Измерения и обработка результатов

Включите лампу и положите на столик прибора зеркало с внешним покрытием поверхностью вниз. Рукоятку 7 (рис.3) поверните так, чтобы стрелка на ней была вертикальна. С помощью головки 4 сфокусируйте микроскоп на исследуемую поверхность. Поворотом рукоятки 7 включите правое плечо интерферометра (стрелка на рукоятке должна быть в горизонтальном направлении). При этом в поле зрения окуляра должны быть видны интерференционные полосы. Для получения большей контрастности полос нужно поворотом кольца 6 несколько уменьшить отверстие апертурной диафрагмы.

Упражнение 1. Измерение длины световой волны.

Перемещением пластинки 5 до упора введите в световой поток один из светофильтров. Наблюдая в окуляр интерференционную картину, плавно перемещайте оптическую систему интерферометра относительно поверхности зеркала с помощью головки микрометрического винта 4. Сосчитайте число интерференционных полос, прошедших в поле зрения при повороте головки на 3–4 деления. Зная цену деления головки микрометрического винта (0,003 мм), определите соответствующее изменение длины Δl вертикального плеча интерферометра. По формуле (1) найдите длину световой волны.

Упражнение 2. Определение глубины царапины.

Положите на столик прибора образец с полированной поверхностью. Сфокусируйте микроскоп на исследуемую поверхность. Вращением предметного столика добейтесь, чтобы царапина на поверхности была перпендикулярна интерференционным полосам. Окулярный микрометр 3 поверните так, чтобы одна из перекрещивающихся нитей была параллельна, а другая перпендикулярна полосам.

Определите расстояние в делениях окулярного микрометра между 10–15 темными интерференционными полосами. По этим данным найдите ширину а одной полосы.

Затем измерьте в делениях окулярного микрометра величину b изгиба интерференционных полос в области царапины (см. рис. 2). По формуле (2) найдите глубину царапины d.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление интерференции света? При каких условиях оно наблюдается? Какие источники света называются когерентными?

2. Как обеспечивается когерентность световых пучков в интерферометре Линника?

3. Какой вид будет иметь интерференционная картина, полученная с помощью интерферометра Линника, если исследуемая поверхность и плоскость зеркала 12 (рис. 1) строго перпендикулярны, а пучок света а) параллельный; б) расходящийся?

4. Как будет изменяться интерференционная картина при параллельном пучке света, если изменять угол наклона зеркала 12?

5. Как изменится картина, если исследуемую поверхность сместить вдоль луча на расстояние, равное λ/4, λ/2, λ (λ – длина световой волны)?

6. Чем отличается искривление полос, соответствующее выступу и царапине на исследуемой поверхности?

Лабораторная работа № 7 Дифракция света на круглом отверстии

Цель работы: наблюдение дифракции света по методу Френеля; определение длины световой волны.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, осветитель с лампой накаливания, две пластинки с отверстиями, микроскоп МИР–2, измерительный микроскоп МИ–1, линейка.

Литература: [1], § 176 – 178; [2], § 54; [3], § 21 – 23; [4], § 13; [5], § 139, 141.

В в е д е н и е

В явлении дифракции ярко проявляются волновые свойства света. Явление состоит в том, что световые волны огибают препятствия, встречающиеся на их пути, заходят в область геометрической тени. Характерным признаком этого явления является перераспределение светового потока в области геометрической тени с образованием максимумов и минимумов интенсивности.

Если на пути световой волны, распространяющейся от точечного монохроматического источника, поставить непрозрачную пластинку с круглым отверстием диаметром 0,5 – 1 мм, то на экране, расположенном за отверстием, можно наблюдать вместо равномерно освещенного пятна систему концентрических светлых и темных колец. При перемещении экрана вдоль оптической оси количество колец изменяется. При этом в центре дифракционной картины интенсивность света меняется от максимального до минимального значений и обратно. Объяснение этого явления на основе волновых представлений о природе света было дано французским физиком О. Френелем в 1918 г.

В своем анализе явления Френель опирался на принцип Гюйгенса, согласно которому каждая точка, до которой доходит волна, служит центром вторичных сферических волн; огибающая этих волн дает положение волнового фронта в последующий момент времени. Следовательно, в описанном выше опыте часть сферического волнового фронта, открытая отверстием, может рассматриваться как светящаяся пленка, от каждого участка которой лучи приходят в точку наблюдения О (см. рис. 1. Здесь S – точечный источник света, Э – экран).

По идее Френеля для нахождения амплитуды световых колебаний в точке О необходимо учесть интерференцию вторичных волн, приходящих в эту точку от отдельных участков открытой отверстием волновой поверхности. Для качественного решения этой задачи Френель предложил мысленно разбить волновую поверхность на кольцевые зоны (зоны Френеля) так, чтобы расстояния от краев соседних зон до точки

Рис. 1

наблюдения отличались на λ/2 (рис. 1). В таком случае колебания, приходящие в точку О от соседних зон, находятся в противофазе и при сложении ослабляют друг друга. Если число зон Френеля, открытых отверстием для точки О, является четным, то в этой точке будет наблюдаться минимум интенсивности света, и максимум интенсивности, если число открытых зон окажется нечетным.

Аналогичное построение зон Френеля можно произвести и для любой другой точки Р, не лежащей на оси светового пучка. Понятно, что для этой точки зоны Френеля уже не будут иметь вида симметричных колец. Если число m зон, укладывающихся в отверстии, будет близко к четному числу, то в точке Р и во всех других точках, находящихся на оси пучка на расстоянии, равном отрезку ОР, интенсивность света будет меньше, чем в соседних точках – в дифракционной картине образуется темное кольцо. Опыт показывает, что с ростом числа зон, открытых отверстием для точки О, количество наблюдаемых на экране темных колец возрастает. Если отверстие открывает две зоны Френеля, то в центре дифракционной картины наблюдается темное пятно и дифракционные кольца отсутствуют. Наибольшая интенсивность света в центре дифракционной картины наблюдается тогда, когда отверстие открывает одну зону Френеля.

Расчет дает, что число зон Френеля, открытых отверстием для точки О, определяется радиусом отверстия R, расстояниями от центра отверстия до источника (а) и до точки наблюдения (b), а также длиной световой волны λ:

. (1)

Из (1) следует, что с ростом расстояния от отверстия до точки наблюдения число открытых отверстием зон уменьшается.

Зная по виду дифракционной картины число открытых зон Френеля и измерив радиус отверстия и расстояния а и b, можно по формуле (1) определить длину волны света.