SU1481843A1 - Учебный прибор по оптике - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к учебным приборам по оптике. Цель изобретени  - повышение демонстрационных возможностей посредством наблюдени   влени  в проход щих лучах плоскопол ризованного монохроматического света. Прибор содержит установленные на оптической скамье ртутную лампу в качестве источника света, однородную пластинку прозрачной слюды в качестве интерферирующего элемента и экран. Новое в приборе состоит в том, что слюд на  пластинка имеет на обеих своих поверхност х высокоотражающие полупрозрачные покрыти  и наблюдение интерференционной картины производитс  в проход щих лучах. При этом пучок света от ртутной лампы фокусируетс  на поверхности слюд ной пластинки при помощи конденсора и объектива и в световой пучок ввод тс  пол роид-пол ризатор и сменные светофильтры. 2 з.п.ф-лы. 4 ил.

Description

1

Изобретение относитс  к учебным приборам по оптике и может быть использовано при изучении интерференции света.

Цель изобретени  - расширение демонстрационных возможностей, в частности демонстраци  спектральных свойств интерферометра

На фиг. 1 изображена схема возникновени  интерферирующих лучей в пластинке в проход щем свете; на фиг. 2 - пластинка в оправе; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - схема установки прибора на оптической скамье.

Прибор содержит осветитель 1 с ртутной лампой, конденсор 2, объ- ектив 3, пол роид-пол ризатор 4 и сменный светофильтр 5 дл  выделени  желтых спектральных линий. Слюд на  пластинка 6 расположена перед экраном 7 и имеет на каждой поверхности полупрозрачное металлическое покрытие . Наиболее оптимальные характеристики дл  пластинки - коэффициент отражени  ,7, коэффициент пропускани  Ј S 0,2, коэффициент поглощени  А 0,1. Прозрачность пластинки в максимумах пор дка 0,44.

Пластинка закреплена в поворотной оправе с возможностью поворота вокруг двух взаимно перпендикул рных

осей.

Использование в учебном приборе со слюд ной пластинкой высокоотражающих полупрозрачных покрытий и переход к многолучевой интерференции в проход щих лучах решает следующие задачи. Обеспечение существенного сужени  интерференционных полос в формируемой прибором картине позвол ет использовать учебный прибор как

Ј 00

00 4

оо

рефрактометрический и спектральный прибор и осуществить р д важных но вых демонстраций.

Число интерферирующих пучков, формируемых учебным прибором в проход щих лучах, зависит от коэффициента отражени  р поверхностей слюд ной пластинки. При указанном значении

р 0,7 эффективное число интерферирующих лучей N,e /(1 - р) (илн, что то же, фактор резкости F, равный по определению отношению рассто ни  между соседними интерферен циоиными полосами к ширине одной, полосы) и составл ет Ne 9„ Сужение полос при этом оказываетс  вполне достаточным, чтобы при правильно подобранной толщине t слюд ной пластинки демонстрировать следующие  влени  о

Наличие двойного лучепреломлени  в слюдз.

д щих через плоскопараплельную пластинку лучах

2t -Jn2 - sin2 , (1)

где t - толщина пластинки;

п - ее показатель преломлени ; i - угол падени  лучей на плас- тинку;

о h - прирост разности хода, обусловленный суммарным скачком фаз при двух последовательных внутренних отражени х от поверхностей пластинки; К - пор док интерференции; ft - длина световой волны.

Возвод  обе части (1) в квадрат, имеют

П2 -8inUe bLf.

(2)

Пусть на слюд ную пластинку пада- ет монохроматический пучок плоскопо- л ризованного света при диагональной ориентации вектора колебаний„ В силу двойного лучепреломлени  в пластинке световой пучок делитс  на два плоскопол ризованных пучка одинаковой интенсивности с колебани ми во вза имно-перпендикул рных плоскост х. Показатели преломлени  слюды дл  этих колебаний п, и п2 различны. При нормальном расположении пластинки каждой из пучков формирует свою систему интерференционных полос в виде семейства почти правильных колец. Возрастание радиусов колец гк сопро вождаетс  уменьшением пор дка интерференции К) . В этой картине каждому пор дку К соответствует два кольца, причем в средней части картины кольца разных систем не пересекаютс . Отчетливо видима  в этой части картины система двойных колец иллюстрирует двойное лучепреломление в слюде . Более того, по величине различи  радиусов смежных колец Ог,, гц

- г можно оценить величину В . ПоК , о п

ворот пол роида на чо по часовой стрелке или против нее подавл ет одну или другую систему колец, что рще более подчеркивает природу наблюдаемого  влени . Зависимость между 8 и 8Г можно получить, исход  из известного услови  формировани  светлых интерференционных полос в ирохо™

При переходе от одного колец к другому имеют К const, поэтому изменение лено только изменением п. ру  (2), получают

п §п sinicosi S1; . Из чертежа видно, что 6 г со si Ofi

cos2

ff; .

L/cosi L

Учитыва , что

sini tgi-cosi - -c

Lt

имеют

On rK.Јr Cos i/L2n .

Так как rK«L, можно ватьс  приближением

cos4 (1 - sinsi)2 (1 - r2 /L1)2 Ј 1 - 2r2

8B. M

L2n

rkun

(3)

55

или &Гк(В,Л ТГП 2rl )LV Sn.

Рассто ние u г между полосами соседних К и (К-1J пор дков ( Л К -1)

нетрудно найти из (1). Дл  упрощени  выкладок пользуютс  приближением

2t

-J п sin2 2t,

- sin2i/n 2tn(1 - sin2/2n2)

-- 2tn - t sin2i/n 2tn - t-tg2i/n

2tn - tr /nL2.

