Лабораторные работы по физике Лекции и конспекты по физике Лекции по термодинамике Электростатика Механика, термодинамика Кинематика, гидродинамика

Лабораторные работы по физике

Лабораторная работа № 5-4

Изучение интерференционных полос равного наклона с помощью газового лазера

Цель работы: ознакомление с явлением интерференции на примере полос равного наклона и определение показателя преломления стекла.

Оборудование: газовый лазер, микроскопический объектив, экран с круглым отверстием, плоскопараллельная стеклянная пластина.

Введение

При падении расходящегося пучка монохроматического света на плоскопараллельную прозрачную пластину будут наблюдаться так называемые полосы равного наклона, представляющие собой интерференционные максимумы и минимумы. Они имеют вид концентрических светлых и темных колец, толщина которых уменьшается от центра и периферии. Согласно теории интерференции в параллельных пластинах темные кольца удовлетворяют условию (рис. 1).

2hncosβm = mλ, (1)

где h – толщина пластины, n – показатель преломления пластины, βm – угол преломления, λ – длина падающей световой волны, m = 0, 1, 2, ... (порядок интерференции), S – источник света.

При малых углах падения αm, и преломления βm можно положить

cosβm ≈ 1 – β2m/2; (2)

n = sin αm/sinβm ≈ αm/βm; (3)

αm ≈ tg αm = rm/(2l). (4)

где rm – радиус m-го темного кольца, l – расстояние от плоскости экрана до поверхности пластины. С учетом (2) – (4) из (1) легко установить

r2m/l 2 = 8n2 – 4nλm/h. (5)

Из этой формулы видно, что величина r2m/l 2 линейно зависит от порядка, интерференции m (рис. 2). Очевидно, что r2m/l2=0 при 4nλm/h = 8n2. Отсюда можно определить максимальный порядок интерференции

mmax = 2nh/λ. (6)

При уменьшении порядка интерференции радиус кольца увеличивается, а при m = 0 имеет место r0 = nl = rmax.

Порядок интерференции m совпадает с порядковым номером интерференционного кольца. Но определить порядковый номер кольца практически невозможно (см. работу № 5-3): большие кольца с малыми порядковыми номерами настолько близко располагаются друг к другу, что их трудно различить и нет возможности фиксировать начало отсчета. Это, в свою очередь, делает невозможным определить показатель преломления пластины с помощью формулы (5), измеряя величины h, l и rm.

Чтобы обойти эту трудность, необходимо измерить еще одно интерференционное кольцо, отстоящее от первого, например на N порядков. Тогда

r2m – N /l2 = 8n2 – 4nλ(m – N)/h. (7)

Вычитая соотношение (7) из соотношения (5), получим

 (r2m – N – r2m) / l2 = 4nλN/h.

Отсюда 

n = h(r2m – N – r2m) /4λl2N. (8)

Полученная формула дает возможность вычислить показатель преломления пластины, не зная порядкового номера измеряемых интерференционных колец.


Работа проводится на установке, принципиальная схема которой показана на рис. 3. Здесь 1 – газовый лазер, 2 – микроскопический объектив, 3 – экран с круглым отверстием, 4 – плоскопараллельная стеклянная пластина. Рейтеры, на которых стоят все принадлежности, позволяют осуществлять необходимую юстировку всей оптической системы. Длина волны лазерного излучения λ = 632,8 нм, толщина стеклянной пластины h = 20,0 мм. 

Порядок выполнения работы

Ознакомившись с элементами и работой всех узлов установки, включить лазер (включение лазера осуществляется только преподавателем или лаборантом).

Обращаем внимание на то, что попадание в глаза прямого лазерного пучка ОПАСНО для зрения. При работе с лазером его свет можно наблюдать только после отражения от рассеивающих поверхностей.

Вывести из хода луча объектив 2 и экран 3 (см. рис. 3). Ориентируют пластину 4 перпендикулярно к направлению пучка света так, чтобы отраженный от нее пучок падал в центр выходного отверстия лазера. Затем вводят в ход пучка и тщательно центрируют микроскопический объектив с круглым отверстием экрана. На экране при этом должна появиться система концентрических светлых и темных колец.

