Лабораторная работа №4, страница 311 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Лабораторная работа № 4

Наблюдение интерференции, дифракции и поляризации света

Цель работы: экспериментально доказать электромагнитную природу света путем анализа явлений интерференции, дифракции и поляризации света.

Оборудование: Пластины стеклянные — 2 шт.; лампа с прямой нитью накала; штангенциркуль (можно заменить черной плотной бумагой и лезвием), дифракционная решетка, поляризатор, анализатор, фотоэлемент, гальванометр.

Исследование явлений рекомендуется провести на оптической скамье с набором необходимых приборов.

Краткая теория

Волновые свойства света проявляются в таких явлениях как интерференция, дифракция, поляризация. Интерференция — это явление наложения когерентных волн с распределением максимумов и минимумов освещенности в пространстве. Интерференционная картина зависит от разности хода когерентных лучей и имеет причудливую окраску. Дифракция — это наложение волн в результате огибания ими препятствий, при этом наблюдаются спектры от фиолетового до красного цвета, расположенные в строго определенном порядке. В поляризованной световой волне колебания происходят только в плоскости поляризации, что легко обнаружить по уменьшению интенсивности света с помощью анализатора.

Задание 1. Наблюдение интерференции света

Порядок выполнения работы:

1. Две стеклянные пластины тщательно протрите, сложите вместе и, притирая, сильно прижмите их пальцами друг к другу.

2. Рассмотрите пластины на темном фоне в отраженном свете. Пластины расположите так, чтобы на них не образовывались яркие блики.

3. В местах, где пластины соприкасаются плотно, на расстоянии, сравнимом с длиной световой волны, появятся яркие радужные замкнутые линии. Изобразите их.

4. Опишите изменение формы и расположения полученных интерференционных картин в зависимости от толщины воздушной прослойки между пластинами. Толщину прослойки меняйте путем более интенсивного сжатия пластин.

5. Рассмотрите интерференционную картину, меняя угол зрения на поверхность пластины, опишите наблюдаемое явление.

6. Рассмотрите интерференционную картину в проходящем свете. Какие цвета наблюдаются в полученных картинах?

Задание 2. Наблюдение дифракции света

Порядок выполнения работы:

1. Ползунок штангенциркуля сдвиньте до образования между губками щели шириной 0,5 мм (прорежьте на черной бумаге лезвием щель толщиной 0,5 мм).

2. Приставьте щель вплотную к глазу, расположив ее вертикально.

3. Посмотрите сквозь щель на вертикально расположенную светящуюся нить лампы, пронаблюдайте по обе стороны от нити радужные полосы (дифракционные спектры), изобразите их.

4. Изменяя ширину щели от 0,5 мм до 0,8 мм, убедитесь в том, что при переходе к более узким щелям дифракционные полосы раздвигаются, становятся шире и образуют различимые спектры. При наблюдении через самую широкую щель полосы очень узки и располагаются близко одна к другой.

5. Запишите вывод.

6. Повторите наблюдение, используя дифракционную решетку, укажите, в чем различие дифракционных картин, полученных от щели, и дифракционной решетки.

Задание 3. Сравнение интерференционной и дифракционной картин

Порядок выполнения работы:

1. Составьте сравнительную таблицу радужной интерференционной картины на тонкой воздушной пленке и дифракционной картины, полученной от щели.

Таблица 5

Параметры сравнения Интерференционная картина Дифракционная картина

Наличие всех цветов спектра

Порядок в расположении цветов

Зависимость картины от толщины слоя (щели)

Особенности, присущие только этому явлению

Примечание: Таблицу можно пополнить своими параметрами наблюдений.

2. Сделайте вывод о сходстве и различии интерференционной и дифракционной картин, поясните вывод на основе волновой теории света.

Задание 4. Наблюдение поляризации света

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из источника света S, двух поляризаторов П и А (поляризатор и анализатор взаимозаменяемы); фотоэлемента ФЭ с гальванометром Г (рис. 6).

