Скачать 1.15 Mb.
|
Министерство образования и науки РФ Пермский государственный технический университет Кафедра общей физики ОПТИКА Лабораторный практикум Пермь 2004 УДК 53 (07):378 ОПТИКА: лабораторный практикум / Составители: Н.А. Вдовин, доцент; К.Н. Лоскутов, доцент; Т.Д. Марценюк, ассистент; Ю.К. Щицина, старший преподаватель; Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2004. - 84 с. Под общей ред. А.И. Цаплина, профессора. Практикум включает в себя 12 лабораторных работ. В начале каждой работы даны краткие теоретические сведения, а в конце - вопросы для самоконтроля. Указан порядок выполнения работ. Практикум предназначен для студентов дневной, заочной и дистанционной форм обучения. Перед каждой лабораторной работой рассматривается теоретический материал, относящийся к данной теме. Однако это не исключает необходимости работы с учебником. Табл. 22. Ил. 45. Библиогр.: 4 назв. Рецензент канд. физ.-мат. наук, доцент Д.В. Баяндин. Пермский государственный технический университет, 2004 СОДЕРЖАНИЕ Введение…………………………………………………………….. 4
твердых тел с помощью микроскопа 4 1,а. Определение фокусного расстояния линзы……………………….. 9
решетки 22
решетки 38
лазерного луча и проверка закона Малюса 48 8. Исследование фотоэлементов 51
фотоэлектрического пирометра 57
пирометра с исчезающей нитью 63
монохроматора УМ-2 68
Литература 79 Приложения 80 ВВЕДЕНИЕ Лабораторные работы являются неотъемлемой частью изучения курса физики. Цель работ – дать студенту возможность самому воспроизвести некоторые физические явления, научить его обращению с основными физическими приборами и ознакомить с важнейшими методами измерений. Студент должен приобрести навыки ведения лабораторного журнала, построения графиков, оценки достоверности полученных результатов и оформления отчета. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА Цель работы: познакомиться с методом измерения показателя преломления с помощью микроскопа. Приборы и принадлежности: микроскоп, микрометр, пластинки из обычного стекла и оргстекла. Сведения из теории Плоская световая волна на границе двух однородных изотропных прозрачных диэлектриков частично отражается, частично, преломляясь, проходит во вторую среду (рис.1.1, где AB - падающий луч, BC – отраженный луч, BD - преломленный луч, MN - нормаль к границе раздела двух сред). Законы отражения. 1. Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной из точки падения. 2. Угол отражения равен углу падения: . Законы преломления. 1. Преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной из точки падения. 2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная (не зависящая от угла падения) для данных двух сред: . Величина n21 называется относительным показателем преломления (второй среды по отношению к первой). Если роль среды 1 выполняет вакуум, то не говорят о "показателе преломления среды 2 по отношению к вакууму", а соответствующую величину называют абсолютным показателем преломления среды 2 (например, показатель преломления воды, стекла и т.д.) и обозначают буквой n. Показатель преломления вакуума, таким образом, принимают равным 1. Для любой другой среды он больше 1 (см. приложение). Среда, имеющая больший показатель преломления, называется оптически более плотной. Световые лучи обладают свойством обратимости: если направить луч из среды 2 под углом , то, преломившись в среде 1, он пойдет под углом к перпендикуляру к границе сред. Следовательно, отношение есть показатель преломления первой среды по отношению ко второй. Отсюда видно, что n12 = 1/n21. Показатели преломления сред связаны со скоростями распро-странения света в этих средах. Так, , где v1 и v2 - скорости распространения света соответственно в средах 1 и 2. Очевидно, что абсолютный показатель преломления среды n = с / v, где c - скорость распространения света в вакууме, а v - скорость распространения света в данной среде. Отсюда следует, что если n1 и n2 - абсолютные показатели преломления среды соответственно для сред 1 и 2, то n21 = n2/n1. Последнее позволяет записать: или n1 sin = n2 sin . Если n1 > n2, т.