ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Podobne dokumenty
BADANIE INTERFERENCJI MIKROFAL PRZY UŻYCIU INTERFEROMETRU MICHELSONA

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

OPTYKA FALOWA I (FTP2009L) Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła na szczelinach.

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

Ćwiczenie 4. Doświadczenie interferencyjne Younga. Rys. 1

Wykład 16: Optyka falowa

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

Prawa optyki geometrycznej

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

18 K A T E D R A F I ZYKI STOSOWAN E J

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Wykład 16: Optyka falowa


DYFRAKCJA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Wykład XIV. wiatła. Younga. Younga. Doświadczenie. Younga

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Wykład FIZYKA II. 8. Optyka falowa

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Podstawy fizyki wykład 8

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

WŁASNOŚCI FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH: INTERFERENCJA, DYFRAKCJA, POLARYZACJA

Badanie zjawisk optycznych przy użyciu zestawu Laser Kit

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

= sin. = 2Rsin. R = E m. = sin

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Politechnika Warszawska Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki Zakład Optoelektroniki

LABORATORIUM Z FIZYKI Ć W I C Z E N I E N R 2 ULTRADZWIĘKOWE FALE STOJACE - WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FAL

Interferencja. Dyfrakcja.

Optyka falowa. dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ 2012/13

Wykład 17: Optyka falowa cz.2.

Natura światła. W XVII wieku ścierały się dwa, poglądy na temat natury światła. Isaac Newton

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

Podstawy fizyki sezon 2 8. Fale elektromagnetyczne

Wykład III. Interferencja fal świetlnych i zasada Huygensa-Fresnela

przenikalność atmosfery ziemskiej typ promieniowania długość fali [m] ciało o skali zbliżonej do długości fal częstotliwość [Hz]

Zjawisko interferencji fal

40. Międzynarodowa Olimpiada Fizyczna Meksyk, lipca 2009 r. DWÓJŁOMNOŚĆ MIKI

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] -częstotliwość.

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 3. Pomiar drgao przy pomocy interferometru Michelsona

9. Optyka Interferencja w cienkich warstwach. λ λ

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Zjawisko interferencji fal

Laboratorium TECHNIKI LASEROWEJ. Ćwiczenie 1. Modulator akustooptyczny

28 Optyka geometryczna i falowa

GWIEZDNE INTERFEROMETRY MICHELSONA I ANDERSONA

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Interferencja jest to zjawisko nakładania się fal prowadzące do zwiększania lub zmniejszania amplitudy fali wypadkowej. Interferencja zachodzi dla

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 1 Badanie efektu Faraday a w monokryształach o strukturze granatu

Światło jako fala Fala elektromagnetyczna widmo promieniowania Czułość oka ludzkiego w zakresie widzialnym

G:\AA_Wyklad 2000\FIN\DOC\FRAUN1.doc. "Drgania i fale" ii rok FizykaBC. Dyfrakcja: Skalarna teoria dyfrakcji: ia λ

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Zjawisko interferencji fal

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Przedmiot: Fizyka. Światło jako fala. 2016/17, sem. letni 1

Pracownia fizyczna dla optyków okularowych. Drgania i fale. Instrukcja dla studentów

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

PIERWSZA PRACOWNIA FIZYCZNA Ćwiczenie nr 64 BADANIE MIKROFAL opracowanie: Marcin Dębski, I. Gorczyńska

Na ostatnim wykładzie

Wykład 27 Dyfrakcja Fresnela i Fraunhofera

WYZNACZANIE PROMIENIA KRZYWIZNY SOCZEWKI I DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ PIERŚCIENI NEWTONA

Oscylator wprowadza lokalne odkształcenie s ośrodka propagujące się zgodnie z równaniem. S 0 amplituda odkształcenia. f [Hz] - częstotliwość.

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Skręcenie płaszczyzny polaryzacji światła w cieczach (PF13)

Podstawy Fizyki III Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 19, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

DYFRAKCJA ŚWIATŁA NA POJEDYNCZEJ I PODWÓJNEJ SZCZELINIE

Ćwiczenie 1. Rys. 1. W układzie współrzędnych sferycznych (Rys.1) fala sferyczna jest opisana funkcją: A (2a)

Ćwiczenie O3-A3 BADANIE DYFRAKCJI NA SZCZELINIE I SIAT- CE DYFRAKCYJNEJ Wstęp teoretyczny

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Kaliszu

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 11, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

Ćwiczenie nr 71: Dyfrakcja światła na szczelinie pojedynczej i podwójnej

XXXI. FALE ELEKTROMAGNETYCZNE

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 19, Radosław Chrapkiewicz, Filip Ozimek

ŚWIATŁO. Czym jest światło? 8.1. Elementy optyki geometrycznej odbicie, załamanie światła

Wyznaczanie zależności współczynnika załamania światła od długości fali światła

Wyznaczanie rozmiarów przeszkód i szczelin za pomocą światła laserowego

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu

BADANIE WYMUSZONEJ AKTYWNOŚCI OPTYCZNEJ

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Ć W I C Z E N I E N R O-7

Uniwersytet Warszawski Wydział Fizyki. Światłowody

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

Transkrypt:

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL X L Rys. 1 Schemat układu doświadczalnego. Fala elektromagnetyczna (światło, mikrofale) po przejściu przez dwie blisko położone (odległe o d) szczeliny o szerokości l pada na ekran (rys.1). Widoczny na ekranie rozkład natężenia mikrofal jest wynikiem dyfrakcji i interferencji. Ponieważ szczeliny mają określoną szerokość, dla każdego punktu ekranu należy zsumować fale pochodzące z ich różnych obszarów. Jeżeli na punkt P ekranu padają dwie wiązki monochromatyczne o długości fali λ i wektorach elektrycznych E 1 i E, to wektor wypadkowego pola elektrycznego w tym punkcie jest równy E = E 1 + E. 1

Natężenie fali I w przybliżeniu jest równe < E >, gdzie < > oznacza wartość średnią w czasie. Zatem I = < E >, I 1 = < E 1 > i I = < E >. Ponieważ < E > = < E 1 > + < E > + < E 1 E >, natężenie fali wypadkowej wynosi I = I + I + I cosδ, (1) 1 1I gdzie δ jest różnicą faz w punkcie P między dwiema wiązkami światła, które przebyły drogi optyczne różniące się o Δs. Zatem δ = π Δs λ (). Z równań (1) i () widać wyraźnie, że przy jednakowych natężeniach obu wiązek i zgodności ich faz (δ = 0, π, 4 π...) w punkcie P obserwuje się maksimum natężenia I = 4I 1 = 4I, a przy niezgodności (δ = π, 3π, 5π...) występuje minimum natężenia światła I = 0. Oznacza to, że wiązki mikrofal interferują ze sobą mówimy wtedy, że wiązki są spójne. Na ekranie widzimy prążki jasne i ciemne (rys.a). I a ) I b ) I c) 4I I I1+γ ( ) I I1 γ ( ) 0 π π δ 0 π π δ 0 π π δ Rys.. Wypadkowe natężenie dwóch interferujących wiązek w zależności od różnicy faz między nimi. Kontrast obrazu interferencyjnego (widzialność prążków) dla wiązek: a) całkowicie spójnych, b) częściowo spójnych, c) niespójnych. Jeżeli między fazami wiązek nie ma żadnego związku lub zmiana ich faz ma charakter przypadkowy, to <cos δ> = 0 i wiązki światła są niespójne. Wówczas I = I 1 + I i nie obserwuje się obrazu interferencyjnego; ekran jest oświetlony jednolicie (rys.c). I

W przypadku, gdy wiązki światła są częściowo spójne, natężenie wypadkowe I zmienia się w granicach węższych niż od 0 do 4I 1, a równanie interferencji (1) przybiera postać I = I + I + γ I cosδ (3) 1 1I gdzie wielkość γ przyjmuje wartość z zakresu 0 γ 1. Wielkość γ jest współczynnikiem charakteryzującym stopień spójności interferujących wiązek i jednocześnie kontrast obrazu interferencyjnego (rys.b). Dla I 1 = I maksima i minima natężenia prążków interferencyjnych są równe odpowiednio: Zatem I max = I 1 (1+ γ) I min = I 1 (1- γ) I I max min γ = (4) max I + I min Kiedy γ = 1 wiązki są całkowicie spójne i wtedy I max = 4I 1, a I min = 0. Dla niespójnych wiązek (γ = 0) I max = I min = I 1. Gdy źródłami wiązek mikrofal są dwie nieskończenie wąskie szczeliny odległe od siebie o d i umieszczone w dużej odległości L od ekranu, wówczas w punkcie P różnica ich dróg optycznych (rys. l) wynosi a natężenie fali wypadkowej wyraża się wzorem Δ s = d sinθ (5) d sinθ I = I1 + I + γ I1I cos π (6) λ Jeśli wąskie szczeliny są oświetlone jednakowo, to znaczy gdy I 1 = I mamy d sinθ I = I 1 1 + γ cos π (7) λ 3

Tylko w takim wypadku można zmierzyć parametr γ. Mamy wówczas sytuację zilustrowaną rys.a lub b. W rzeczywistości nigdy nie mamy do czynienia z nieskończenie wąskimi szczelinami (nieskończenie wąska szczelina nie przepuszcza światła). Jeśli pojedyńczą szczelinę o szerokości l oświetlimy płaską falą monochromatyczną to na ekranie położonym daleko od szczeliny zaobserwujemy rozkład natężenia (patrz rys. 3): sinα I = I 0 (8) α gdzie π lsinθ α = (9) λ Zjawisko to nazywamy dyfrakcją światła na szczelinie, a jasne i ciemne pasy prążkami dyfrakcyjnymi. Pierwsze zero natężenia pojawia się dla kąta θ spełniającego warunek l sin θ λ = 1, co w przybliżeniu θ << 1można zapisać jako. Dla dwóch równoległych szczelin obserwujemy oba efekty równocześnie: dyfrakcję światła na każdej ze szczelin oraz interferencję fal pochodzących od równoległych szczelin. θ = λ l I( θ) Δθ 3λ λ λ 0 λ λ 3λ lsinθ Rys. 3 Rozkład natężenia światła ugiętego na szczelinie o szerokości l. Rozkład natężenia światła, obserwowany na ekranie, dany jest wtedy wyrażeniem: sin( π lsinθ λ) I = I 0[ 1+ γ cos π ( d sinθ λ) ] sin π l θ λ (10) Wyrażenie (10) jest iloczynem równań (7) i (8). 4