Свет от источника S после прохождения через поляризатор П становится плоскополяризованным. Если главные оси П и А параллельны, интенсивность света, попадающего на ФЭ, максимальная, если перпендикулярны, то интенсивность равна нулю. В других случаях интенсивность принимает промежуточные значения.

Об интенсивности света можно судить по значению силы тока в цепи ФЭ, который измеряется гальванометром Г. Измерения следует проводить в затемненном помещении.

Главная ось анализатора

$$ E_A = E \cos \alpha $$

Главная ось поляризатора

Рис. 6. Экспериментальная установка для наблюдения поляризации света

Порядок выполнения работы:

1. Включите гальванометр Г в цепь ФЭ, установите стрелку гальванометра на ноль.

2. Включите источник света.

3. Вращением анализатора А добейтесь максимального показания гальванометра. Оно не должно превышать пределы измерения прибора.

4. Повернув анализатор на 90°, определите показание гальванометра. Полученное значение силы тока необходимо вычитать из показания гальванометра при каждом последующем измерении, так как создано другими источниками света, освещающих ФЭ. В хорошо затемненном помещении показание гальванометра в этом положении равно нулю.

5. Проведите измерения силы тока, изменяя угол наклона оси анализатора на 15° при каждом измерении. Выполняя замеры для одного полного оборота от 0° до 360°, вносите результаты в таблицу 6.

Таблица 6

№ опыта $$\alpha$$$$\cos \alpha$$$$\cos^2 \alpha$$ I

6. По данным таблицы постройте график зависимости силы фототока I от квадрата косинуса угла поворота.

7. Сделайте вывод, ответив на вопрос: как зависит интенсивность света (сила фототока) от угла поворота между осями А и П?

Задание. Найдите в сети Интернет информацию о законе Малюса. Как полученные результаты опыта согласуются с законом?

Контрольные вопросы

1. Что такое интерференция света? Дифракция света?

2. Какие волны называются когерентными?

3. Что называют оптической разностью хода?

4. При каком условии наблюдается максимум и минимум освещенности?

5. Какой свет называется естественным, поляризованным?

6. Что такое поляризатор, анализатор?

1. Что такое интерференция света? Дифракция света?

Интерференция света — это явление перераспределения интенсивности света в пространстве в результате наложения (суперпозиции) двух или нескольких когерентных световых волн. В тех областях, где фазы волн совпадают, происходит их усиление (конструктивная интерференция), и наблюдаются максимумы интенсивности. В областях, где волны приходят в противофазе, они гасят друг друга (деструктивная интерференция), и наблюдаются минимумы интенсивности. В результате возникает устойчивая во времени картина чередующихся светлых и темных полос или пятен, называемая интерференционной картиной.

Дифракция света — это явление, заключающееся в огибании световыми волнами препятствий и их проникновении в область геометрической тени. Дифракция является проявлением волновой природы света и становится заметной, когда размеры препятствий или отверстий сопоставимы с длиной световой волны. Согласно принципу Гюйгенса-Френеля, каждая точка волнового фронта является источником вторичных сферических волн, и интерференция этих вторичных волн и приводит к дифракционной картине — системе чередующихся светлых и темных полос, наблюдаемой за препятствием.

Ответ: Интерференция — это наложение когерентных волн, приводящее к устойчивой картине максимумов и минимумов света. Дифракция — это огибание волнами препятствий, отклонение от прямолинейного распространения.

2. Какие волны называются когерентными?

Когерентными называются волны, которые удовлетворяют двум условиям:
1. Они имеют одинаковую частоту (и, следовательно, длину волны).
2. Разность их фаз в любой точке пространства остается постоянной во времени.
Только когерентные волны способны при наложении создавать устойчивую интерференционную картину. Источники, излучающие такие волны, называются когерентными источниками. Примером источника когерентного света является лазер. Свет от обычных источников (например, лампы накаливания) не является когерентным, так как состоит из множества волн, излучаемых независимо друг от друга атомами в разные моменты времени с разными начальными фазами.

Ответ: Когерентные волны — это волны одинаковой частоты с постоянной разностью фаз.

3. Что называют оптической разностью хода?

