Л А Б О Р А Т О Р Н А Я Р А Б О Т А № 5 В

ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОГО ОПЫТА ЮНГА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить схему наблюдения интерференционных рефлексов с помощью опыта Юнга.

2. Рассчитать условия образования темных и светлых интерференционных полос в опыте Юнга.

3. Рассчитать расстояния между светлыми и темными интерференционными полосами в опыте Юнга.

4. Рассчитать угловое расстояние между светлыми (или темными) интерференционными полосами.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -
2-е изд. - М. : Высш. шк., 1990. - 478 с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для студентов втузов. В 3 т. Т.2: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика / И.В. Савельев. - М.: Наука, 1989. – 480 с.

3. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для втузов / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. - М.: Высш. шк., 1989. - 608 с.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

При изучении света ещё в 15 веке были установлены факты попадания света в область геометрической тени и появлении при наложении пучков света чередующихся светлых и темных полос.

Результаты сложения световых пучков были впервые точно истолкованы на основе волновых представлений Юнгом. При дальнейшем изучении этого вопроса Юнг открыл принцип интерференции (сам термин был введён Юнгом в 1802 году). Схема опыта Юнга представлена на рисунке 1.

Малое отверстие А в непрозрачном экране освещается интенсивным источником света. Согласно принципу Гюйгенса это отверстие является источником распространения элементарных полусферических волн. Эти волны падают на два малых отверстия В₁ и В₂ , которые в свою очередь становятся источниками волн, накладывающихся друг на друга в области D. Так как колебания в отверстиях В₁ и В₂ вызываются одной и той же падающей на них волной, то их амплитуды и фазы одинаковы. Волны, исходящие из точек В₁ и В₂ , сходятся в каждой точке области D с разностью хода, определяемой пройденными ими путями. В зависимости от этой разности хода они усиливают или ослабляют друг друга.

Если в разности хода укладывается целое число длин волн (или четное число длин полуволн) то наблюдается интерференционный максимум (светлая полоса).

Δ = ±kλ, (1)

где k - целое число, порядок интерференционного максимума, k = 0,1,2,3…

Рисунок 1 - Схема опыта Юнга

Если в разности хода укладывается нечетное число длин полуволн, то наблюдается интерференционный минимум (темная полоса).

. (2)

Таким образом, на экране в области D наблюдается явление наложения двух волновых процессов, проявляющееся в образовании усиленных и ослабленных областей в виде чередующихся светлых и темных полос.

Рассчитаем положение интерференционных рефлексов на экране Э (рисунок 2). Пусть точечные источники волн В₁ и В₂ расположены друг от друга на расстоянии d (рисунок 2). Будем считать, что колебания в точках В₁ и В₂ совершаются в одной фазе с одинаковыми амплитудами. Результат интерференции волн пусть наблюдается на экране Э, расположенном от точек В₁ и В₂ на расстоянии L, большим по сравнению с d. Определим разность хода Δ, с которой приходят волны в точку С экрана, отстоящую от его середины А на расстоянии l. Поскольку L>>d и L>>l, то треугольники В₁ В₂ N и АОС подобны.

.

Отсюда

. (3)

Если в разности хода укладывается целое число длин волн (условие 1), то в точке С на экране Э будет наблюдаться светлая полоса.

. (4)

Если в разности хода укладывается нечетное число длин полуволн (условие 2), то в точке С на экране Э будет наблюдаться темная полоса.

. (5)

Рисунок 2 - Расчет разности хода лучей В1С и В2С

Видно, что светлые полосы располагаются на расстояниях от середины экрана т. А, равных

, (6)

где k = 0,1,2,3…

Темные полосы расположены между светлыми. Расстояние между соседними светлыми полосами равно:

. (7)

Положение светлых полос можно определить также углом , т.е

. (8)

Угловое расстояние между соседними светлыми или темными полосами Δα равно:

. (9)

Из соотношения (9) видно, что угловое расстояние между полосами определяется отношением , т.е. отношением длины волны λ к расстоянию между источниками d. Это отношение не должно быть малым, так как в противном случае интерференционные полосы расположатся на слишком малых расстояниях друг от друга.

При наблюдении интерференционной картины в красном свете интерференционные полосы располагаются на больших угловых расстояниях Δα друг от друга, а при наблюдении в синем свете – на меньших.

Отсюда следует, что свет различного цвета отличается друг от друга длиной волны (таблица 1).

Таблица 1

Цвет цвета	Приблизительный интервал длин волн, λ, мкм
Красный	0,76-0,63
Оранжевый	0,63-0,60
Желтый	0,60-0,57
Зеленый	0,57-0,50
Сине-зеленый	0,50-0,45
Синий	0,45-0,43
Фиолетовый	0,43-0,40

Лучи с длинами волн больше 0,76 мкм и меньше 0,40 мкм человеческий глаз не воспринимает. Первые из них называются инфракрасными, вторые – ультрафиолетовыми.

Свет какой-либо одной определенной длины волны называется монохроматическим.

Компьютерный эксперимент

Компьютерный эксперимент позволяет провести виртуальный интерференционный опыт Юнга, в котором монохроматический луч света проходит через две близко расположенные щели. Эти щели генерируют две когерентные световые волны, которые, накладываясь в области перекрытия двух световых пучков, образуют интерференционную картину в виде чередующихся светлых и темных полос. Компьютерная программа предусматривает расчет положения интерференционных полос, их ширину и угол схождения световых лучей.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

1. Компьютер.

2. Программа «Открытая физика 1.1», ООО «Физикон».