Явление дисперсии возможно наблюдать если на грань призмы падает пучок

Лабораторная работа по теме: «Дисперсия света»

Лабораторная работа по теме: «Дисперсия света» Цель: Промоделировать движение световых лучей при прохождении их через призму. Содержательная постановка задачи: На стеклянную трехгранную призму падает параллельный пучок света, свет, который преломляется и. Показать больше

Лабораторная работа по теме: «Дисперсия света» Цель: Промоделировать движение световых лучей при прохождении их через призму. Содержательная постановка задачи: На стеклянную трехгранную призму падает параллельный пучок света, свет, который преломляется и при выходе из призмы отклоняется от своего первоначального направления к основанию призмы. Краткая теория Свет, проходя через трехгранную призму, преломляется и при выходе из призмы отклоняется от своего первоначального направления к основанию призмы. Величина отклонения луча зависит от показателя преломления вещества призмы, и, как показывают опыты, показатель преломления зависит от частоты света. Зависимость показателя преломления вещества от частоты (длины волн) света называется дисперсией. Очень просто наблюдать явление дисперсии при пропускании белого света через призму (рис. ). При выходе из призмы белый свет разлагается на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Меньше всех отклоняетс Спрятать

• Похожие публикации
• Поделиться
• Код вставки
• Добавить в избранное
• Комментарии

Явление дисперсии возможно наблюдать если на грань призмы падает пучок

Дисперсия света – это явление, обусловленное зависимостью показателя преломления n от частоты ν (длины волны λ ) света

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму. Первые экспериментальные наблюдения дисперсии света проводил в 1672 г. И. Ньютон. Он объяснил это явление различием масс корпускул.

Опыт Ньютона состоял в том, что узкий пучок солнечного света он направил на боковую грань трехгранной призмы, а при выходе пучка из противоположной боковой грани наблюдались разноцветные лучи в следующей последовательности – красный(К), оранжевый(О), желтый(Ж), зеленый(З), голубой(Г), синий(С), фиолетовый (Ф). Полученную им цветную полоску Ньютон назвал спектром.

Сущностью явления дисперсии является различие фазовых скоростей распространения лучей света c различной длиной волны в прозрачном веществе — оптической среде (тогда как в вакууме скорость света всегда одинакова, независимо от длины волны и следовательно цвета). Обычно, чем больше частота световой волны, тем больше показатель преломления среды для неё и тем меньше фазовая скорость волны в среде:

• у света красного цвета фазовая скорость распространения в среде максимальна, а степень преломления — минимальна,
• у света фиолетового цвета фазовая скорость распространения в среде минимальна, а степень преломления — максимальна.

Цвет в природе

Говоря простым языком, цвет — это ощущение, которое получает человек при попадании ему в глаз световых лучей.

Свет делится на излучаемый и отраженный. В физическом смысле оба вида света представляют собой две стадии одного и того же процесса, но их информационные роли существенно отличаются. В классическом случае излучаемый источником свет представляет собой максимально широкий спектр колебаний и кажется неокрашенным. Это чисто психологическое явление – нам удобнее воспринимать привычное солнечное освещение только в качестве ненавязчивого фона, а не сплошной и повсеместной радуги.
Зато отраженный свет изначально является основным источником зрительной информации, и мы максимально приспособлены именно к его восприятию. Поверхности предметов поглощают практически все падающее на них излучение, отражая только незначительную его часть. Чем ярче выражен цвет предмета, тем уже спектр его отражения: помидор отражает только красные лучи, апельсин – оранжевые и желтые, а бумага – почти весь падающий на нее свет. Поэтому помидор выглядит ярко-красным, апельсин – оранжевым, а бумага – просто белой.