е. если свет идет из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления будет больше угла падения (рис. 1.2). При увеличении угла растет и угол , следовательно, существует такой угол паденияпр, при котором = 90O (преломленный луч скользит по границе раздела двух сред). Этот угол падения называется предельным и определяется из условия sin пр = n2/n1 . При углах >пр свет полностью отражается от второй среды. Такое явление называется полным внутренним отражением. Оно широко используется в оптике в так называемых поворотных и оборотных призмах (рис. 1.3). Описание метода Пусть имеется прозрачная плоскопараллельная пластинка, толщина которой d. На верхней и нижней поверхностях этой пластинки в точках O1 и O2 (рис.1.4) нанесены каким-либо способом (например, тушью) метки в виде точек или линий. Если такую пластинку освещать рассеян- ным светом, то метка, нанесенная на нижней поверхности (как впрочем и другая метка), будет отражать свет по всем направлениям, т.е. на верхнюю поверхность пластинки лучи будут падать под разными углами, например по нормали и под углом . Первый луч пройдет через поверхность без преломления, второй - преломится под углом . Если эти лучи направить в глаз наблюдателя, то точка O2 будет казаться ему расположенной на пересечении продолжения преломленного луча с первым лучом (точка O). Положение точки O (а, следовательно, расстояние О1O) при данной толщине пластинки зависит от ее показателя преломления и может быть использовано для его измерения. Действительно, из рис. 1.4 следует, что , (1. 1) где х = O1О. С другой стороны, , где n - показатель преломления пластинки. Значит, . (1.2) Для малых углов и (только такие лучи в нашем случае попадают в объектив микроскопа) . Следовательно, сравнивая (1.1) и (1.2), имеем n = d / х. Таким образом, для определения n надо измерить d - истинную толщину пластинки, и х - кажущуюся толщину. В настоящей работе d измеряется микрометром, а х - с помощью микроскопа, тубус которого снабжен микрометрическим винтом. В последнем случае микроскоп надо один раз сфокусировать на метку O2 (положение 2 рис. 1.4), а другой раз - на метку O1. Расстояние, на которое пришлось при этом приподнять (или опустить) тубус, и дает значение х. Выполнение работы
Таблица 1.1
2. Расположить на предметном столике микроскопа эту же пластинку с нанесенными на нее метками. С помощью винта грубой настройки получить поочередно резкое изображение каждой метки. Убедиться таким образом, что обе метки попадают в поле зрения. 3. Измерить 5-7 раз расстояние х. Для этого винтом грубой настройки навести на резкость любую из меток и, смещая при помощи микроскопического винта тубус микроскопа, добиться резкого изображения другой метки. Разность показаний микрометрического винта и дает значение х. П р и м е ч а н и я: а) перед наведением на резкость на первую из меток микрометрический винт необходимо перевести в крайнее положение (подумайте, в которое), совместив нуль его шкалы с измерительным штрихом; б) в случае толстых пластинок микрометрический винт при измерении х приходится поворачивать на несколько оборотов. Один оборот соответствует перемещению тубуса на 0,5 мм. Для подсчета числа сделанных оборотов на винте ставится указатель. 4. По вычисленным средним значениям 5. Описанным выше способом определить показатель преломления для каждой из других предложенных пластинок. Результаты занести в табл. 1.2. Таблица 1.2.
