Ćwiczenie 10
Badanie zjawiska dyfrakcji i polaryzacji światła
Cel ćwiczenia
Obserwacja obrazu dyfrakcyjnego pojedynczej szczeliny i badanie wpływu szerokości
szczeliny na położenia maksimów i minimów natężenia światła. Wyznaczenie
szerokości szczeliny. Poznanie zjawiska polaryzacji światła. Sprawdzanie prawa Malusa
Wymagane wiadomości teoretyczne
Równanie fali elektromagnetycznej, równania Maxwella, zjawisko interferencji
i dyfrakcji fal elektromagnetycznych, analogia do fal sprężystych, obraz dyfrakcyjny
pojedynczej szczeliny, inne elementy dyfrakcyjne, rodzaje polaryzacji fali
elektromagnetycznej, sposoby uzyskania światła spolaryzowanego, polaryzatory, stopień
polaryzacji, prawo Malusa, skręcenie płaszczyzny polaryzacji, substancje czynne
optycznie, polarymetr, zasada działania lasera, laser gazowy He-Ne, inne rodzaje
laserów w tym lasery półprzewodnikowe, właściwości światła laserowego, spójność
czasowa i przestrzenna.
Wyposażenie stanowiska
Laser gazowy He-Ne o mocy 1 mW i długości fali 632,8 nm, ława optyczna, polaryzator
i analizator, ekran, szczelina o regulowanej szerokości, fotodioda z zasilaczem i
wyświetlaczem.
Wykonanie ćwiczenia
1. Sprawdzić, czy stanowisko pomiarowe zawiera wszystkie elementy wymienione
w instrukcji. W razie braku jakiegoś elementu należy niezwłocznie
poinformować o tym asystenta prowadzącego ćwiczenie.
2. Zapoznać się z instrukcją do ćwiczenia i w oparciu o przygotowany wcześniej
konspekt zastanowić się nad praktyczną realizacją zadań.
3. Na ławie optycznej ustawić laser i ekran.
1
4. W obecności asystenta prowadzącego ćwiczenie włączyć zasilacz lasera He-
Ne.
5. Przesuwając ekran wzdłuż ławy optycznej sprawdzić czy wiązka światła biegnie
równolegle do osi optycznej układu. Jeżeli nie, poprawić ustawienie lasera (przy
pomocy śruby mikrometrycznej). Procedura ta nosi nazwę justowania.
Część I: Polaryzacja światła
6. Na ławie optycznej ustawić polaryzator i sprawdzić czy położenie plamki na
ekranie nie uległo zmianie.
7. Obracając polaryzator wokół osi optycznej zaobserwować czy następują zmiany
natężenia światła na ekranie.
8. Na ławie optycznej ustawić analizator i sprawdzić czy położenie plamki na
ekranie uległo zmianie.
9. Dla danego ustawienia polaryzatora, obracać analizator sprawdzając czy na
ekranie następują zmiany natężenia światła. Sprawdzić czy zmiany te mają
charakter periodyczny. Jaki jest okres tych zmian?
10. W miejsce ekranu ustawić fotodiodę. Wiązka światła powinna równomiernie
oświetlać fotodiodę.
11. Ustawić kąt skręcenia płaszczyzny polaryzatora tak, aby przy 90o na analizatorze
następowało całkowite wygaszenie światła. Następnie nie zmieniać ustawienia
polaryzatora.
12. ZmieniajÄ…c od 0 do 360o kÄ…t skrÄ™cenia analizatora að, odczytywać wartoÅ›ci
sygnału fotodiody (proporcjonalne do natężenia światła I) i zapisywać w tabeli.
Krok dobrać na podstawie dyskusji z prowadzącym ćwiczenie.
13. Zdjąć analizator i zmierzyć maksymalny sygnał fotodiody I gdy światło
o
przechodzi tylko przez polaryzator.
Część II: Dyfrakcja
14. Zdjąć polaryzator i fotodiodę.
15. Na ławie optycznej, blisko lasera, ustawić szczelinę o regulowanej aperturze
i ekran. Na ekranie umieszczonym jak najdalej od szczeliny uzyskać obraz
dyfrakcyjny. Zwrócić uwagę na konieczność centrowania szczeliny przy pomocy
regulacji przesuwu poziomego.
