчёты.

4

5. Сделайте письменный отчёт о работе.

III. При подготовке к защите лабораторных работ:

1.Изучите теоретический материал, соответствующий теме защищаемой лабораторной работы.

2.Проконтролируйтесебя, ответивна контрольные вопросы.

3.Проанализируйте результаты математической обработки экспериментальных измерений.

Данный практикум подготовлен авторским коллективом преподавателей кафедры физики Томского государственного архитек- турно-строительного университета: И.А. Божко (ЛР 4), А.А. Клопотов (ЛР 3), Ю.П. Миронов (ЛР 5), Е.Л. Никоненко (ЛР 3), В.П. Пашко (ЛР 6), Т.М. Полетика (ЛР 7), Н.Р. Сизоненко (ЛР 3, 6), Н.О. Солоницина (ЛР 6), Ю.В. Соловьева (ЛР 5), С.В. Старенченко (ЛР7, 5), А.С. Тайлашев (ЛР 2), Л.А. Теплякова (ЛР 4), М.В. Федорищева(ЛР2), Т.В. Черкасова(ЛР1, 3), Ю.П. Шаркеев(ЛР1, 3).

Общая редакция практикума выполнена профессором С.В. Старенченко.

5

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ СПЕКТРОСКОПА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить явление дисперсии света и эффект спектрального разложения параллельного пучка света стеклянной призмой. Измерить угол наименьшего отклонения лучей призмой для различных длин световых волн и определить по результатам этих измерений показатель преломления.

2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Спектроскоп, ртутная лампа, источник света с неизвестным спектром (лампа дневного света или неоновая лампа).

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Дисперсия света

Электромагнитная световая волна, падая из вакуума на вещество, вызываетколебанияегоатомовимолекул. Атомыимолекулы, приходя в вынужденные колебания, становятся вторичными излучателями электромагнитных волн. Электромагнитная волна, возникающая в результате суперпозиции первичной и вторичной волн

ираспространяющаяся в той среде, откуда пришла первичная волна, называется отражённой волной. Электромагнитная волна, возникшая в результате суперпозиции первичной и вторичной волн

ираспространяющаяся в той среде, откуда пришла вторичная волна, называется преломлённой волной. Колебания частиц вещества под действием электромагнитной волны возбуждаются в основном электрическойкомпонентойэлектромагнитногополяволны.

Электрические свойства вещества, определяющие его поведение под действием световой волны, характеризуются диэлектрической проницаемостью среды ε. Для всех веществ вобласти оптиче-

6

ских частот электромагнитных волн магнитная проницаемость среды μ 1 . Скоростьраспространениясветавсреде

и μ0 соответственно электрическая и магнитная постоянные. Отношение

называется абсолютным показателем преломления света для данной среды. Отношение

где n1 и n2 – абсолютные показатели преломления сред, в кото-

рых распространяется свет, называется относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой. Абсолютный показатель преломления (n) больше единицы для всех сред, кроме вакуума, где n =1. Чем больше значение n для среды, тем более оптически плотной она является. Относительная

диэлектрическая проницаемость , а с нею и n εμ оказыва-

ются зависимыми от частоты падающего света.

Дисперсией света называется зависимость показателя преломленияn веществаотчастотыv (илидлиныволны ) света, т. е.

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму.

Опытное изучение явления дисперсии света впервые осуществил Ньютон в 1666 г., пропуская «белый» (солнечный) свет через

7

призму. Пучок лучей от линейного источникаS направлялся на призму P и после отклонения падал на экран Э (рис. 1.1). На экране при этом наблюдался спектр, т. е. широкая полоса, окрашенная вцветарадуги, открасногодофиолетового.

Рис. 1

Рис. 1.1

Если сравнить между собой спектры, получаемые от призм, изготовленных из разных оптически прозрачных материалов, то оказывается, что не только лучи одной и той же частоты отклоняются этими призмами на различный угол, но и ширина участков спектров, соответствующиходинаковомуинтервалучастот 1 2 , будетразлич-

ной. Это означает, что разные материалы обладают различной дисперсией. Спектр, наблюдавшийся Ньютоном, представлял собой сплошную радужную полосу. Такой спектр называется сплошным спектром. Сплошнойспектр, например, имеетсолнечноеизлучение.

Все химические элементы, находясь в газообразном состоянии, дают спектры не сплошные, а состоящие из ряда дискретных линий. Такие спектры получили название линейчатых, и для разных веществ они отличаются как числом линий, так ичастотами. Это обстоятельство дало возможность разработать очень точный и чувствительный метод определения химического состава различныхвеществ, называемыйспектральныманализом.

Рассмотрим дисперсию света в призме. Пусть монохроматический пучок света падает под углом 1 на призму с прелом-

8

ляющим углом и показателем преломления n (рис. 1.2). После двукратного преломления (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается отклоненным от первоначального направления

на угол . В соответствии с законом преломления света:

β1 β2 α2

γ

F

Рис. 1.2

Рассмотрим рисунок. Из четырехугольника ACFD, у которого углы C и D прямые, имеем: + F = ; а из треугольника CDF –

Предположим, что углы и 1 малы, тогда углы 2, 1 и 2 будуттакжемалы, ивместосинусовэтихугловв(1.5) можновосполь-

9

т. е. угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы.

Из выражения (1.8) вытекает, что угол отклонения лучей призмой зависит от величины (n – 1), а n – функция длины волны, поэтому лучи различных длин волн после прохождения через призму окажутся отклоненными на разные углы, т. е. пучок белого света за призмой разлагается в спектр, что и наблюдалось И. Ньютоном. Отметим, чтоспектрможнополучитьнетолькоспомощьюпризмы, но и используя дифракционную решетку. Для дифракционного

ипризматическогоспектраимеютсяразличия, перечисленныениже.

1.Дифракционная решетка разлагает падающий свет непосредственно по длинам волн, поэтому по измеренным углам (по направлениям соответствующих максимумов) можно вычислить длину волны. Разложение света в спектр в призме происходит по значениям показателя преломления, поэтому для определе-

ния длины волны света надо знать зависимость n = f( ).

2. Составные цвета в дифракционном и призматическом спектрах располагаются различно. В дифракционной решетке синус угла отклонения пропорционален длине волны. Следовательно, красные лучи, имеющие большую длину волны, чем фиолетовые, отклоняются в дифракционной решетке сильнее. Призма же разлагает лучи в спектр по значениям показателя преломления, который для всех прозрачных веществ с увеличением длины волны уменьшается (рис. 1.3). Поэтому красные лучи отклоняются призмой слабее, чем фиолетовые.

Величина

называется дисперсией вещества. Она показывает, как быстро изменяется показатель преломления с длиной волны.

10