Описание экспериментальной установки

Бипризма Френеля (рис.2) состоит из двух остроугольных призм, сложенных основаниями. Обычно обе призмы изготовляются из одного куска стекла и имеют очень малые преломляющие углы В и С. В сечении бипризма Френеля представляет собой равнобедренный треугольник с углом А при вершине, близким к 180.

Свет от источника S (например, от узкой освещенной щели, перпендикулярной плоскости чертежа) падает на бипризму и преломляется в ней. В заштрихованной области за бипризмой преломленные пучки складываются, т.е. интерферируют, и образующуюся интерференционную картину, состоящую из светлых и темных полос можно наблюдать с помощью микроскопа. Все происходит так, будто интерферирующие пучки света исходят из точек и . В этих точках находятся мнимые источники, образованные действительным источником света  . Эти два мнимых источника являются когерентными.

Измерив, расстояние между мнимыми источниками света и , расстояние, а от мнимых источников света до плоскости наблюдения, а также расстояние между соседними полосами b, по формуле (2) можно вычислить длину волны , испускаемую источником света.

Схема рабочей установки (рис.3) включает источник света 1, щель 2, светофильтр 3, бипризму Френеля 4 и измерительный микроскоп 5. Щель и бипризма закреплены вместе на специальном рейтере. Для измерения расстояния между мнимыми источниками света d и расстояния от мнимых источников света до фокальной плоскости микроскопа а, на оптическую скамью между бипризмой и микроскопом устанавливают линзу L. В процессе измерения ширины интерференционной полосы линза не используется и удаляется с оптической скамьи.

Расстояние между светлыми полосами интерференции определяется измерительным микроскопом. Он укреплен в рейтере и может передвигаться микрометрическим винтом в направлении, перпендикулярном оптической оси.

Для точного измерения расстояний имеются вертикальные визирные штрихи, которые можно наблюдать в окуляре микроскопа одновременно с полосами интерференции. Окуляр должен быть сфокусирован по глазу наблюдателя так, чтобы штрихи были видны четко. Перемещая микроскоп с помощью микрометрического винта перпендикулярно оптической оси установки, определяют положение микроскопа по шкале. Цена деления основной шкалы - 1 мм, а шкалы барабана микрометрического винта - 0,01 мм.

Порядок выполнения работы

1. Включить источник света, переведя тумблер на блоке питания в положение «Вкл». В поле зрения микроскопа должны быть видны темные и светлые интерференционные полосы.

2. Навести микроскоп так, чтобы визирный штрих окуляра совместился с серединой крайней из отчетливо видимых справа светлых полос и записать отсчет по шкале и барабану микрометрического винта.

3. Передвинуть микроскоп до середины левой крайней светлой полосы, сосчитать число полос между ними (рис.4) и записать отсчет. Вычислить ширину одной полосы b как разность между двумя отсчетами, деленную на число полос.

4. Повторить пп.2 и 3 четыре-пять раз и вычислить среднее значение b.

Следует иметь в виду, что микрометрический винт может иметь некоторый люфт и при вращении его по часовой стрелке и против нее отсчеты могут не совпадать. Поэтому подводить штрих к середине интерференционной полосы нужно всегда с одной стороны.

5. Результаты измерений записать в табл.1.

Таблица 1

Номер измерения	Отсчет слева, мм	Отсчет справа, мм	Разность отсчетов, мм	Число полос		b, мм
1
…
5
						bср =

6. Для определения расстояния a между плоскостью расположения мнимых источников и фокальной плоскостью микроскопа установить на рельсе линзу (на рис.3 линза обозначена пунктиром).

7. Так как расстояние между щелью и микроскопом более чем в 4 раза превышает фокусное расстояние линзы, то существует два таких ее положения, при которых в окуляр микроскопа будут отчетливо видны изображения двух мнимых источников света в виде двух ярких полосок. Расстояния между этими изображениями для обоих положений линзы измерить так же, как и расстояние между интерференционными полосами. Кроме того, измерить и записать положения z₁ и z₂ линзы с помощью шкалы, расположенной на рельсе установки.

Для положения линзы, когда изображения мнимых источников увеличены, справедливо соотношение

, (3)

где – расстояние между изображениями мнимых источников, измеренное с помощью микроскопа. – расстояние от места расположения мнимых источников до линзы; – расстояние между линзой и фокальной плоскостью микроскопа (расстояния и не измеряются, так как они не входят в рабочую формулу для определения длины волны).

8. Аналогично провести измерения для второго положения линзы, при котором изображения мнимых источников уменьшены:

. (4)

Из формул (3) и (4) следует, что расстояние между мнимыми источниками

(этот параметр необходимо определить и внести в отчет о работе).

9. Для определения расстояния а (от мнимых источников до фокальной плоскости микроскопа) измерить по шкале, находящейся на рельсе установки, смещение линзы р при перемещении линзы из одного положения z₁, при котором в микроскопе четко видны изображения щелей, в другое такое же положение z₂.

Легко видеть, что

(5)

Исключив из равенств (3)-(5) и , получим

.

Таким образом, для определения величины а достаточно, кроме измерения расстояний С₁ и С₂ между изображениями мнимых источников в двух положениях линзы, измерить также смещение линзы при переходе из одного положения в другое, т.е. .

10. Повторить настройку положения линзы пять раз, провести необходимые измерения и записать результаты измерений в табл.2.

11. Вычислить длину волны по соотношению, вытекающему из формулы (2) и результатам определения b, d и a:

.

Таблица 2

№ п/п	z1, мм		Отсчет положения изображений мнимых источников		С1, мм	z2, мм	Отсчет положения изображений мнимых источников		С2, мм	р, мм
			левого	правого			левого	правого
1
…
5
Среднее

12. Определить погрешность измерений и расчетов.

Напомним, что все расстояния измеряются в миллиметрах, соответственно длина волны также будет получена в миллиметрах.

В отчете следует привести результаты измерения расстояния между мнимыми источниками d, расстояния от мнимых источников до фокальной плоскости микроскопа а, ширины интерференционной полосы b и расчет длины волны  в ангстремах.