Излучаемый свет – в общем случае – это первичный свет, испускаемый источником света (солнцем, луной, светильниками и т.п.). Несмотря на то, что он является суммой множества составляющих, благодаря особенностям зрительного восприятия, излучаемый свет выглядит белым (или слегка тонированным). Соответственно, черный цвет представляет собой отсутствие света, или темноту.
Отраженный свет – это вторичный (но отнюдь не второстепенный, а скорее наоборот, наиболее важный в информационном смысле) свет, идущий от поверхности неизлучающего объекта и содержащий информацию о нем, а не об источнике света. Именно благодаря отраженному свету мы видим предметы, которые его отражают. Он представляет собой разность, полученную при вычитании спектра поглощения объекта из спектра излучения светила. Белый цвет характеризует полное отражение падающего света, а черный – полное его поглощение.

Интерференция света — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Это распределение называется интерференционной картиной.

Когерентными называются источники света одинаковой частоты, обеспечивающие постоянство разности фаз для волн, приходящих в данную точку пространства.

Интерференция света — сложение когерентных световых волн, в результате которого происходит пространственное перераспределение энергии, приводящее к образованию устойчивой картины их усиления или ослабления.

Опыт Юнга (1802 г.)

В опыте Юнга свет от источника, в качестве которого служила узкая щель S, падал на экран с двумя близко расположенными щелями S1 и S2. Проходя через каждую из щелей, световой пучок уширялся вследствие дифракции, поэтому на белом экране Э световые пучки, прошедшие через щели S1 и S2, перекрывались. В области перекрытия световых пучков наблюдалась интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос.

Интерференционный максимум (светлая полоса) достигается в тех точках пространства, в которых

Интерференционный минимум (темная полоса) достигается при

Измеряя ширину интерференционных полос, Юнг в 1802 г. впервые определил длины световых волн для разных цветов, хотя эти измерения и не были точными.

Зеркала Френеля

Свет от источника S падает расходящимся пучком на два плоских зеркала М₁ и М₂, расположенных относительно друг друга под углом, лишь немного отличающимся от 180° (угол α мал). Световые пучки, отразившиеся от обоих зеркал, можно считать выходящими из мнимых источников S₁ и S₂ являющихся мнимыми изображениями S в зеркалах. Мнимые источники S₁ и S₂, взаимно когерентны, и исходящие из них световые пучки, встречаясь друг с другом, интерферируют в области взаимного перекрывания (на рисунке она заштрихована). Интерференционная картина наблюдается на экране, защищенном от прямого попадания света заслон­кой

Бипризма Френеля

Она состоит из двух одинаковых, сложенных основаниями призм с малыми преломляющими углами. Свет от источника S преломляется в обеих призмах, в результате чего за бипризмой распространяются световые лучи, как бы исходящие из мнимых источников S₁ и S₂, являющихся когерентными. Таким образом, на поверхности экрана (в заштрихованной области) происходит наложение когерентных пучков и наблюдается интерференция.

Интерференция в тонких плёнках

Когда луч света проходит сквозь тонкую плёнку, часть его отражается от внешней поверхности, формируя первый луч, в то время как другая часть проникает внутрь плёнки и отражается от внутренней поверхности, образуя второй луч. Наблюдаемый в отражении цвет излучения определяется интерференцией этих двух лучей. Поскольку каждый проход света через плёнку создает сдвиг по фазе пропорциональный толщине плёнки и обратно пропорциональный длине волны, результат интерференции зависит от двух величин. Отражаясь, некоторые волны складываются в фазе, а другие в противофазе, и в результате белый свет, сталкивающийся с плёнкой, отражается с оттенком, зависящим от толщины плёнки. Эффект интерференции также зависит от угла, с которым луч света сталкивается с плёнкой.

Пусть на плоскопараллельную, однородную, изотропную пластинку толщиной d падает под углом монохроматическая волна. За счет отражения её от нижней и верхней граней происходит наложение образовавшихся когерентных волн в точке P. Разность хода волн

Δd = n (AB + BC) − (AD ± λ/2) = 2dn cos β ± λ/2 .