Оптической разностью хода $(\Delta)$ двух световых лучей, идущих из одной точки в другую по разным путям, называют разность их оптических длин пути. Оптическая длина пути луча в среде равна произведению геометрической длины пути $(l)$ на показатель преломления среды $(n)$, то есть $L = n \cdot l$. Таким образом, если два луча проходят в средах с показателями преломления $n_1$ и $n_2$ пути $l_1$ и $l_2$ соответственно, то оптическая разность хода между ними равна:
$\Delta = n_2 l_2 - n_1 l_1$.
Оптическая разность хода определяет разность фаз, с которой лучи приходят в точку наблюдения, и, следовательно, определяет результат их интерференции (усиление или ослабление света).

Ответ: Оптическая разность хода — это разность оптических длин путей двух лучей, равная $\Delta = n_2 l_2 - n_1 l_1$.

4. При каком условии наблюдается максимум и минимум освещенности?

Условия максимума и минимума освещенности (интенсивности) при интерференции света определяются оптической разностью хода $(\Delta)$ интерферирующих лучей.

Условие максимума (конструктивная интерференция): максимум освещенности наблюдается в тех точках пространства, для которых оптическая разность хода равна целому числу длин волн $(\lambda)$ в вакууме.
$\Delta = k\lambda$, где $k = 0, \pm1, \pm2, ...$
В этом случае волны приходят в точку в одинаковой фазе, усиливая друг друга.

Условие минимума (деструктивная интерференция): минимум освещенности наблюдается в тех точках, для которых оптическая разность хода равна полуцелому числу длин волн.
$\Delta = (2k+1)\frac{\lambda}{2}$, где $k = 0, \pm1, \pm2, ...$
В этом случае волны приходят в точку в противофазе, ослабляя друг друга.

Ответ: Максимум наблюдается, когда оптическая разность хода равна $k\lambda$, а минимум — когда она равна $(2k+1)\frac{\lambda}{2}$.

5. Какой свет называется естественным, поляризованным?

Естественный свет (или неполяризованный свет) — это свет, в котором колебания вектора напряженности электрического поля $(\vec{E})$ происходят во всевозможных направлениях, перпендикулярных направлению распространения волны. Эти колебания быстро и хаотично сменяют друг друга. Таков, например, свет от Солнца или от лампы накаливания.

Поляризованный свет — это свет, в котором колебания вектора напряженности электрического поля $(\vec{E})$ каким-либо образом упорядочены. Выделяют несколько видов поляризации:
• Плоскополяризованный (линейно поляризованный) свет: колебания вектора $\vec{E}$ происходят только в одной плоскости, проходящей через направление распространения волны. Эта плоскость называется плоскостью поляризации.
• Свет, поляризованный по кругу (циркулярная поляризация): конец вектора $\vec{E}$ описывает окружность в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.
• Свет, поляризованный по эллипсу (эллиптическая поляризация): конец вектора $\vec{E}$ описывает эллипс. Это наиболее общий случай поляризации.

Ответ: Естественный свет — свет с хаотичными колебаниями вектора $\vec{E}$ во всех направлениях, перпендикулярных лучу. Поляризованный свет — свет с упорядоченными колебаниями вектора $\vec{E}$.

6. Что такое поляризатор, анализатор?

Поляризатор — это оптическое устройство, предназначенное для преобразования естественного (неполяризованного) света в поляризованный. Поляризатор пропускает световые колебания только в одном определенном направлении, которое называется осью пропускания (или главной плоскостью) поляризатора, а колебания в перпендикулярном направлении поглощает или отражает.

Анализатор — это тот же поляризатор, но используемый для определения, является ли свет поляризованным, и для анализа характера его поляризации. Анализатор устанавливают на пути уже поляризованного света. Вращая анализатор вокруг луча и наблюдая за интенсивностью прошедшего через него света, можно сделать выводы о поляризации. Если при вращении анализатора интенсивность меняется от максимума до нуля (в идеальном случае), значит, падающий на него свет плоскополяризован.

Ответ: Поляризатор — устройство для получения поляризованного света из естественного. Анализатор — такой же прибор, но используемый для исследования уже поляризованного света.