16. Zaobserwować zmiany położenia kolejnych minimów i maksimów natężenia
światła przy różnym stopniu otwarcia szczeliny. Zaobserwować obraz na ekranie
w dwóch skrajnych przypadkach: a) gdy szczelina jest bardzo szeroka,
2
w porównaniu z długością fali, b) gdy szczelina jest bardzo wąska. Zastanowić
się jak można uzasadnić teoretycznie wyniki tych obserwacji.
17. Przystępując do części pomiarowej tego ćwiczenia, w której będzie wyznaczany
rozkład natężenia światła I(x) uzyskany w wyniku dyfrakcji, należy uzgodnić
z asystentem warunki pomiaru tj. szerokość szczeliny a, krok z jakim zmieniać
należy położenie fotodiody x, zakres pomiarowy dla x, itd.
18. W miejscu ekranu ustawić fotodiodę. Zmieniając położenie w poziomie przy
pomocy śruby mikrometrycznej zapisywać w tabelce zarówno położenie x
odczytywane bezpośrednio ze śruby jak i sygnał proporcjonalny do natężenia
światła odczytywany na wskaz
niku cyfrowym. W czasie pomiaru nie zmieniać
szerokości szczeliny. Zwrócić uwagę na to, aby wyniki pomiaru objęły co
najmniej dwa pierwsze minima obrazu dyfrakcyjnego rozmieszczone
symetrycznie po obu stronach maksimum centralnego (prążka zerowego).
Uwaga: najwygodniej jest przesuwać śrubę mikrometryczną zawsze w jednym
kierunku.
19. Pomiary powtórzyć dla kolejnych, wskazanych przez asystenta, szerokości
szczeliny.
20. Zmierzyć odległość fotodetektora od szczeliny.
21. Przedyskutować uzyskane wyniki z asystentem prowadzącym ćwiczenie. Po
uzyskaniu zgody na zakończenie ćwiczenia, wyłączyć zasilanie lasera
i fotodiody. Uporządkować stanowisko pomiarowe.
Opracowanie wyników
Część I: Polaryzacja światła
1. Narysować wykres zależności względnego natężenia światła przechodzącego
przez polaryzator i analizator I/I w funkcji kÄ…ta skrÄ™cenia analizatora að.
o
2. OkreÅ›lić niepewność pomiaru wielkoÅ›ci I/I oraz að. Wyniki zamieÅ›cić w tabeli
o
i na wykresie.
3. Na wykres doświadczalny nanieść przewidywaną przez prawo Malusa zależność
teoretyczną. Odpowiedzieć na pytanie czy prawo Malusa dobrze opisuje
uzyskane w ćwiczeniu wyniki.
3
Część II: Dyfrakcja
4. Narysować wykres zależności natężenia światła I(x) w funkcji położenia
fotodiody x. Zaznaczyć wartość niepewności pomiarowej.
5. Obliczyć, na podstawie uzyskanych położeń pierwszego lub drugiego minimum
dyfrakcyjnego, szerokość szczeliny.
6. Określić niepewność pomiarową wyznaczonej szerokości szczeliny.
7. Posłużyć się teorią dyfrakcji na pojedynczej szczelinie oraz wyznaczoną
w punkcie 5 szerokością szczeliny, aby wyznaczyć teoretyczny przebieg
zależności I(x). Teoretyczny przebieg i doświadczalną krzywą umieścić na tym
samym wykresie.
Uwaga: Zależności I(x) najwygodniej jest unormować tak, aby w maksimum
centralnym dla x=0 wartość natężenia wynosiła 1.
Literatura
1. Wykład
2. D. Halliday, R. Resnick, Fizyka 2, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
1996
3. Pracownia Fizyczna Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej AGH, Skrypt
Uczelniany SU 1609 cz. I, pod redakcją A. Zięby, Uczelniane Wydawnictwa
Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 1999, str. 246 (dyfrakcja) oraz str. 258
(polaryzacja)
4. H. Szydłowski, Pracownia Fizyczna, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa
1999
4