Ponieważ w przeprowadzanym doświadczeniu odległość między szczelinami d jest wielokrotnie większa od ich szerokości l, obserwowany na odległym ekranie obraz jest taki, jaki byłby w przypadku szczelin nieskończenie wąskich, lecz dodatkowo jest on zmodulowany rozkładem natężenia światła ugiętego na pojedynczej szczelinie. Obserwowany rozkład natężenia jest opisany równaniem (10) i zilustrowany rys.4. Mierząc odległość x k-tego prążka od środka obrazu interferencyjnego ze wzorów d sin θ = kλ (11) i kλ sin θ = (1) d można powiązać kąt obserwacji maksimum z odległością między szczelinami d. Natomiast pomiar odległości x od środka obrazu interferencyjnego do pierwszego minimum modulacji, spowodowanej dyfrakcją, pozwala powiązać kąt obserwacji z szerokością szczeliny l, sin θ = λ l (13) 0 I max λ d 1 I max I max 0 I min I min 1 I min λ l θ Rys. 4 Rozkład natężenia światła przechodzącego przez dwie wąskie szczeliny umieszczone w odległości d od siebie, o o szerokości każdej z 5

nich l, ustawione w dużej odległości L od ekranu. Przy małej szerokości szczeliny względem odległości miedzy szczelinami nie będziemy obserwowali modulacji. Uwaga: szerokość szczelin i odległości miedzy szczelinami możesz wybrać samodzielnie. Zaleca się jednak rozpoczęcie pomiarów od dużej odległości między szczelinami (np. 8 cm).. Układ doświadczalny W skład układ pomiarowego wchodzą: nadajnik mikrofal odbiornik mikrofal obrotowe mocowanie płytki ze szczelinami soczewka z gliceryny 3. Wykonanie ćwiczenia Podłączyć miernik do detektora. Włączyć zasilanie generatora mikrofal i miernika. Ustawić na mierniku pomiar wysokich częstości. Ustawić detektor na wprost generatora i zmierzyć natężenie wiązki mikrofal ustawiając optymalny zakres miernika. Wstawić szczeliny na wiązkę mikrofal dobierając ich szerokość oraz odległość. Wstawić miedzy nadajnik mikrofal a mocowanie z płytkami soczewkę. Tak zmienić jej pozycję, by wybrać optymalne ustawienie. Porównać otrzymane wartości z przypadkiem bez soczewki (dokonać wyboru metody) Dokonać pomiarów maksimów i minimów interferencyjnych w możliwie szerokim zakresie kątowym. Zaleca się także zagęszczenie punktów pomiarowych miedzy wartościami min. i max. Do danych doświadczalnych dopasować krzywą zadaną równaniem (10) A. Wyznaczyć parametry λ oraz γ. Skomentować otrzymane wartości. Porównać obraz interferencyjny otrzymany w doświadczeniu z obrazem zadanym równaniem (10) dla parametrów γ=1 oraz λ=3 cm. 6

UWAGA! Należy unikać stawania na linii wiązki mikrofal, aby nie stać się konkurencyjnym reflektorem i w ten sposób nie zafałszować wyników! Literatura: F. S. Crawford, Jr., Fale, PWN Warszawa 197 (rozdział 9: Interferencja i dyfrakcja ) J.Nowak, M. Zając, Optyka kurs elementarny, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1998. Zadania do ćwiczeń z falami elektromagnetycznymi 1. Płaska fala elektromagnetyczna rozchodzi się wzdłuż osi x. Narysuj odpowiadający jej rozkład pola elektrycznego i magnetycznego.. Wyznacz zakres energii promieniowania elektromagnetycznego odpowiadający zakresowi długości fali od 1 mm do 1 m (zakres mikrofalowy). Wynik wyraź w dżulach i elektronowoltach. 3. Dane są dwa punktowe źródła światła oddalone od siebie o l. Źródła promieniują synchronicznie fale o długości λ. W odległości d od źródeł ustawiono ekran, na którym obserwuje się prążki interferencyjne, przy czym d >> l, λ, a ekran ustawiono prostopadle do symetralnej odcinka łączącego źródła. Obliczyć odległość między prążkiem centralnym a kolejnym prążkiem interferencyjnym. 4. Niespolaryzowana wiązka światła pada na płytkę szklaną o współczynniku załamania n. Pod jakim kątem należy skierować wiązkę aby wiązka odbita była całkowicie spolaryzowana. 5. Fala elektromagnetyczna o wektorze falowym k i częstości ω rozchodzi się w próżni w kierunku r. Polaryzacja fali określona jest przez wektor σ, a amplituda jest równa E. Podaj wyrażenie opisujące zależność pola elektrycznego i magnetycznego od położenia i czasu. 7