Поправка λ/2 появляется потому, что свет в точке A отражается от оптически более плотной среды и при этом переходит в менее плотную.

Возникновение величины ±λ/2 объясняется потерей половины длины волны при отражении света от гарницы раздела сред. При n > n₀ половина волны будет потеряна в точке А, и при величине λ/2 будет стоять знак минус. Если n < n₀, то половина волны будет потеряна в точке В и при λ/2 будет стоять знак плюс.

Δd = 2 dn cos β + λ/2

Тогда условие интерференционного максимума в отраженном свете запишется следующим образом:

2 dn cos β ± λ/2 = (2m + 1)λ/2

– если на разности хода интерферирующих волн укладывается нечетное число полуволн, то при наложении волны усиливают друг друга.

Условие интерференционного минимума в отраженном свете

2 dn cos β ± λ/2 = mλ

– если на разности хода интерферирующих волн укладывается четное число полуволн, то при наложении волны гасят друг друга.

На этой диаграмме изображены два луча красного света (лучи 1 и 2). Оба луча разбиваются на два, но нас интересуют только те части, которые изображены сплошными линиями. Рассмотрим луч, выходящий из точки Y. Он состоит из двух лучей, наложившихся один на другой: части луча 1, которая прошла через стенку пузыря и части луча 2, которая отразилась от внешней поверхности. Луч, прошедший через точки XOY путешествовал дольше луча 2. Допустим, случилось так, что длина XOY пропорциональна длине волны красного света, поэтому два луча складываются в фазе.

Эта диаграмма похожа на предыдущую, за исключением того, что длина волны света другая. В этот раз расстояние XOY непропорционально длине волны, и лучи складываются в противофазе. В результате, синий свет не отражается от пузыря с такой толщиной стенки.*

На мыльную пленку, находящуюся в воздухе, падает по нормали пучок белого света. Определим, при какой наименьшей толщине d пленки отраженный свет с определенной длиной волны окажется максимально усиленным в результате интерференции.

Из условия интерференционного максимума находим для толщины пленки выражение

Минимальное значение d получается при m = 0:

Если свет от двух когерентных источников распространяется в средах с разными показателями преломления, то оптическая разность хода определяется по формуле (s − путь в среде, n − показатель преломления среды) :

Кольца Ньютона
И. Ньютон наблюдал интерференционную картину, возникающую при отражении света в тонкой воздушной прослойке между плоской стеклянной пластиной и плосковыпуклой линзой большого радиуса кривизны. Параллельный пучок света падает нормально на плоскую поверхность линзы и частично отражается от верхней и нижней поверхностей воздушного зазора между линзой и пластинкой.

Кольцевые полосы равной толщины, наблюдаемые в воздушном зазоре между соприкасающимися выпуклой сферической поверхностью линзы малой кривизны и плоской поверхностью стекла, называют кольцами Ньютона.

Они изучались Ньютоном при освещении как белым, так и монохроматическим светом.

Измеряя радиусы соответствующих колец, можно (зная радиус кривизны линзы R) определить λ, и, наоборот, по известной λ найти радиус кривизны линзы. Положение максимумов зависит от длины волны λ. Поэтому система светлых и темных полос наблюдается только при освещении монохроматическим светом. При наблюдении в белом свете интерференционная картина приобретает радужную окраску.

Применение интерференции
Просветление оптики

Интерференция при отражении от тонких пленок лежит в основе просветления оптики. Прохождение света через каждую преломляющую поверхность линзы сопровождается отражением примерно 4 % падающего света. В сложных объективах такие отражения совершаются многократно, и суммарная потеря светового потока достигает заметной величины. Отражения от поверхностей линз приводят к возникновению бликов. В просветленной оптике для устранения отражения света на каждую свободную поверхность линзы наносится тонкая пленка вещества с показателем преломления иным, чем у линзы. Толщина пленки подбирается так, чтобы волны, отраженные от обеих ее поверхностей, погашали друг друга. Особенно хороший результат достигается, если показатель преломления пленки равен корню квадратному из показателя преломления линзы. При этом условии интенсивность обеих отраженных от поверхностей пленки волн одинакова.