6. Вычислить погрешность в измерении n на примере одной (первой) пластинки, для чего: a) определить погрешность отдельных измерений d, их квадраты, сумму квадратов (см. табл. 1.1) и квадрат средней квадратичной погрешности: , где N - число измерений; б) задавшись надежностью (≤0,95) и выбрав из таблицы коэф-фициента Стьюдента t , рассчитать полуширину доверительного интервала для d , где K = t, - коэффициент Стьюдента при N; - погрешность (предельная ошибка) прибора, указывается в паспорте прибора; - цена деления прибора; в) по результатам расчетов в пунктах a) и б) определить при этой же надежности полуширину доверительного интервала х (для х); г) по d и х вычислить абсолютную погрешность в определении показателя преломления ; д) результаты записать в виде n = КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1,а ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ ЛИНЗЫ Цель работы: познакомиться с экспериментальными методами определения фокусного расстояния линз. Приборы и принадлежности: оптическая скамья с рейтерами, собирающая линза, источник света в специальном кожухе, экран, масштабная линейка. Теоретические сведения Линза – это прозрачное тело (чаще стеклянное), ограниченное двумя сферическими поверхностями с радиусами R1 и R2 (рис. 1.1). Линзы бывают двояковыпуклыми, двояковогнутыми, плосковыпуклыми и другими. В работе имеются в виду только первые из названных. Прямая, соединяющая центры С1 и С2 сферических поверхностей, называется оптической осью линзы. Точки О1 и О2 – вершины линзы. Расстояния О1О2 – толщина линзы. Линза называется тонкой, если толщина ее значительно меньше R1 (R2). Точка О называется оптическим центром линзы. Если на линзу падает пучок лучей, параллельных оптической оси, то после преломлений на поверхностях линзы лучи (или их продолжения) соберутся в точку F. Эта точка называется фокусом линзы, а расстояние f фокуса от центра линзы называется фокусным расстоянием. Двояковыпуклая линза имеет два фокуса (передний и задний), расположенных по разные стороны от линзы на одинаковых (при R1 = R2) расстояниях. Плоскости, перпендикулярные оптической оси и проходящие через фокусы, называются фокальными плоскостями. Величина , т.е. обратная фокусному расстоянию, называется оптической силой линзы. В системе СИ оптическая сила измеряется в единицах, называемых диоптриями (Дптр). Один диоптрий – это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием f = 1 м. Линзы служат для изменения направления световых лучей в оптических приборах. При этом происходит видимое перемещение и изменение линейных размеров предметов, рассматриваемых с помощью прибора. В связи с этим встает вопрос о нахождении изображения предметов в линзах. Обычно для построения изображения «светящейся» точки в выпуклой (собирающей) линзе пользуются двумя из трех указанных на рис. 1.2 лучей. Луч 1 идет параллельно оптической оси. Преломившись в линзе, он идет через фокус. Луч 2 идет через оптический центр линзы О, не преломляясь. Луч 3 идет через передний фокус линзы. За линзой он идет параллельно оптической оси. При этом нет необходимости прибегать к рассмотрению хода лучей внутри самой линзы. В связи с этим собирающую линзу представляют символом в виде двунаправленной стрелки (Л на рис. 1.2). Величины а - расстояние от предмета АВ до линзы, b - расстояние от линзы до изображения и f – фокусное расстояние связаны между собой простым соотношением. Действительно, из подобия треугольников АВО и А'В'О' следует , а из подобия треугольников DOF и A'B'F -. Левые части этих выражений равны, т.к. DO = АВ. Следовательно . Разделив обе части этого равенства на b, получим или . (1.1) Формула (1.1) называется формулой тонкой линзы. Описание установки Измерения производятся на оптической скамье, на которую помещены укрепленные на рейтеры осветитель (спираль его лампочки играет роль предмета), линза и экран. Центры этих предметов должны быть на одной высоте, а оптическая ось линзы параллельна ребру скамьи. Расстояния между элементами оптической скамьи (по меткам, нанесенным на рейтерах) измеряются по линейке, расположенной вдоль скамьи. Наводка изображения на резкость производится визуально. Порядок выполнения работы Фокусное расстояние f тонких линз можно определить различными способами. В работе используется два из них. Первый способ – определение f по расстояниям предмета и его изображения от линзы. Этот способ основан на использовании формулы линзы. Действительно, если измерить расстояние а от предмета до линзы и расстояние b от линзы до экрана, на котором получено четкое изображение предмета, то фокусное расстояние легко вычислить по формуле тонкой линзы из выражения . (1.2)
Второй способ – определение f по величине перемещения линзы. При первом способе определения фокусного расстояния линзы необходимо, чтобы указатель на рейтере линзы был нанесен строго против центра линзы. Но сделать это практически трудно, в результате возникают дополнительные ошибки. Чтобы избежать этих ошибок был предложен другой способ, при котором нет необходимости измерять расстояния a и b. При этом втором способе измеряется перемещение l линзы из одного положения в другое, а потому ясно, что упомянутая выше ошибка исключается. Действительно, пусть расстояние L между предметом и экраном больше 4f (L > 4f). В этом случае всегда найдутся два таких положения (I и II на рис. 1.3) линзы, при которых на экране получаются отчетливые изображения предмета: в одном случае увеличенное, в другом – уменьшенное. Нетрудно видеть также, что оба положения линзы будут симметричны относительно середины расстояния между предметом и изображением (экраном). Действительно, по уравнению (1.2) для первого положения линзы следует , для второго положения . Приравняв правые части этих выражений найдем, что . Тогда вместо а1 = L – l – b2 имеем . Таким образом, a1 = b2. Это означает, что оба положения линзы находятся на равных расстояниях: одно от предмета, другое – от изображения, а следовательно симметрично относительно середины расстояния между предметом и экраном. Чтобы получить выражение для f , рассмотрим одно (например, второе) из положений линзы. Для него , , тогда . Итак, . (1.3) Эта формула является рабочей формулой для второго способа определения f.
