Вдовин н а оптика лабораторный практикум пeрмь 2004 84 с

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  1.

 

Определение показателя преломления   твердых тел с помощью микроскопа 4  1,а. Определение фокусного расстояния линзы……………………….. 9  2. Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона 14  3.

 

Определение длины волны света с помощью колец Ньютона 20  4. Определение длины волны света с помощью дифракционной   решетки 22  5.

 

Изучение явления дифракции света с помощью дифракционной   решетки 38  6. Определение концентрации раствора сахара поляриметром 41  7. Определение степени поляризации   лазерного луча и проверка закона Малюса 48  8. Исследование фотоэлементов 51  9. Определение постоянной Стефана — Больцмана с помощью   фотоэлектрического пирометра 57  10. Определение постоянной Стефана — Больцмана с помощью   пирометра с исчезающей нитью 63  11. Исследование линейчатых спектров испускания с помощью   монохроматора УМ-2 68  12. Определение постоянной Планка с помощью светодиода………. 74     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 падения??пр, 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     1. Измерить микрометром толщину одной из пластинок 5-7 раз. Результаты этих и последующих измерений занести в табл.

 

1.1.

 

Таблица 1.1

Вещество Номер измер. di di — (di -)2 хi хi — (хi -)2 1  .  .  7 Сумма Ср. знач.   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 и рассчитать показатель преломления вещества n = /.   5. Описанным выше способом определить показатель преломления для каждой из других предложенных пластинок. Результаты занести в табл. 1.2.  Таблица 1.2.    Вещест-во Измер.  величина Номер измерения   1 2 3 Сумма Среднее  значение  n d х   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 = + ? n при ? = … . ?????      КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ     1. Законы отражения и преломления света.   2. Относительный и абсолютный показатели преломления и их физический смысл.   3. Явление полного внутреннего отражения.   4. Измерение показателя преломления с помощью микроскопа.        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)     1.1 На оптическую скамью на достаточно большом расстоянии установить рейтеры с осветителем (предметом) и экраном. Между ними поместить рейтер с линзой. На осветитель подать напряжение.   1.2 Перемещая линзу вдоль скамьи, получить четкое изображение предмета на экране.   1.3 По линейке отсчитать расстояния a и b (на рейтере линзы есть метка, указывающая положение ее центра, для этих же целей есть метки на рейтерах экрана и предмета).   1.4 Сместить линзу и работу по п.п. 1.2 и 1.3, повторить не менее 5 раз. Результат поместить в табл. 1.1.  Таблица 1.1    N a, мм b, мм 1  2  3  4

5 ? fi = = D =
1.5 По каждой из измеренных пар a и b вычислим fi , ?fi , .   1.6 Вычислить оптическую силу линзы .   Второй способ — определение f по величине перемещения линзы.

Do NOT follow this link or you will be banned from the site! Пролистать наверх