Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • И н т е р ф е р е н ц и я с в е т А.






    Составители: проф. Фишман А.И., ст. преп. Филиппова Е.А., доц.Монахова Н.И.

     

    Рецензент: Столов А.Л., канд. ф.-м.н., доц. кафедры оптики и спектроскопии Казанского университета

     

    Издание подготовлено при поддержке ФЦП «Интеграция» (проект N 241.4)

     

    @ Физический факультет Казанского госуниверситета.

     

     

    Предисловие

     

    В данной методической разработке содержатся описания лабораторных работ по интерференции световых волн.

    Ее следует рассматривать как руководство к решению экспериментальных задач, но не как самостоятельное учебное пособие. Для полного описания изучаемых явлений и анализа полученных результатов студентам необходимо пользоваться литературой, которую им рекомендует лектор в соответствии с программой изучаемого курса. В конце каждой работы авторы разработки приводят списки дополнительной литературы, которая поможет студентам более глубоко разобраться в изучаемых вопросах.

    Следует отметить, что лабораторные работы физического практикума кафедры общей физики постоянно модернизируются и обновляются в соответствии с меняющимися требованиями учебной программы. Поэтому они являются результатом труда преподавателей и сотрудников нескольких поколений.

     


    И Н Т Е Р Ф Е Р Е Н Ц И Я С В Е Т А.

    Интерференцией света называется явление перераспределения светового потока в пространстве, возникающее при наложении когерентных волн, выражающееся в образовании устойчивой картины чередующихся максимумов и минимумов интенсивности света.

    Пусть волны от двух точечных источников света S 1 и S 2 одинаковой частоты w и одинаковой поляризации (в этом случае можно отвлечься от векторного характера электрического поля световой волны) освещают экран Х (рис. 1). Определим интенсивность света в некоторой точке А.

    Рис.1 К интерференции волн, испускаемых точечными источниками S 1 и S 2.  

     

    Электрические векторы волн в точке А равны:

    (1)

    где и - оптические пути, пройденные волнами от источников до точки А в среде с показателем преломления n, - волновое число, l0 - длина волны в вакууме, Е 01 и Е 02 - амплитуды напряженностей в точке А, a1 и a2- начальные фазы. Введя обозначения:

    и , (2)

    имеем:

    . (3)

    Рис. 2 Сложение гармонических колебаний с помощью векторной диаграммы.

    Амплитуду результирующего колебания проще всего найти с помощью векторной диаграммы, изображенной на рис. 2

    По теореме косинусов находим:

    . (4)

    Учитывая, что интенсивности волн, пропорциональны квадратам их амплитуд, для интенсивности результирующего колебания получаем:

    . (5)

    Так как в реальных источниках излучателями являются отдельные атомы, не связанные друг с другом (a1 и a2 меняются независимо), разность фаз непрерывно изменяется, принимая с равной вероятностью любые значения, так что среднее по времени значение равно нулю. В этом случае интенсивность I равна сумме интенсивностей складывающихся волн:

    (6)

    Если же разность фаз возбуждаемых волнами колебаний остается постоянной во времени, то волны называются когерентными. Источники таких волн также называются когерентными. В этом случае имеет постоянное во времени, но свое для каждой точки экрана значение, в результате чего в одних местах возникают максимумы интенсивности, а в других - минимумы: наблюдается интерференционная картина.

    Рассмотрим случай сложения когерентных колебаний от двух синфазных источников (a1 = a2). При т.е. , (где целое число называется порядком интерференции), интенсивность результирующего колебания будет принимать максимальное значение:

    . (7)

    При т.е. интенсивность результирующего колебания будет минимальной:

    . (8)

    Принимая во внимание обозначения (2), можно получить, что разность фаз . (9)

    С учетом этого, условия возникновения максимумов и минимумов интенсивности результирующей волны можно записать в виде:

    , если . (10)

    , если . (10¢)

    Величина D называется оптической разностью хода.

    Таким образом, суммарная интенсивность зависит от точки наблюдения. На экране будут наблюдаться светлые и темные интерференционные полосы. Интенсивность I периодически меняется вдоль оси Х от Imin до Imax. Пространственный период изменения интенсивности называется шириной интерференционной полосы (рис.1).

    Если падающий свет немонохроматический и присутствуют одновременно все длины волн из спектрального интервала от l до l+Dl, то количество видимых интерференционных полос mmax будет ограничено:

    . (11)

    Последнее выражение легко получить, исходя из условия, что исчезновение интерференционной картины будет иметь место, когда интерференционная полоса порядка (m+1) для длины волны l накладывается на интерференционную полосу порядка m для длины волны l+Dl. Ширина интерференционной полосы DC дляразных длин волн из указанного интервала будет разной. И если в нулевом порядке максимумы для всех длин волн совпадают (рис.3), то в более высоких порядках они расходятся). Таким образом, условие исчезновения интерференционной картины, выглядит так: , откуда следует соотношение (11).

    Рис. 3 Распределение максимумов интерференции немонохроматических лучей.

    Обычные (нелазерные) источники света не являются когерентными, так как излучение отдельных атомов, из которых состоят источники, не является строго монохроматическим и не согласовано по фазе. Поэтому при наложении пучков света от разных источников фазовые соотношения между световыми колебаниями в любой точке за время наблюдения успевают многократно измениться случайным образом. В результате, энергия результирующего колебания в любой точке равна сумме энергий складывающихся колебаний. Для наблюдения интерференции необходимы специальные условия, а именно: свет от одного и того же источника нужно разделить на два пучка (или несколько пучков), а затем наложить их друг на друга. Существуют два способа получения когерентных волн: метод деления волнового фронта (реализуется в опытах с бипризмой Френеля, с билинзой Бийе, в опыте Юнга, при прохождении света через дифракционную решетку и др.) и метод деления амплитуды (имеет место при интерференции в тонких пленках, интерферометре Линника, интерферометре Фабри-Перо и др.).

    При наложении двух когерентных световых пучков образуются интерференционные полосы, в которых распределение интенсивности описывается функцией вида (см. соотношения (5) и (9)).

    Если вместо двух складываются N пучков, то распределение интенсивности иное. Как изменятся интерференционные полосы, можно предсказать на основе закона сохранения энергии. При условии, что складывающиеся когерентные пучки имеют одинаковую интенсивность, амплитуда световых колебаний в максимумах интенсивности интерференционных полос в N раз больше, а интенсивность - в N 2 раз больше, чем интенсивность одного пучка. Однако полная энергия, приходящаяся на одну интерференционную полосу, лишь в N раз больше, чем энергия одного пучка. Увеличение интенсивности в максимумах в N 2 раз возможно лишь при значительном перераспределении потока энергии в пространстве: при прежнем расстоянии между светлыми полосами, их ширина должна быть примерно в N раз меньше этого расстояния. Благодаря образованию узких максимумов, т.е. резких светлых полос, разделенных широкими темными промежутками, многолучевая интерференция получила широкое применение.







    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.