Задание 1. Определение показателя преломления плоскопараллельной стеклянной пластинки.

1. Пронумеровать темные кольца, радиусы которых подлежат измерению. Целесообразно нумеровать их, начиная с кольца с минимальным радиусом, которому можно присвоить, например номер m. Приписывают пяти последующим кольцам номера m, m – 1, m – 2, ..., m – 5.

2. Измерить шесть выделенных колец m, m – 1, m – 2, ..., m – 5 с помощью линейки в двух взаимно перпендикулярных направ­лениях (для каждого кольца – два значения радиуса).

3. Найти среднее значение радиуса каждого темного кольца rm – N и его квадрат r2m – N.

4. Построить график зависимости r2m – n от номера кольца m – N. Линия, проводимая по полученным экспериментальным точкам, должна быть прямой. Масштабы по обеим осям координат следует выбрать так, чтобы получившаяся прямая составляла приблизительно угол в 45° с осями координат (так обычно делают при графическом изображении функциональных зависимостей).

5. Из наклона прямой вычислить отношение (r2m – n – r2m)/N.

6. Измерить расстояние l от плоскости экрана 3 до поверхности пластины 4 (см. рис. 3).

7. Вычислить по формуле (8) показатель преломления n и определить погрешность.

Задание 2. Определение максимального порядка интерференции.

Вычислить mmax по формуле (6). Для mmax может получиться не целое число, т.е. в центре интерференционной картины, где rm = 0, не обязательно будет темное пятно.

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой полосы равного наклона?

2. Что такое порядок интерференции?

3. Почему наблюдаемая в данной работе интерференционная картина имеет вид концентрических окружностей?

4. Почему интерференционные кольца в периферии располагаются гуще, чем в центральной области?

5. Какие условия необходимы для интерференции света?

Список рекомендуемой литературы

Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 2. – М.: Наука, 1978. – 480 с.

Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. – 928 с.

Фотоэффект

Теоретическое введение

(к лабораторным работам 3.03 и 3.04)

Фотоэффект относится к числу физических явлений, в которых проявляются корпускулярные свойства света. Он заключается в образовании свободных носителей заряда под действием света (внешнего электромагнитного излучения). Различают следующие виды фотоэффекта:

1. Внешний – состоит в выбивании электронов с поверхности вещества под действием внешнего электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах или молекулах (фотоионизация);

2. Внутренний – это вызванные внешним электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу, что увеличивает электропроводность вещества;

3. Вентильный – состоит в возникновении электродвижущей силы на границе двух полупроводников различной проводимости (или металла с полупроводником) вследствие внутреннего фотоэффекта (при отсутствии внешнего электрического поля).

Рассмотрим особенности внешнего фотоэффекта. Вольт – амперные характеристики фотоэлемента при неизменной частоте n и неизменном световом потоке Ф показаны соответственно на рис.2.1 и на рис.2.2. Из рисунков видно, что при напряжении U = 0 фототок не равен нулю. Это свидетельствует о том, что электроны покидают катод с запасом кинетической энергии. Чтобы фототок стал равным нулю, нужно между анодом и катодом создать тормозящее электрическое поле. В этом

Подпись:  
                            Рис. 2.1.                                 Рис. 2.2               
случае электроны будут совершать работу против сил электрического поля. Разность потенциалов Uз, при которой ток прекращается, называется задерживающим напряжением (или задерживающим потенциалом). Максимальная начальная скорость υmax фотоэлектронов связана с Uз соотношением:

 , (2.1)

где е и m – заряд и масса электрона соответственно.

 При увеличении ускоряющей разности потенциалов U фототок достигает насыщения (рис.2.1, 2.2.). При этом все электроны, испущенные катодом, попадают на анод. Число электронов, вырванных светом за единицу времени, можно найти по формуле

. (2.2)


Физика выполнение лабораторных работ. Лекции и конспекты