Тест по физике по теме «Дисперсия света. Интерференция света» 11 класс.
тест по физике (11 класс) на тему

Содержание данного теста можно использовать при повторении темы «Волновые свойства света» и подготовке к ЕГЭ.

Скачать:

Вложение	Размер
тест для повторения темы «Волновые свойства света» и подготовки к ЕГЭ	122 КБ

Предварительный просмотр:

ТЕСТ ДИСПЕРСИЯ, ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА.

1. Разложение пучка солнечного света в спектр при прохождении его через призму объясняется тем, что свет состоит из набора электромагнитных волн разной длины, которые, попадая в призму,

А.движутся с разной скоростью

Б.имеют одинаковую частоту

В.поглощаются в разной степени

Г.имеют одинаковую длину волны

2. После прохождения белого света через красное стекло свет становится красным. Это происходит из-за того, что световые волны других цветов в основном

3. Узкий световой пучок после прохождения через прозрачную призму дает на экране спектр. Укажите правильную последовательность цветов в спектре.

А. ор-зел-син-гол Б. гол-син-зел-фиол

В. ор-жел-зел-гол Г. жел-ор-зел-гол

4. При выдувании мыльного пузыря при некоторой толщине пленки он приобретает радужную окраску. Какое физическое явление лежит в основе этого наблюдения?

5. На переднюю грань прозрачной стеклянной призмы падают параллельные друг другу зеленый и красный «лучи» лазеров. После прохождения призмы

А.они останутся параллельными

кр Б.они разойдутся так, что не будут

Г.ответ зависит от сорта стекла

6. Интерфереция света – это…

А.отклонение от прямолинейности в распространении световых волн

Б.зависимость показателя преломления вещества от частоты световой волны

В.перераспределение энергии волн в пространстве при наложении волн друг на друга

Г.исчезновение преломленных лучей

7. Каким образом можно на опыте получить когерентные волны?

А.от двух источников одинаковой частоты

Б.от двух произвольных источников света

В.пропустив свет через стеклянную призму

Г.разделив световой пучок на две части

8. Ученик рассматривает записи в тетради, сделанные синими чернилами через оранжевое стекло. Какой цвет букв он увидит?

9. Условие минимума интерференции когерентных световых волн…

ТЕСТ ДИСПЕРСИЯ, ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА.

1.Укажите правильное утверждение. Дисперсия проявляется в следующих природных явлениях:

1) цветные разводы на мыльной пленке 2) радуга

В.и1, и2 Г.ни 1, ни2

2.Верно утверждение (-я):

Дисперсией света объясняется физическое явление:

1)фиолетовый цвет мыльной пленки, освещаемой белым светом

2)окрашивание белого света проходящего через фиолетовое стекло

3.Для определения длин волн угол преломления световых лучей на границе воздух-стекло уменьшается с увеличением длины волны излучения. Ход лучей для трех цветов при падении белого света из воздуха на границу раздела показан на рисунке. Цифрам соответствуют цвета:

А.1-син Б.1-син В.1-кр Г.1-кр

2-зел 2-кр 2-зел 2-син

3-кр 3-зел 3-син 3-зел

5. На переднюю грань прозрачной стеклянной призмы падают параллельные друг другу оранжевый и фиолетовый «лучи» лазеров. После прохождения призмы

А.они останутся параллельными

фиол Б.они разойдутся так, что не будут

Г.ответ зависит от сорта стекла

6.Дисперсия света – это…

А.огибание волнами препятствий

Б.сложение в пространстве волн

В.разложение бело света на составляющие семь цветов

Г.преломление на границе раздела двух сред

7. Световые волны когерентны, если у них

В.постоянен сдвиг фаз

8. Ученик рассматривает записи в тетради, сделанные красными чернилами через красное стекло. Какой цвет букв он увидит?

