Nr ćwiczenia: 10 |
Temat ćwiczenia: |
Ocenia z teorii: |
Nr zespołu: 5 |
Imię i nazwisko: |
Ocena z zal. ćwiczenia: |
Data: 05.04.2006 |
Wydział, rok, grupa: EAIiE, I, 1 |
Uwagi: |
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.
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.
Wstęp teoretyczny:
Maxwell pokazał, że światło jest częścią widma elektromagnetycznego. Wszystkie fale wchodzące w skład tego widma mają charakter elektromagnetyczny i rozchodzą się w próżni z tą samą prędkością. Różnią się jedynie długościami fali, a co za tym idzie częstościami.
Dyfrakcja jest to zjawisko polegające na uginaniu się promieni świetlnych przechodzących w pobliżu przeszkody, takiej jak np. brzeg szczeliny. Przez obraz dyfrakcyjny rozumiemy rozkład natężenia oświetlenia, który otrzymujemy na ekranie, jeśli na drodze rozchodzącej się fali umieszczona została przeszkoda.
Interferencja to zjawisko ruchu falowego polegającego na nakładaniu się ruchów falowych. Zachodzi dla fal o tej samej częstotliwości ze stałym w czasie przesunięciem fazowym.
Prawo Malusa
Jeżeli przepuścimy wiązkę światła spolaryzowanego o natężeniu I0 przez analizator, to natężenie światła przepuszczonego będzie zależeć od kąta ၡ zawartego pomiędzy płaszczyzną polaryzacji polaryzatora (wiązki padającej), a płaszczyzną polaryzacji analizatora. Natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy wektora natężenia pola elektrycznego fali świetlnej. Polaryzator rozkłada amplitudę fali padającej E na składową równoległą do płaszczyzny polaryzacji równą Ecosၡ i prostopadłą, ale tylko składowa równoległa jest przepuszczana. Ponieważ natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy fali, więc natężenie światła przepuszczonego przez analizator jest proporcjonalne do kwadratu cosၡ, skąd wynika prawo Malusa:
I = I0 cos2Θ
gdzie:
I - natężenie światła po przejściu przez polaryzator,
I0 - natężenie światła przed polaryzacją,
Θ - kąt między osią transmisji polaryzatora a wektorem pola E padającej wiązki (kąt między płaszczyzną drgań światła padającego i płaszczyzną polaryzatora).
Interferencja to zjawisko nakładania się fal pochodzących z wielu źródeł. W fizyce wyróżnia się dwa rodzaje interferencji. Optyka najczęściej rozpatruje przypadek interferencji fal sinusoidalnych o zbliżonej częstotliwości i amplitudzie. Akustyka i analiza sygnałów jest bardziej zainteresowana nakładaniem się fal o złożonych kształtach.
Dla zjawiska interferencji obszar rozchodzenia się fal składa się z fragmentów, gdzie zupełnie nie ma oscylacji i miejsc, w których jej amplituda ulega podwojeniu. Aby zaobserwować maksima i minima interferencyjne, konieczne jest, aby źródła fal były koherentne, czyli miały tą samą fazę, częstotliwość oraz długość). Białe światło Słońca nie spełnia takiego warunku i dlatego najłatwiej zaobserwować interferencję światła lasera. Doświadczenie Younga pozwala na obserwację tego zjawiska dla światła białego. Przykłady eksperymentalnej obserwacji interferencji fal pochodzących z dwóch źródeł przedstawiono na ilustracji.
Interferencja fal pochodzących z dwóch źródeł
Interferencja pozwala na bardzo precyzyjny pomiar długości drogi od źródła do detektora fali. Światło lasera można podzielić kostką światłodzielącą na dwie wiązki. Jedną z nich umieszcza się na mierzonym odcinku, a drugą wprowadza do detektora jako wiązkę odniesienia. W efekcie rejestrowane natężenie światła będzie rosnąć i maleć cyklicznie w miarę zwiększania wymiarów odcinka. Długość fali może stać się wzorcem odległości, np. metra, co wykorzystuje interferometr laserowy.
Polaryzacja światła, całkowite lub częściowe uporządkowanie drgań fali świetlnej (polaryzacja fal). W fali (świetle) polaryzowanej całkowicie drgania fali odbywają się w jednym kierunku, przy polaryzacji częściowej, drgania w kierunku polaryzacji mają większą amplitudę niż w kierunku prostopadłym do kierunku polaryzacji. Szczególnymi przypadkami są polaryzacja liniowa i kołowa. W pierwszym przypadku amplituda fali jest skierowana wzdłuż danej osi, w drugim obraca się cały czas, co jest równoznaczne z rozchodzeniem się dwóch prostopadłych do siebie fal o równych amplitudach, ale przesunięte względem siebie w fazie o 90 stopni. Jeśli amplitudy tych składowych nie są równe to mówimy o polaryzacji eliptycznej. Światło emitowane przez rozgrzane ciała nie jest spolaryzowane. Polaryzacja częściowa zachodzi: przy odbiciu światłą na granicy dwóch ośrodków (np. powietrza i wody) (w szczególnym wypadku przy kącie padania równym kątowi Brewstera światło odbite jest całkowicie spolaryzowane liniowo). Przy rozchodzeniu się światła w ośrodku anizotropowym (dwójłomność), światło rozdziela się na dwie spolaryzowane wiązki. Przy rozpraszaniu światła (światło obserwowane pod kątem prostym do kierunku padania wiązki jest całkowicie spolaryzowane).
W polaroidach polaryzacja światła naturalnego dokonuje się wskutek silnie asymetrycznej budowy cząsteczek. Polaroidy przepuszczają światło o określonej płaszczyźnie polaryzacji, a pochłaniają światło o polaryzacji prostopadłej do przepuszczonej.
Światło spolaryzowane może być również emitowane przez źródło. Przykładem takiego źródła jest laser, który przy odpowiedniej konstrukcji wysyła wiązkę całkowicie spolaryzowaną.
