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 lm= 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 lm= 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