МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ПО ВОЛНОВОЙ И КВАНТОВОЙ ОПТИКЕ
Учебно-методическое пособие
Составители:
Л.П. Нестеренко, А.М. Солодуха,
И.Л. Глухов
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2017
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Лабораторная работа № 1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
И ИНТЕГРАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ИЗЛУЧЕНИЯ ТЕЛА МЕТОДОМ
СПЕКТРАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ .....................................................................................4
Лабораторная работа №2. ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ.............................................16
Лабораторная работа № 3. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА.........26
Лабораторная работа № 4. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ
ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА..........................................................................................38
Лабораторная работа № 5. ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА
ОТ ДВУХ КОГЕРЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА........................................................53
Лабораторная работа № 6. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА..............................60
Лабораторная работа № 7. ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ.......................................................................................................................70
3
Стр.3
весь бесконечный интервал всех длин волн. С ростом температуры
увеличивается интенсивность теплового движения частиц тела и возрастает
энергия, излучаемая телом как на данной длине волны λ, так и во всем
интервале длин волн. Поэтому при увеличении температуры Т поднимается
вся спектральная кривая uλT теплового излучения, как показано на рисунке
1.
Формула для спектральной плотности равновесного излучения при
всех длинах волн была получена Планком, который предположил, что
энергия колебаний атомов и молекул может принимать не любые, а только
вполне определенные дискретные значения (E=hν), отделенные друг от
друга конечными интервалами. Это означает, что энергия не непрерывна, а
квантуется, т.е. существует лишь в строго определенных дискретных
порциях. Наименьшая порция энергии E=hν называется квантом энергии.
Лучеиспускательная способность абсолютно черного тела может быть
определена для различных длин волн и температур по формуле Планка,
записанную через длину волны λ
rT ,
*
2 hc
5
2
e
Где с – скорость света в вакууме;
h – постоянная Планка;
λ – длина волны излучения;
k – постоянная Больцмана;
Т – абсолютна температура.
Все законы теплового излучения могут быть получены из формулы
Планка.
Закон Стефана-Больцмана определяет полную энергию излучения.
Для получения полной энергии надо проинтегрировать выражение (4) по
6
1
kT
hc
1
,
(4)
Стр.6
всем длинам волн и получить, что полная энергия, излучаемая абсолютно
черным телом за одну секунду, пропорциональна четвертой степени
температуры: R T
4
(5)
Константа σ в формуле (5) называется постоянной СтефанаБольцмана.
Суммарная
энергия излучения по всем длинам волн, испускаемой
поверхностью S абсолютно черного тела, равна: R T S
4
Из формулы Планка можно сделать вывод о распределении энергии
излучения абсолютно черного тела по длинам волн, что приводит к двум
законам Вина:
T
m b
ax
u T c1T
5
(6)
(7)
где b и c1 - численные постоянные.
Длина волны, на которую приходится максимум интенсивности
излучения, обратно пропорциональна температуре (6) и максимум
излучения с увеличением температуры смещается в сторону коротких дин
волн (1-й закон Вина).
Максимальная интенсивность излучения (7) пропорциональна пятой
степени температуры (2-й закон Вина).
Если известна длина волны λmax, соответствующая максимуму
интенсивности излучения тела, то, используя 1-й закон Вина, можно
определить температуру тела. Определенная таким образом температура
называется его цветовой температурой.
Используя закон Стефана-Больцмана, можно определить
энергетическую или радиационную температуру тела. Измерение этой
температуры основано на излучении интегральной интенсивности
излучения, т.е. полной энергий излучения R.
7
Стр.7
Измерение температуры источника излучения
Исходя из формулы Планка для узкого диапазона длин волн от λ до
λ+dλ , в котором лучеиспускательную способность *
T ,
постоянной, энергетическая светимость абсолютно черного тела равна
d
dR T ,
*
r
*
способность выражается формулой
*
r A T r T ,
T ,
( , )
, где
(7)
Если тело не является абсолютно черным, то его испускательная
A( , ) 1T
- спектральный коэффициент
излучения тела.
Следовательно, энергетическую светимость тела для диапазона длин
волн от λ до λ+dλ найдем по формуле
d A T rT d
,
R ( , )
*
(8)
Рассмотрим излучение тела с температурой Т для двух различных
длин волн λ1 и λ2 при различных значениях диапазонов dλ1 и dλ2
соответственно
dR A r d 1 1
*
1
1
(9)
dR2 2A r d
*
2
2
где А1 и А2 – спектральные коэффициенты излучения тела при длинах
волн λ1 и λ2 соответственно.
Излучение, дошедшее до приемника (фотодиод, фотосопротивление),
составляет некоторую часть от общего излучения источника. Оно
определяется размерами приемника, расстоянием от источника до
8
r можно считать
Стр.8
приемника и наличием на пути излучения поглощающих сред, т.е.
определяется такими параметрами измерительной системы, которые не
изменяются в процессе опыта. Для двух различных приемников,
воспринимающих поток падающего на них излучения в различных узких
диапазонах длин волн, величины этих поток будут равны:
J K A r d
*
1
2
1 1 1
2 2 2
1
(10)
J K A r d
*
2 ,
где К1 и К2 – коэффициенты использования потока излучения первым и
вторым приемником соответственно, которые не изменяются в процессе
опыта.
Таким образом, отношение потоков излучения для двух приемников
1
J
J
где величину Z K A K A
Величины r1 и r2 определяются с помощью формулы Планка (4).
*
Следовательно
J
J
2
1
Z
*
(exp(C T2
(exp(
5
2
5
1
) 1)d 1
C 1T) 1)d 2
Оценим величину
Т=3 000К, λ=1 мкм, тогда
exp(C T ) xp(
, где C hc
k
)
1,4 1039
2
м К
exp( TC и сравним ее с единицей. Возьмем
e 1,4 1 110039
2
6
3 ) 121,
000
причем понижение температуры и уменьшение
длины волны изменит эту оценку в большую сторону. Это означает, что для
9
1 1
2
1
r d
Z r d
*
*
2
1
2
,
2 2 можно считать постоянной при
условии, что зависимостью отношения спектральных коэффициентов
излучения от температуры можно пренебречь для λ1 и λ2.
(11)
Стр.9
используемых в опытах температур и длин волн единицей в скобках в
формуле Планка можно пренебречь.
J
J
температуру Т.
C
T
ln
J
J
2
1
2
1 1
1
ln Z 5 ln
1
2
ln
d
d
2
1
(13)
Учтем, что в процессе опытов сохраняются значения λ1, λ2, dλ1, dλ2.
Поэтому объединим члены, содержащие постоянные величины, в две новые
постоянные L и Z0:
1 1
L C
2
0
1
Z lnZ 5 ln
T
L
1
2
ln
J
J
ln
d
d
2
1
Тогда формула для определения температуры будет иметь вид
0
2
1
Z
(14)
(15)
(16)
Таким образом, можно определить температуру излучающего тела
рассчитав значение L, измерив отношение J1/J2 и подставив величину
Z0=1,784, которая была найдена из тарировочных опытов. Важно
отметить, что прибор, используемый в работе, измеряет не абсолютное
значение потока, его отношение к J0, которая остается постоянной в
процессе измерений.
10
2
1
d
Z d
5
2
5
1
1 exp
2
T
C
2
1 1
1
(12)
Прологарифмируем это выражение и найдем из полученной формулы
Стр.10