Işık hızının ölçümü 2.1.01-01

Geometrik Optik
Optik
Işık hızının ölçümü 2.1.01-01
Neler öğreneceksiniz?







Kırınım indisi
Dalga boyu
Frekans
Faz
Modülasyon
Elektrik alanı sabiti
Manyetik alan sabiti
Prensip:
Işığın yoğunluğu bir yüksek
frekans ile değiştirilir ve
verici ile alıcı sinyalin faz
ilişkisi karşılaştırılır. Işığın
hızı
faz
içindeki
değişiklikler,
modülasyon
frekansı ve
ışık
yolu
arasındaki
ilişkiden
hesaplanır
Neler gerekiyor:
Işık Hızı ölçer (komple set)
11226.88
1
Korumalı kablo, BNC, l = 750 mm
07542.11
2
Dijital Osiloskop 25 MHz, 2 kanallı
11456.99
1
Komple Ekipman Seti, CD-ROM üzerinde Kılavuz dahildir
Işık hızının ölçümü
P2210101
Ölçüm prensibi.
Görev
1. Işığın havadaki hızının
belirlenmesi.
2. Işığın sudaki hızının
belirlenmesi ve kırınım
indisinin hesaplanması
3. Işığın akrilik camdaki hızının
belirlemesi ve kırınım
indisinin hesaplanması
PHYWE Systeme GmbH & Co. KG · D-37070 Göttingen
Laboratuvar Deneyleri - Fizik 89
LEP
2.1.01
-00
Işık hızının ölçümü
İlgili konular
Kırınım indisi, dalga boyu, frekans, faz, modülasyon, elektrik
alanı sabiti, manyetik alan sabiti.
Prensip
Işığın yoğunluğu bir yüksek frekans ile değiştirilir ve verili ile
alıcı sinyalin faz ilişkisi karşılaştırılır. Işığın hızı faz içindeki
değişiklikler ile ışık yolu arasındaki ilişkiden hesaplanır.
Ekipman
Işık hısı ölçüm aparatı.
Korumalı kablo, BNC, l = 1500 mm
Osiloskop, 30 MHz, 2 kanallı
Blok, sentetik reçine
11224.93
07542.12
11459.95
06870.00
1
2
1
1
Görev
1. Işığın havadaki hızını belirlemek.
2. Işığın sudaki ve sentetik reçinedeki hızını belirlemek ve
kırınım indislerini hesaplamak
Kurulum ve prosedür
Döner ayna ve lensler perde ile çıkan ışık ışınlarının taban
levhasına parallel olacak şekilde (Şekil 1) ve alıcı diyotlara
maksimum sinyal ulaşacak şekilde yerleştirilir (ayrıntılı
açıklamalar işletim talimatlarında bulunabilir).
50.1 MHz (kuvars ile stabil hale getirilmiş) modülasyon
frekansı yaklaşık olarak 50 kHz ye düşürülür ve böylece verici
ve alıcı sinyaller osiloskop üzerined görüntülenebilirler.
1. Öncelikle, ayna işletim ünitesine mümkün olduğunca yakın
biçimde yerleştirilir (ölçek üzerindeki sıfır noktası). Bir
Lissajous figürü osiloskop üzerinde görünür (XY operasyonu) ve işletim ünitesi üzerindeki faz düğmesi
kullanılarak düz bir hatta dönüştürülür. Ayna daha sonra
derecelendirilmiş ölçek üzerinde faz  kadar değişinceye
kadar kaydırılır, örn, ters yönde eğimli olan düz bir hat elde
edilinceye kadar.
Aynının yer değişimi
tekrarlanmalıdır.
Δx
ölçülür,
ölçüm
birkaç
kez
2. Su dolu bir tüp ya da sentetik reçine bloğu ışık yolu içine
yerleştirilir böylece onun dış yüzeyleri optik eksene dik
vaziyette olurlar; ayna doğrudan bunların arkasına yerleştirilir
(Şekil 3’ün üstü). Reçine bloğu ile bir destek bloğu
kullanılabilir böylece her iki yönde de onun içinden geçer.