После подстановки (5) в (1J получают 2t-n - trzK /nL2 + Јu К.-Л. (6)

Дифференциру  (6) по К при уело- вии, что 2tn const и$д const и замен   drK на & гк и dK на ЬК -1, имеют

Ы

frL2n 2rKt

Условие хорошей видимости эффекта двойного лучепреломлени  на фоне интерференционной структуры картины можно записать так:

,,

Тогда на основании (4) и (7) получают30 - - (1 - 2rЈ /L2)

L « р.

З&п

(9)

Дл  0,5461 мкм, гк 0,3 м, L 1 м, „ 4,2 -10 имеют t Ј 35 мкм. Этот результат и определ ет оптимальную толщину слюд ной пластинки .

Наличие у прибора со слюд ной пластинкой свойств спектрального

прибора. 1

Пусть на слюд ную пластинку падает свет ртутной лампы, монохромати- зированный светофильтром ъ,, выделиющим излучение зеленой ртутной линии ( ft, 5461 А). Пусть пол роид П ориентирован при этом так, что двойное лучепреломление отсутствует, т.е. формируетс  только одна система колец . Если теперь светофильтр Ф заме- нить светофильтром Ф выдел ющим0 излучение желтых линий V 5770 А и Vi. 5791 А (8 21 А), то возникает картина в виде семейства двойных концентрических колец. В услови х опыта, когда двойное лучепреломление отсутствует, наблюдаемое  вление может быть объ снено только как результат наличи  в исслеДуемом излу

10

ют

15 1,

а

20

25

чении двух близких спектральных линий . Интерферометр пространственно раздел ет эти линии, т.е. обладает свойствами спектрального прибора с соответствующей угловой дисперсией и разрешающей способностью. Причем и т  ii друга  величины значительно превосход т соответствующие параметры демонстрационного спектроскопа со спектральной призмой. Величину i ft можно св зать с par то-  нием между смежными кольцами 8г(, т.е. выполнить спектроско™ пические оценки  влени . С этой цепью пользую г  соотношением (6). При отсутствии двойного лучепреломлени  можно пренебречь дисперсией показател  преломлени  слюды и положить п const. Кроме того, по смыслу задачи можно положить К const и Од const. Тогда после дифференцировани  (6) по и замены dr на8г ()

и d A на Ј получают

л /ON nL2K гх

6Г. (Ц) пгг-т: О,

2t.

(Ю)

30

Величину К оценивают из (1) при i 0, и &u 2tn/7v . Ноэтоьу (10)

прини 5ает вид

5г„С) i 5л.

А

(Ш

Хорошей видимости эффекта соответствует , как и выше, равенство (8) или иначе

(12)

$rv (S oi) гк(п )

Исход  из (12) и учитыва  (И) и (4), получают выражение дл  оценки оп ьзчальной величины 0/ в виде

n/n(1 - 2r2 /L2) (13)

Дл  Ъ 5780 А, п 4,2-10 ,о п 1,59, r 0,3L имеют $ 19 А.

Достоинства учебного прибора со слюд ной пластинкой в плане устранени  громоздкости сводитс  к следующим четырем моментам. Изменение условий интерференции позвол ет расположить осветитель вне области перекрывани  интерферирующих пучков, поэтому форма и размеры осветител  не играют никакой роли. По той же причине между осветителем и интерферометром можно с удобством расположить детали оптической схемы, расшир ющие круг наблюдаемых  влений, та-

кие как пол роид-пол ризатор и сменные светофильтры. При освещении интерферометра можно воспользоватьс  фокусирующей системой - конденсорной линзой в сочетании с объективом, и посредством такой системы сфокусировать первичный световой пучок на малой части поверхности слюд ной пластинки . Это см гчает требовани  к пластинке в плане ее плоскопараллель- ности и однородности, которые теперь распростран ютс  только на небольшую освещенную часть поверхности пластинки . Наблюдение картины как при нор- мальном так и при наклонном расположени х учебного интерферометра осу ществл етс  по одной и той же схеме. Йри этом поворот слюд ной пластинки не мен ет положени  картины и не тре- бует поэтому перемещени  экрана, что позвол ет демонстрировать  вление в широком диапазоне углов падени  первичного пучка на интерферометр и наблюдать в динамике вли ние накло- на слюд ной пластинки на ход полос.

Увеличение светосильности учебного интерферометра со слюд ной пластинкой обусловлено следующей причиной: при указанных параметрах высокоотра- жающих полупрозрачных покрытий (р 0,7, А 0,1, Ъ ) прозрачность интерферометра в максимумах составл ет около 0,44. Это значит, что интенсивность светового пучка

в области интерференционных максимумов 1макс , что и обусловливает заметное (в 2,2 раза) возрастание освещенности светлых полос картины при использовании той же освещающей системы.

Claims (3)

1.Учебный прибор по оптике, содержащий установленные на оптической скамье осветитель с ртутной лампой, интерференционный элемент в виде слюд ной пластинки в оправе и экран, отличающийс  тем, что,

с целью расширени  демонстрационных возможностей, пластинка выполнена с отражающим полупрозрачным покрытием на обеих поверхност х, а между осветителем и пластинкой установлен конденсор .

2.Учебный прибор по п. 1, отличающийс  тем, что осветитель снабжен пол роидом-пол ризатором .

3.Учебный прибор по п. 1, отличающийс  тем, что, с целью демонстрации спектральных свойств интерферометра, осветитель снабжен светофильтром, выдел ющим желтую часть спектра, а толщина пластинки соответствует рассто нию между двум  желтыми лини ми спектра,,

Фиг. 2

Фиг. Ь