Таблица 1.2
. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА Цель работы: пронаблюдать на опыте интерференцию света в тонкой пленке (в воздушном слое между линзой и пластинкой) в виде колец Ньютона и познакомиться с методом определения радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона. Приборы и принадлежности: плосковыпуклая линза, поставленная выпуклой стороной на плоскопараллельную пластину и закрепленная на ней; микроскоп; источник света; линейка с миллиметровой шкалой. Сведения из теории В основе определения радиуса кривизны линзы или длины волны света с помощью колец Ньютона лежит явление интерференции. Сущность явления интерференции заключается в отсутствии суммирования интенсивностей световых волн при их наложении, т.е. при наложении световых волн происходит перераспределение светового потока в пространстве, в результате чего в одних точках пространства возникают максимумы, а в других - минимумы интенсивности. Необходимым условием интерференции световых волн является их когерентность: постоянство во времени разности фаз колебаний вектора E (и соответственно вектора H) в произвольной точке встречи складываемых электромагнитных волн. Известно, что два независимых источника света не дают когерентных волн. Для получения последних пучок (луч) света от одного источника делят каким-либо способом на две части или непосредственно выделяют два пучка (луча) от одного источника, направляют их разными путями, а затем сводят в одну область пространства. В данной лабораторной работе два когерентных луча света получают следующим образом. Плосковыпуклую линзу кладут выпуклой стороной на стеклянную пластину (рис.2.1). На линзу направляют нормально к плоской поверхности пучок параллельных монохроматических лучей. Каждый луч проходит линзу и на верхней границе воздушного клина делится на два: один отражается от верхней границы клина, другой проходит клин и отражается от его нижней границы. Из-за малой кривизны линзы преломление света на ее выпуклой поверхности практически не происходит, и два отраженных луча идут вдоль падающего (см. рис. 2.1). Они когерентны, так как получены путем разделения одного падающего луча. Оптическая разность хода двух отраженных лучей будет одинакова для всех пар лучей, находящихся на равном расстоянии от точки касания линзы, т.е. там, где одинакова толщина слоя b. Поэтому наблюдаемые интерференционные полосы называются полосами равной толщины и имеют вид темных и светлых колец - колец Ньютона. Обозначим через r радиус кольца Ньютона, соответствующий толщине воздушного слоя b (рис.2.1). Между двумя отраженными в этом месте лучами оптическая разность хода 2bn + 2 где - длина волны в вакууме, n =1- показатель преломления для воздуха. Добавление обусловлено следующим. В электромагнитной волне векторы E, H, V составляют правовинтовую систему (рис.2.2,а). При отражении вектор скорости V скачком меняет свое направление на противоположное. При этом должно измениться на противоположное направление векторов E или H. Опыты показывают, что при отражении от среды оптически более плотной вектор E меняет направление на противоположное (рис.2.2,б). Изменение направления вектора E или H на противоположное эквивалентно скачкообразному изменению фазы колебаний E или H на или, иначе, прохождению соответствующей составляющей электромагнитной волны расстояния . Поскольку световое воздействие на глаз, фотопластинку, фотоэлемент обусловлено вектором E, а не H, то за счет отражения второго луча от среды с большим показателем преломления к его оптической длине пути следует добавить . Найдем радиусы колец Ньютона в отраженном свете. Из рис. 2.1 видно, что R2 = (R - b)2 + r2 = R2 - 2Rb + b2 + r2 , (2.2) где R - радиус кривизны линзы. Из выражения (2.2) с учетом малости b2 получим 2b = . (2.3) Подставляя 2b из выражения (2.3) в выражение (2.1), получим Подставляя в (2.4) условие минимума = (2k+1)/2, а затем условие максимума = k, где k = 1, 2, 3, ... определим радиусы