В.черный Г.ничего не увидит

9.Условие максимума интерференции когерентных волн

Лабораторная работа на тему «Изучение дисперсии света с помощью стеклянной призмы.»

3. Освоить методику расчета оптических характеристик стекол, включая расчеты фазовой групповой скоростей световых волн.

Приборы и принадлежности: Ртутная лампа, гониометр, набор призм из разных сортов стекол.

Литература: Г.С. Ландсберг Оптика, М., 1976, § 125

Н.М. Гаджаев Оптика, М., 1977, гл.11, § 1,3, стр264

Е.И. Бутиков Оптика, М., 1986, § 2,3

Теоретическая часть

Дисперсия света – это круг явлений, в которых проявляется зависимость показателя преломления вещества от частоты световой волны – n (ν). Или: “зависимость фазовой скорости световых волн от частоты этих волн — v (ν)”.

Из электромагнитной теории света следует, что фазовая скорость света в среде равняется , где n – абсолютный показатель преломления среды. Под фазовой скоростью ν мы понимаем скорость распространения фазы идеально монохроматической волны, т.е. синусоидальной волны с постоянной амплитудой, частотой и начальной фазой, длящейся во времени и пространстве от ∞ до + ∞.

Реальные же световые волны никогда не являются идеально монохроматическими, так как они всегда длятся конечное время. Но согласно теореме Фурье они могут быть представлены суммой ( в пределе интегралом) идеально монохроматических волн.

В случае, если среда обладает дисперсией, то скорость распространения в ней такой сложной волны не может характеризоваться только фазовой скоростью v , так как различные синусоидальные компоненты сложной волны распространяются с различной скоростью и форма сложной волны постоянно меняется. Тем не менее и в сложной волне можно найти характерные точки (области), перемещение которых будет характеризовать скорость ее распространения. Эта скорость называется групповой (и). Для вакуума, как показывает опыт, дисперсия отсутствует, а фазовая и групповая скорости совпадают. В других средах – не совпадают.

Открытие дисперсии принадлежит И.Ньютону, экспериментальные исследования которого относятся к 1672 году. В его опытах солнечный свет после прохождения стеклянной призмы разлагался, благодаря дисперсии, в спектре из семи основных цветов.

Сложная задача взаимодействия электромагнитного поля с веществом может решаться как методом классической, так и методами квантовой физики. В приближении классической физики фактически используется модель Д.Томсона – атом рассматривается как гармонический осциллятор с частотой собственных колебаний .

Идея расчета, впервые проведенного Г.Лоренцем, предельно проста: для получения зависимости n (ν) или n (ω) нужно найти поляризацию этого вещества , создаваемую полем падающей световой волны . Затем вычисляют величину вектора электрической индукции и определяют . Используя основное соотношение электромагнитной теории Максвелла , получают искомую зависимость. Таким образом, изменение « n » в зависимости от ω обуславливается суперпозицией первичной световой волны и всех вызванных ею вторичных волн в исследуемом веществе, свойства которого должны существенно влиять на ход зависимости n (ω).

Уточним постановку задачи.

Пусть в единице объема имеется N хаотически расположенных одинаковых атомов исследуемого вещества. Будем считать, что в каждом атоме имеется один оптический электрон с зарядом «е». Электрическое поле световой волны воздействует на такой электрон с силой (вынуждающая сила). Взаимодействие между атомами пока учитывать не будем.

Заметим, что исходные положения излагаемой теории пригодны не только для описаний колебаний оптических электронов, но их можно использовать для учета вынужденных колебаний ионов с частотами, соответствующими инфракрасной области спектра , что приводит к интересным следствиям.

