Методика эксперимента

Обычно для наблюдения явления интерференции света используется один источник, фронт волны которого разделяется. Существует несколько эффективных способов реализации этого принципа получения интерференционной картины. В данной работе для такой цели используют бипризму Френеля. Бипризма Френеля представляет собой две призмы с очень малым преломляющим углом, сложенные основаниями. Схема наблюдения интерференционной картины, полученной с помощью бипризмы, показана на рис. 3.

Рис. 3

От источника света Sлучи падают на обе половинки бипризмыP, преломляются в ней и за призмой распространяются так, как если бы исходили от двух мнимых источниковS₁иS₂. За бипризмой имеется область пространства, в которой световые волны, преломленные двумя половинками, перекрываются (на рис. 3 эта область заштрихована). В этой области пространства сводятся воедино две части цуга волн от источникаS, прошедшие разные оптические пути. Интерференционная картина, соответствует интерференции волн, исходящих от двух когерентных источников, расположенных в точкахS₁иS₂на расстоянииL = a + cот экрана, гдеaиc- соответственно расстояния от источника до бипризмы и от бипризмы до экрана,

Для определения расстояния dмежду мнимыми источниками рассмотрим ход лучей через бипризму (рис. 4).

Угол отклонения луча света половиной бипризмы в общем случае зависит от угла при вершине, показателя преломленияnи угла падения света на грань призмы. Однако для малых углов зависимостью от угла падения можно пренебречь:

  (n-1) (9)

(Вывод этой формулы можно найти в учебниках по элементарной физике).

Мнимые источники S₁иS₂лежат на мнимом продолжении преломленных призмой лучей. Строго говоря, они не лежат в одной плоскости с действительным источником S, но при малом угле их смещение пренебрежимо мало по сравнению с расстояниемa. Тогда

d = 2atg2a(10)

Рис. 4

Эта схема использует разделение двух частей волнового фронта и предъявляет большие требования к поперечной когерентности волны. Несмотря на простоту теоретического анализа, выполнить для этой схемы условия когерентности экспериментально достаточно сложно. Необходимо, чтобы части волны падающие на обе половины бипризмы были когерентными, т.е. радиус когерентности был порядка размеров призмы.

Схема экспериментальной установки показана на рис. 5. На оптической скамье установлены источник света 1 (лампа накаливания), монохроматор 2, расширительная линза 3, бипризма Френеля 4, измерительный микроскоп 5, служащий для наблюдения интерференционной картины и измерения расстояния между интерференционными полосами.

Луч света от источника освещает входную щель монохроматора. Узкая полоска света - изображение щели, пройдя объектив, попадает на спектральную призму, находящуюся внутри монохроматора. За счет дисперсии призмы лучи разных длин волн, имеющиеся в пучке, преломляются по-разному и, следовательно, выходят из призмы под разными углами. Вращая призму можно направить в выходную щель пучок света определенной длины волны. Подробное описание монохроматора приведено в работе № 3-7.

Рис. 5

Как следует из формулы (8), для получения достаточной поперечной когерентности размеры источника должны быть соответственно малы. Поэтому в эксперименте используется собирающая короткофокусная линза 3, создающая в качестве источника уменьшенноеизображение выходной щели монохроматора. С этой же целью можно было бы использовать и рассеивающую линзу. Размеры источникаDсвязаны с шириной щелиhсоотношением

D = hf₂ / f₁ (11)

где f₂ и f₁- расстояния от линзы до щели и источника соответственно.

Расстояния f₂ и f₁связаны формулой тонкой линзы.

1/ f₁ +1/ f₂ = 1/F

Для значительного уменьшения размеров источника необходимо установить расстояние f₁ >> F, т.е. не менее 15 см. При этом в формуле (11) можно считатьf₂  F.

Для измерения расстояний между элементами схемы на рейтеры скамьи нанесены риски. На рейтере линзы риски указывает положение линзы и ее фокальной плоскости, т.е. плоскости источников. На рейтере же микроскопа риска указывает положение плоскости объектива а не плоскости наблюдения. Для расчета расстояния Lмежду источниками и плоскостью наблюдения следует учесть, что плоскость наблюдения находится в 30 мм впереди объектива микроскопа, т.е.

L = a + b - 0,03, м (12)

Из формулы (5') можно найти длину волны

= xd/L(13)

Для измерения расстояния xмежду соседними полосами для большей точности следует измерить расстояние lмеждуkполосами, взяв lвозможно большим.

x = l/k (14)

Расстояние lизмеряется при помощи микроскопа

l = CN,(15)

где C= 0,06 мм/дел - цена деления окулярной шкалы измерительного микроскопа (при полностью вдвинутом окуляре),

N- соответствующее число делений.

Расстояние dмежду мнимыми источниками в этом опыте можно рассчитать по формуле (10). Угол преломления призмы = 0,0033 рад.

С учетом сказанного можно получить рабочую формулу для расчета длины волны

⁽¹⁶⁾