Задания и указания к выполнению

Задания, обозначенные (*), выносятся на экзамен. Номера заданий, которые следует выполнять, называет преподаватель.

Задание 1*. Продемонстрировать на экране интерференцию света с помощью бипризмы Френеля. Для этого воспользоваться школьной оптической скамьей и деталями из школьного набора по волновой оптике. Показать получившуюся на экране картину преподавателю.

Задание 2. На оптической скамье, снабженной окулярным микрометром, по интерференционной картине, полученной с помощью бипризмы Френеля, измерить длину волны зеленого света. Для этого необходимо собрать установку, оптическая схема которой изображена на рис. 5.

§ Осветить щель, спроектировав на неё нить осветительной лампочки. Посмотрев через бипризму, убедиться в том, что она даёт два мнимых изображения щели.

§ Установить щель параллельно ребру бипризмы.

§ Сделать щель достаточно широкой и отцентрировать систему так, чтобы светлая вертикальная полоса попадала в окулярный микрометр. Для этого проверить ход световых лучей при помощи листа белой бумаги.

§ Поместить лист белой бумаги перед окулярным микрометром. Постепенно уменьшая ширину щели и слегка поворачивая ее вокруг горизонтальной оси, получить на бумаге интерференционную картину.

§ Наблюдая интерференционную картину через окулярный микрометр, посредством небольшого уменьшения щели добиться максимальной резкости интерференционных полос.

§ Установить перед окулярным микрометром интерференционный светофильтр. Пронаблюдать изменения в интерференционной картине. Закрепить все рейтеры на скамье и показать полученную интерференционную картину преподавателю или лаборанту.

§ Считая, что мнимые изображения щелей находятся в той же плоскости, что и сама щель, измерить расстояние L от щели до окулярного микрометра.

§ Для определения расстояния d между мнимыми изображениями щелей воспользоваться линзой с известным фокусным расстоянием f. Установить линзу между бипризмой и окулярным микрометром. Спроектировать с помощью линзы изображения

источников S₁ и S₂ на плоскость окулярного микрометра и измерить расстояние d` между изображениями S₁' и S₂' (Рис.8).

§ Настроить нить окуляра на одну из полос и снять показания окулярного микрометра. Сместить поле зрения на (k-m)=5 зеленых полос и опять снять показания микрометра. Найти z - разность этих показаний

§ По формуле (23) найти расстояние d между источниками:

, (23)

здесь x₁ - расстояние между линзой и плоскостью изображения источников.

Подставляя это выражение в формулу (24), можно найти длину волны:

 

(24)

Оцените погрешность измерений.

Задание 3. Используя He-Ne–лазер (λ=0.63мкм) и тест-объект МОЛ-01, продемонстрировать интерференцию света от двух щелей (опыт Юнга). Учебный демонстрационный тест-объект МОЛ-01 (Рис.9) представляет собой стеклянную подложку с зеркальным непрозрачным покрытием и с выполненными по специальной фотолитографической технологии прозрачными структурами (одиночные и двойные штрихи, круглые отверстия, кольца и т. д.). Они расположены в трех рядах через равные угловые промежутки. Ряд А – двойные щели с переменными расстоянием между щелями d и шириной щели b. Ряд С – одинарные щели, ряд В- круглые отверстия, отверстия с центральным непрозрачным диском и зонная пластинка с диаметром первой открытой зоны 200мкм и общим числом зон 21. В центре квадратная сетка из прозрачных штрихов шириной 6 мкм и периодами 50 мкм по обеим координатам. Общее число штрихов по каждой координате – 100. Длина каждого штриха -5мм.

Задание 4. Получите интерференционную картину от двух щелей с наименьшим расстоянием d (ряд А, № 1) и с наибольшим d (ряд А, № 36). Измерьте в обеих картинах ширину интерференционной полосы b. По формуле (25) найдите d расстояние между щелями:                                      (25)

Оцените погрешность измерений.

Задание 5. Продемонстрировать аудитории интерференционный опыт Поля с пластинкой слюды. В качестве источника света использовать ртутную лампу.

