• Laboratorium fizyki CMF PŁ

• Dzień 26.04.2006 godzina 18.15 grupa T-1/5

Wydział Mechaniczny

semestr II rok akademicki 2005/2006

ocena _____

Cele ćwiczenia:

• Zapoznanie się z podstawowymi zagadnieniami dotyczącymi fali elektromagnetycznej

• Scharakteryzowanie natury fizycznej światła widzialnego

• Wyznaczenie prędkości światła w powietrzu

• Wyznaczenie współczynnika załamania światła dla danych ośrodków

Wprowadzenie teoretyczne:

Światło jako zjawisko fizyczne ma naturę korpuskularno - falową. Oznacza to, iż promienie świetlne podlegają prawom typowym dla fal jak
np. dyfrakcja lub interferencja a z drugiej strony cząstki światła, czyli fotony posiadają swoją bardzo małą masę własną. Światło jest rodzajem fali elektromagnetycznej o długości od 800 nm do 400 nm.

Fale elektromagnetyczne są falami poprzecznymi składającymi się z prostopadłych do siebie naprzemianległych fal elektrycznych i magnetycznych. Fale elektromagnetyczne powstają wtedy, gdy elektron w atomie traci swoją energię i przeskakuje na orbitę bliższą jądra atomu. Powstałe w ten sposób drgania elektryczne rozchodzą się w przestrzeni w postaci wzajemnie przenikających się fal elektrycznych i magnetycznych.

Podstawową własnością fal elektromagnetycznych, w odróżnieniu od fal mechanicznych jest możliwość rozchodzenia się w próżni. Prędkość fali elektromagnetycznej w próżni jest równa prędkości światła.

Długość fali elektromagnetycznej jest wyrażona wzorem:

Gdzie:

V - prędkość fali (V = c = ok. 300 000 km/s.)

f - częstotliwość drgań źródła.

Metoda pomiaru prędkości światła

Elementy układu pomiarowego:

Zasadnicza część układu pomiarowego nazwana na schemacie „przyrządem pomiarowym” składa się z:

• Generatora prądu modulującego częstość świecenia

• Źródła światła (diody LED)

• Detektora powracającego światła (fotodioda)

• Dodatkowego generatora prądu o częstotliwości 50,05 MHz

• Dwóch mieszaczy (heterodynów)

Generator modulujący prąd elektryczny wpływa na natężenie światła wysyłanego przez diodę elektroluminescencyjną (LED). Wiązka światła po przebyciu pewnego odcinka drogi w powietrzu oświetla fotodiodę, która zamienia zmiany natężenia światła w sygnał elektryczny. Sygnał z generatora modulującego i sygnał z fotodiody podawane są na wejścia X i Y oscyloskopu. Obserwując zachowanie figur Lissajous na ekranie oscyloskopu można zauważyć, że przy wydłużaniu drogi przebytej przez światło opóźnienie sygnału z detektora względem sygnału z generatora osiąga w pewnym momencie 180⁰. Oznacza to iż przebycie przez światło wydłużonej drogi trwało połowę okresu modulacji. Znając odległość i czas jej pokonania przez światło można w prosty sposób obliczyć prędkość światła w powietrzu.

Wykonanie pomiarów:

Prędkość światła w powietrzu

xo	x1	Δx	Δl(2 Δx)
cm
0	148	148	296
1	149	148	296
3	150	147	294
4	151	147	294
5	152	147	294
6	152	146	292
7	153	146	292
8	154	146	292
9	155	146	292
10	155	145	290

Wartość średnia Δl wynosi: 293,2(7) cm

gdzie f = 50,01 MHz

= 293786400(21) m/s

Prędkość światła w wodzie

xo	x1	Δx
cm
102	119	17
103	119	16
105	120	15
107	123	16
97	114	17
100	116,5	16,5
110	125	15
112	128	16
116	131,5	15,5
115	130	15

Długość rury z wodą wynosi l_m= 102 cm

Średnia wartość Δx wynosi 15,9(4) cm

Wyznaczenie współczynnika załamania światła:

= 1,31(6)

Wyznaczenie prędkości światła w wodzie:

= 224264427(27) m/s

Prędkość światła w ciele stałym

xo	x1	Δx
cm
62	71	9
51	59,5	8,5
43	51,5	8,5
30	39	9
45	54	9
36	45	9
70	78,5	8,5
66	75	9
55	64	9
34	42	8

Długość bloku pleksiglasu l_m= 28,5 cm

Średnia wartość Δx wynosi 8,7(3) cm

Wyznaczenie współczynnika załamania światła:

= 1,61(8)

Wyznaczenie prędkości światła w ciele stałym:

= 182476024(34) m/s

Wnioski:

Fotony wiązki światła rozchodzą się z różną prędkością w różnych ośrodkach. Związane jest to z tym iż w próżni na światło nie działają żadne zjawiska osłabiające lub absorbujące fale, natomiast fala świetlna biegnąca w ośrodku natrafia na atomy powodujące osłabienie natężenia lub zanik fali. Różnice prędkości światła w różnych ośrodkach wyrażamy współczynnikiem załamania światła, który jest stosunkiem prędkości światła w próżni i w ośrodku.

Kod ćwiczenia	Tytuł ćwiczenia
W-1	Pomiar prędkości światła

Mateusz Kowalski

nr indeksu

Piotr Kaźmierczak

nr indeksu

Piotr Urbański

nr indeksu

---