Дослід із дзеркалом Ллойда

Схема досліду

За допомогою дзеркала можна через відбивання створити до реального джерела світла друге, уявне джерело світла.

Якщо світло реального джерела світла падає на дзеркало досить полого, то хвилі уявного й реального джерел світла є когерентними.

Тому в області перекриття прямого й відбитого світла на екрані можна спостерігати інтерференційні смуги.

Явища інтерференції через відбивання трапляються в багатьох місцях, наприклад на плівці мильних бульбашок.

Попередні знання

Для розуміння цього досліду корисно, якщо вже було виконано дослід «Визначення довжини хвилі лазера за допомогою оптичної ґратки» (P1410901). Крім того, має бути відоме рівняння зображення.

Принцип

Між когерентними хвилями може відбуватися інтерференція.

У цьому досліді до реального джерела світла за допомогою дзеркала створюють уявне джерело світла. Оскільки обидві хвилі походять з того самого джерела, вони когерентні.

Отже, на екрані, освітленому обома джерелами, видно інтерференційну картину.

Навчальна мета

Інтерференція виникає завжди тоді, коли є когерентні хвилі, незалежно від того, чи походять хвилі від реальних, чи від уявних джерел.

Якщо освітити дзеркало джерелом світла навскіс, то віддзеркалене світло може інтерферувати зі світлом від джерела світла.

Завдання

• Спостереження інтерференційної картини на екрані.
• Пояснення ходу променів.
• Обчислення довжини хвилі лазера.

Конче потрібно уникати того, щоб дивитися прямо в лазерне світло.

Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.

Якщо світло від джерела світла потрапляє на дзеркало, то відбите світло поводиться так, ніби за дзеркалом міститься ще одне джерело світла. Кажуть про уявне джерело світла. Світлові хвилі реального й уявного джерел світла можуть інтерферувати, бо вони когерентні.

Оскільки тут працюють із лазерним світлом, світло спершу треба зробити розбіжним за допомогою збиральної лінзи, щоб воно могло потрапити і на дзеркало, і на екран.

Ескіз досліду

Компоненти розміщують на оптичній лаві так, як показано на рисунку, штриховими позначками ковзних опор на таких позиціях:

• ковзна опора з діодним лазером на 2 см
• оправа з лінзою на 10 см
• ковзна опора з тримачем пластин для дзеркала Френеля на 20 см
• оправа для лінзи на 29,5 см

Циліндрична опора з екраном міститься на відстані до 3 метрів від дзеркала Ллойда.

перша частина досліду

Приміщення затемнюють і вмикають лазер у режимі 1 мВт, щоб інтерференційна картина була виразнішою. УВАГА: ПРИ ЦЬОМУ ПОТРІБНО УНИКАТИ ТОГО, ЩОБ ДИВИТИСЯ ПРЯМО В ЛАЗЕРНИЙ ПРОМІНЬ.

Лазерний промінь спрямовують паралельно до оптичної осі й роблять розбіжним за допомогою збиральної лінзи .

В одну із зовнішніх напрямних тримача пластин вставляють дзеркало Френеля так, щоб обидва дзеркала стояли перпендикулярно одне до одного (у досліді як дзеркало Ллойда використовують лише одне поверхневе дзеркало).

Тримач пластин злегка повертають, щоб лазерне світло падало на дзеркало ковзно.

На екрані тепер, як правило, видно дві інтерференційні картини. Картина дзеркала Ллойда складається з рівновіддалених інтерференційних смуг, інша картина складається з нерівновіддалених смуг і спричинена дифракцією на вхідному ребрі дзеркала. Для кращого контрасту дзеркало Ллойда повертають, щоб перенести істотну інтерференційну картину в спадну частину дифракційної картини.

Клейкою стрічкою закріплюють на екрані білий аркуш паперу, на якому креслять інтерференційні смуги.

Відстані визначають після знімання аркуша за допомогою штангенциркуля. Для більшої точності слід виміряти щонайменше 10 відстаней.

Креслення максимумів

Насамкінець уводять збиральну лінзу у хід променів і чітко відображають уявні джерела світла в площині проєкції.

Для визначення довжини хвилі лазерного світла наприкінці треба визначити такі відстані:

• відстань між точками зображення уявних джерел
• відстань між збиральною лінзою і екраном

Для визначення відстані між джерелами світла

За умови, що відстань до точки спостереження велика порівняно з відстанню між обома джерелами, для різниці ходу обох променів справджується:Оскільки відбитий промінь відбивається на оптично густішому середовищі (дзеркалі), він зазнає ще й стрибка фази на . Якщо різниця ходу обох променів становить ціле кратне довжини хвилі, вони інтерферують конструктивно.

Хід променів у дзеркалі Ллойда

Для великих відстаней, крім того, наближено справджується, якщо - відстань від джерел до екрана :
(1), (2) і (3) дають для положення максимуму: Два сусідні максимуми мають тоді відстань:Оскільки відстань між обома джерелами світла не можна виміряти безпосередньо, їх збільшено відображають лінзою на екрані на відстані .

Хід променів у дзеркалі Ллойда

З масштабу зображення справжня відстань між уявними джерелами обчислюється як Невідому відстань до предмета за відомої фокусної відстані лінзи можна визначити за рівнянням зображення і підставити в (6):

З (7) у (5) і для довжини хвилі з відстані між двома максимумами остаточно дістаємо:

Простеж виведення формули для обчислення довжини хвилі лазерного світла і обчисли за знятими значеннями вимірювань!