темных и светлых колец в отраженном свете: rт = , (2.5) rсв = , (2.6) где k - номер кольца. Описание установки Стеклянная пластина и плосковыпуклая линза, радиус выпуклой поверхности которой следует определить, помещаются на столик микроскопа, с помощью которого и наблюдаются увеличенные кольца Ньютона. В качестве источника света используется газоразрядная неоновая лампочка. Диаметры колец измеряются по шкале, вмонтированной в окуляр. Цена деления окулярной шкалы определяется экспериментально. Выполнение работы 1. Определение цены деления окулярной шкалы 1.1. Включить неоновую лампочку в сеть 220 В. 1.2. Часть линейки с миллиметровыми делениями подвести под микроскоп и навести на резкость. При этом в поле зрения должны быть видны две соседние риски, т.е. один миллиметр линейки. 1.3. Подсчитать число делений N (больших или малых) окулярной шкалы, уложившихся между левыми краями изображения рисок, а затем между правыми. Помещая в поле зрения другие деления линейки, проделать то же самое. 1.4. Рассчитать среднее значение 1.5. Определить абсолютную =N/ (2.7) Результаты занести в табл. 2.1. Таблица 2. 1
2.1. Подвести кольца Ньютона под объектив микроскопа и "поймать" их в окуляр. Для этого следует перемещать пластинку с линзой в горизонтальных направлениях, а тубус микроскопа - вверх и вниз. Чтобы свет от лампочки попадал в микроскоп после отражения от границ воздушного слоя между линзой и пластинкой, последние расположены наклонно к оси микроскопа. В результате этого кольца Ньютона видны в виде эллипсов. Понятно, что истинному диаметру кольца соответствует большая ось эллипса, вдоль которой и следует расположить окулярную шкалу. 2.2. Произвести отсчеты х1 и х2 положений диаметрально противоположных точек середин темных (светлых) колец Ньютона, вычислить диаметры колец и их квадраты. 2.3. Выбрать номера колец i и m, наиболее далекие друг от друга для избежания больших погрешностей, рассчитать для каждой пары и T. 2.4. Как следует из вышесказанного, диаметр кольца Ньютона можно непосредственно измерить в делениях окулярной шкалы. Умножая этот результат на величину , выраженную в мм/дел., получим диаметр в миллиметрах. Из формулы 3.3 выразим радиус кривизны линзы: , (2.8) где диаметр D выражен в тех же делениях окулярной шкалы (в больших или в малых), что и N. Усредненная длина волны света неоновой лампочки = (640 + 30) нм. В целях упрощения расчетов величину обозначим через T. Тогда R = (2.9) По формуле (2.9) определить 2.5. Подсчитать абсолютную погрешность: , (2.10) где T найти по формуле, аналогичной формуле (2.7). 2.6. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 2.2. Записать окончательный результат в виде доверительного интервала с указанием надежности и относительной погрешности. |
Лабораторный практикум является завершающим этапом в изучении бухгалтерского финансового и бухгалтерского управленческого учета | Лабораторный практикум по дисциплине «Безопасность товаров»./ Сост.: О. Н. Перелыгин | ||
Шакурова М. В. Методика и технологии работы социального педагога: лабораторный практикум. – Воронеж: Воронежский государственный... | Лабораторный практикум по дисциплине «Теоретические основы товароведения и экспертизы» / Сост. Ш. К. Ганцов, Л. Г. Цветкова, Р. Г.... | ||
Учебно-методический комплекс дисциплины «Лабораторный практикум по бухгалтерскому учету (Сквозная задача по финансовому учету и управленческому... | Рецензент: Сергеева И. А., к э н., заведующая кафедрой бухгалтерского учета, финансов и налогообложения | ||
«Сварочное, литейное производство и материаловедение» фгбоу впо «Пензенский государственный университет» | Учёт и документальное оформление поступления материально-производственных запасов в рганизацию | ||
Орлов, А. И. Эконометрика. Учебник. – М.: Издательство "Экзамен", 2002. – 576с. 23 | Орлов, А. И. Эконометрика. Учебник. – М.: Издательство "Экзамен", 2002. – 576с. 27 |
Поиск Главная страница   Заполнение бланков   Бланки   Договоры   Документы    |