Итак, дифференциальное уравнение движения осциллирующего электрона запишется в виде:

С учетом обозначений, что , перегруппировав (1), имеем:

где тормозящая сила , γ – коэффициент затухания, квазиупругая сила — . В механике подобное уравнение используют при описании вынужденных колебаний. Будем исходить из того, что напряженность электрического поля световой волны изменяется по закону:

имеем решение в виде

и тогда формула (2) примет вид

Вместе с тем мы знаем, что и . Теперь уже нетрудно получить окончательный результат:

Согласно этому выражению и n и ε – комплексные величины. Если пренебречь затуханием и положить γ = 0, что означает пренебрежение поглощением световой волны, то и n и ε станут вещественными. В этом случае (для газов n ~ 1) из (6) получим:

График этой зависимости n (ω) имеет вид:

За исключением точки разрыва при ω = ω₀ на остальных участках имеет место нормальная дисперсия т.е. . Участки, где n < 1 не противоречат специальной теории относительности, т.к. v – фазовая скорость.
В данной работе необходимо экспериментально проверить выражение (7), построив график зависимости n (ω) на участке с 0 ω ω₀, и сравнить его с теоретически предсказанным (Рис.)

Экспериментальная часть

Явление дисперсии от формы тел не зависит, но чтобы «развернуть» картину зависимости n (ω) используют трехгранные оптические призмы.

Пусть луч падает на грань призмы так, что после преломления он идет параллельно плоскости основания призмы. После второго преломления луч отклоняется от первоначального направления на угол δ. Величина этого угла связана с другими углами соотношения

При симметричном ходе лучей через призму угол δ имеет наименьшее значение, а углы α₁ и α₂ равны между собой. Таким образом, на основании закона преломления с учетом α₁ = α₂ = α , γ₁ = γ₂ = γ

Как видно из рисунка и мы приходим к соотношению:

которое и будет «рабочим» для нахождения n (ω)

В ситуации наименьшего отклонения угол δ для лучей разных частот будет разным, т.е. имеет место дисперсия света в призме (δ = δ(ω)). Нетрудно установить, что дисперсия призменных приборов не равномерна в отношении различных участков спектра. Последний сжат в длинноволновой области и более растянут в коротковолновой.

В процессе данной работы подлежат измерению углы φ и δ для каждой линии спектра ртутной лампы, используемой в качестве источника.

Упражнение 1. Измерение преломляющего угла призмы φ.

Установите призму на столике гониометра вершиной к его коллиматору. Параллельный пучок от коллиматора будет разделен призмой на две части. Наведите зрительную трубу сначала на отраженный луч 1 и запишите значение угла α₁. Затем переместите зрительную трубу на отраженный луч 2. Угол между лучами равен 2φ , что позволяет рассчитать φ.

Упражнение 2. Определение минимальных углов отклонения δ и показателей преломления стекла для разных частот световых волн.

Поставьте призму на столике так, чтобы пучок света от коллиматора падал на боковую грань призмы под углом порядка 45 0 . Наблюдая в зрительную трубу, найдите линейчатый спектр излучения ртутной лампы, полученный благодаря дисперсии в стекле.

Внимание! Не выпуская спектр из поля зрения, медленно поворачивайте столик с призмой так, чтобы цветная картина линий спектра двигалась в сторону падающего на призму наклонного луча. В тот момент, когда изображение спектра в поле зрения остановится и начнет двигаться в обратную сторону, производят измерение угла δ для конкретной спектральной линии. Угол минимального отклонения найдется как разность δ _min =θ _i – θ₀ , где θ₀ – значение угла по шкале гониометра для неотклоненного луча (начало отсчета).

Используя значение углов φ и δ _min , рассчитайте n (ω) для известных линий спектра ртути.

Заполните таблицу. (Число таблиц по числу используемых призм)

Таблица 1

Похожие публикации:

1. Виды и методы электрических измерений
2. Вл 10 кв что это
3. Как сохранить в формате gcode
4. Является ли источником электрического тока рубильник