‘aşama düğmesi’ kullanılarak osiloskop üzerinde tekrar doğru
bir hat elde edilir. Daha sonra nesne ışınların yolunun dışına
Şekil. 1: Sentetik reçine içindeki ışık hızının ölçümü için deneysel kurulum
PHYWE yayın serisi • Laboratuvar Deneyleri • Fizik • © PHYWE SYSTEME GMBH & Co. KG • D-37070 Göttingen
P2210100
1
LEP
2.1.01
-00
Işık hızının ölçümü
Çalışma ünitesi
Osiloskop
Ayna
alınır ve ayna Lissajous figürü tekrar aynı faz farkını
gösterinceye kadar hareket ettirilir.
Aynının yer değişimi Δx birkaç kez ölçülür.
manyetik alan sabitidir,
Teori ve değerlendirme
Işığın hızı Maxwell denkleminden aşağıdaki şekilde elde
edilir:
(1)
 nesnenin izafi geçirgenliği ve µ ise onun geçirgenliğidir
Nesninin kırınım indeksi boşluk ve nesne içindeki ışık hızının
bölümüdür
(2)
burada
saydam cisimlerin pek çoğu için µ = 1 dir
İzafi geçirgenlik ve kırınım indisi atomların ve moleküllerin
doğal titreşimleri nedeniyle frekansa bağlıdır (dağılım). Kırmızı
ışık (LED) deneyde kullanılır. Verici ve alıcı sinyal arasındaki
faz ilişkisi osiloskop üzerindeki bir Lissajous figürü ile temsil
edilir. Eğer bu bir düz haz ise, pozitif bir eğim durumunda bu
faz farkı 0 ve bir negatif durumda ise  dir.
elektrik alanı sabitidir.
1.
Havadaki ışık hızını ölçmek için, ışık yolu
Δl = 2 . Δx
kadar uzatılır
(Şekil. 2),  faz değişimi üretmek için, örn., bu mesafeyi
almak için ışığın
Measurement 1
Ölçüm
Δt =
kadar zamana ihtiyacı vardır
burada f = 50.1 MHz, modülasyon frekansıdır.
Böylelikle ışığın havadaki hızı aşağıdaki formülle ifade edilir;
Measurement 2
(3)
Ölçüm 2
Şekil. 3: Diğer nesnelerin ışık hızlarının ölçümü.
2
P2210100
PHYWE yayın serisi • Laboratuvar Deneyleri • Fizik • © PHYWE SYSTEME GMBH & Co. KG • D-37070 Göttingen
LEP
2.1.01
-00
Işık hızının ölçümü
10 ölçümün ortalaması:
Su içerisinde ölçülen mesafe /m = 1 m, dolayısıyla ifade;
Sentetik reçine içerisinde 30 cm’lik m için, ifade
Literatürden alınan değer:
Kırınım indisi için beklenen genlikten şu sonucu çıkartabiliriz
2.
Işığın su ya da sentetik reçine içindeki hızı cM, bunun
havadaki hızı ile cT ile karşılaştırılması ile ölçülür (Şekil 3).
İlk ölçümde (nesne ile), ışık l1 mesafesini t1 süresinde alır
k = 0, o nedenle t1
= t2
(5)
Su içindeki ölçüm şunları verir;
nH2O = 1.335 ± 0.002
CH2O =
İkinci ölçümde (nesne olmadan) ışık
(2.23 ± 0.01) . 108
Literatürden değerler:
nH2O = 1.333
mesafesini
cH2O = 2.248 . 108
Sentetik reçine bloğu için aşağıdakileri elde ederiz:
süresinde alır.
nsynthetic
=
1.597 ± 0.003
resin
Verici ve alıcı sinyal arasındaki faz farkı her iki vakada da
aynıdır, dolayısıyla;
8
c synthetic = (1.87 ± 0.01) 10
Böylece biz kırınım indisini elde ederiz
(4)
PHYWE yayın serisi • Laboratuvar Deneyleri • Fizik • © PHYWE SYSTEME GMBH & Co. KG • D-37070 Göttingen
P2210100
3
LEP
2.1.01
-00
4
Işık hızının ölçümü
P2210100
PHYWE yayın serisi • Laboratuvar Deneyleri • Fizik • © PHYWE SYSTEME GMBH & Co. KG • D-37070 Göttingen