Задание 6. Продемонстрировать большую временную когерентность лазерного излучения на примере интерференции лучей сферической волны, отраженных от толстой плоскопараллельной пластинки. Для преобразования лазерного излучения в сферическую волну используйте микро-объектив от микроскопа, в качестве экрана лист белой бумаги с отверстием, надетой на микро-объектив.

Задание 7. Используя комбинацию плоскопараллельной пластинки и линзы (из школьного набора), продемонстрировать на школьной оптической скамье кольца Ньютона в проходящем и отраженном свете. Оптическая схема установки дана на рис. 10, где S – источник света, I - конденсор, 2 - линза с пластинкой, 3 – объектив от школьной оптической скамьи, MN - экран. При демонстрации можно пользоваться светофильтром, помещая его за объективом. Светофильтр увеличивает временную когерентность излучения и, соответственно, увеличивается по сравнению с белым светом количество наблюдаемых полос интерференции.

Задание 8. Определить по кольцам Ньютона радиус кривизны линзы.

Для измерения диаметров интерференционных колец в настоящем задании используется вертикальный металлографический микроскоп МИМ-6. Упрощенная схема хода лучей и внешний вид микроскопа представлены на рисунках 11, 12. Цифры на этих рисунках соответствуют друг другу. Источник света 1 представляет собой металлическую трубку с вмонтированным гнездом для светодиода с одной стороны и гнездом для подключения источника постоянного тока с другой стороны. Напряжение, соответствующее нормальной работе осветителя, составляет 3В. При необходимости изменить цвет освещения достаточно сменить светодиод. В данном задании используется светодиод (λ_кр = 0,615 мкм), свет от которого

преобразуется в параллельный пучок конденсором 2. Попадая далее на полупрозрачную пластинку 4, свет отражается вверх, через объектив 5 освещает объект 6 (в данном случае пластинку и прижатую к ней линзу). Отраженный свет через объектив 5, поворотную призму 7 и окуляр 8 попадает на матрицу Веб - камеры, подключенной к компьютеру. На экране компьютера получается увеличенное изображение объекта. Для фокусировки, изменения расстояния от объектива до объекта, служит винт 9. Веб - камера крепится на микроскоп посредством резинового жгута, зажатого металлическим кольцом, закрепленным на трубке, предназначенной для окуляра. Такое крепление позволяет поворачивать плоскость наблюдения относительно оптической оси, не меняя положения самого объекта, а изменяя расположения камеры. Важным условием наблюдений является такое положение камеры, при котором видна наиболее освещенная часть объекта. При этом оптическая ось камеры совпадает с осью трубки, на которой крепится Веб - камера. В противном случае в объектив камеры попадает лишь часть исследуемого изображения.

Выполнение задания можно разделить на четыре части:

1. Получение изображения интерференционной картины
2. Сохранение изображения
3. Градуировка изображения
4. Обработка результатов наблюдения

Первые два пункта с целью определения соотношения между пикселями и микрометрами следует выполнить поочередно сначала для колец Ньютона, затем для объект - микрометра.

Получение изображения интерференционной картины:

§ Включить компьютер.

§ Запустить программу работы с Веб камерой (Camera Plus).

§ В окне программы выбрать иконку Video Recorder.

§ Подключить питание к источнику света (светодиоду).

§ Установить на предметном столике исследуемый объект и убедиться, что свет от светодиода освещает нужную область объекта.

§ Вращением винта 9 добиться появления на экране четкой картины колец Ньютона.

Сохранение изображения:

§ Сфотографировать полученное изображение.

§ Сохранить фотографию в папке «Студенты, 2курс».

Градуировка изображения:

§ Открыть изображение колец Ньютона в программе Paint (нажать внизу слева Paint) и провести измерения диаметров соответствующих темных колец Ньютона в пикселях (например, диаметры 1-ого и 6–ого кольца). Для этого выбрать “линию”, нажать Shift и с помощью правой копки мыши соединить диаметрально противоположные точки белой линией, записать координаты этих точек.

§ В программе Paint открыть изображение шкалы микрообъекта, определить, сколько пикселей содержится в 1мкм, и выразить диаметр колец Ньютона в миллиметрах.