Добавил:

alleken Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Предмет:

Оптика

Файл:

random books / Либерман, Миловидова - Методические указания к лаб работам по курсу общей физики (Оптика и атомная физика)

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.03.2020

Размер:

569.25 Кб

Скачать

☆

1 / 51 2 3 4 5 > Следующая >>>

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И

В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

Ф изическийф акультет К аф едра экспериментальнойф изики

М ЕТ ОД И Ч ЕСК И Е У К А ЗА Н И Я

клаб ораторны мраб отампокурсу об щ ейф изики ( О птика иатомная ф изика)

для студентов неф изических специальностей часть2

Составители:

З .А . Л ибе р ма н С .Д . М иловидова А .М . С а ввин ов С .Н . Др ож дин

О.В. Рога зин ска я А .П. Л а за р е в Л .П. Н е ст е р е н ко

В оронеж – 2002

П редлагаемы е методические указания к лаб ораторны мраб отампо ф изике

призваны	помочьстудентамвсех ф ормоб учения глуб ж епонятьиосознать
основны е	ф изические явления	и приоб рести элементарны е навы ки
ф изического эксперимента. Н еоб х одимо отметить, что поскольку в
настоящ ий момент не удается		реализовать проведение практических

занятий ф ронтальны мметодом, поэтому неизб еж но некоторое опереж ение

лаб ораторны х занятий по сравнению	с теоретическим курсом. В	связис
этим в методических указаниях	перед каж дой раб отой	помещ ен
достаточны й теоретический материал,	содерж ащ ий описание ф изического

явления ивы воды основны х математических соотнош ений, необ х одимы х для вы полнения экспериментальны х исследований.

		С ОД ЕРЖ А Н И Е
Раб ота №	6.	О пределениепоказателейпреломления ж идкостей
		спомощ ью реф рактометра … … … … … … … … … … … … … … … 3
Раб ота №	7.	О пределениедлины световойволны спомощ ью колец
		Н ью тона… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ....9
Раб ота №	8.	И зучениевнутреннегоф отоэф ф екта полупроводникового
		ф отосопротивления… … … … … … … … … … … … … … ...… … … .17
Раб ота №	9.	О пределениедлины световойволны припомощ и
		диф ракционнойреш етки..… … … … … … … … … … … … … … … 23
Раб ота №	10. И зучениераб оты мoнoxpоматopa иегоградуировка… .. … ..29
Раб ота №	11. И зучениеспектра испускания атома водорода иопределение
		некоторы х внутриатомны х констант… … … … … … … … … … ...34
Раб ота №	12. И зучениеспектров поглощ ения иопределение
		постояннойП ланка… … … … … … … … … … … ..… … … … … … 38

РА Б ОТ А № 6

О П РЕД ЕЛ ЕН И ЕП О К А З А ТЕЛ ЕЙ П РЕЛ О М Л ЕН И Я Ж И Д К О С ТЕЙ С П О М О Щ Ь Ю РЕФ РА К ТО М ЕТРА

П риб оры ипринадлеж ности: реф рактометр типа РД У , растворы NaCl различной концентрации, стеклянная палочка, ф ильтровальная б умага или салф етка, дистиллированная вода.

Кр аткаятеор ия

Вразличны х прозрачны х средах свет распространяется сразличны ми

скоростями, меньш имискоростисвета в вакууме, т.е.	V =	c	,	(1)
		n

гдес- скоростьсвета в вакууме, n - аб солю тны йпоказательпреломления.

А б солю тны й показатель преломления (или просто показатель преломления) - важ ная оптическая х арактеристика среды : онпоказы вает, во сколько раз скорость света в вакууме б ольш е скорости света в данной среде. О чевидно, чтоаб солю тны йпоказательпреломления вакуума равен1.

Среда,	во всех точках			которой скорость распространения			света
одинакова, назы вается оптическиоднороднойсредой.
Рассмотрим, исх одя			из волновой теории, явление преломления
монох роматического света			на	плоской границе раздела двух		различны х
оптически однородны х		сред.		Д ля этого	воспользуемся	принципом
Гю йгенса, согласно которому каж дая точка,					до которой дох одит световое
возб уж дение,	является,	в	свою очередь,		центром вторичны х		волн.
П оверх ность,	огиб аю щ ая	в	некоторы й момент времени эти вторичны е

волны , указы вает кэтому моменту полож ениеф ронта распространяю щ ейся волны .

Д ля вы вода закона преломления предполож им, что плоская волна (ф ронт волны - плоскостьА В ), распространяю щ аяся в средес показателем преломления n1 вдольнаправления 1, падает на границу раздела сосредой,


показательпреломления которойn2. Скоростисветовойволны							в этих средах
соответственно равны V1 иV2 (рис.1). П устьвремя, затрачиваемое волной
для прох ож дения путиВ С, равно	t. Т огда ВС =V1 t. За этож евремя ф ронт
волны , возб уж даемы й точкой А в среде со скоростью				V2, достигнет точек
	полусф еры ,	радиус которой А Д =V2								t.
В	П олож ение	ф ронта					преломленной
	волны в этот			момент				времени в
	соответствии с принципом Гю йгенса
С	задается	плоскостью							Д С,	а
А	направление ее			распространения						-
	лучомП . И зрис.1 следует, что

D	AC =		BC		=	AD		,
				i1		sin i2			sin

Рис.1

	V1 t		V2 t		4	V1		V2
т.е.		=		,	или		=		.
	i1					i1				sin
			sin i2		sin			sini2

У читы вая (1), законпреломления мож нозаписатьв виде

=	i	.	nnsini	1	(2)	sin
	2		12	1

И зсимметриивы раж ения (2) вы текает об ратимостьсветовы х лучей. Е сли об ратитьлучП (рис.1), заставив егопадатьна границу раздела подугломi2, топреломленны й луч в первой средеб удет распространяться под угломi1, т.е. пойдетв об ратномнаправлениивдольлуча 1.

Е сли свет распространяется			из среды с б ольш им показателем
преломления n1	(оптическиб олееплотной) в среду с меньш импоказателем
преломления n2	(оптическименееплотную ) (n1 > n2), например, изстекла в
воду, то, согласно(2),
		sini2	=	n1		>1
		sini		n	2
	1				2

ипреломленны й луч удаляется от нормали, а уголпреломления i2 б ольш е,

а )	б)	в)	г)
		Рис.2
чем угол падения i1	(рис.2а).С увеличением угла падения увеличивается

уголпреломления i2 (рис.2,б ,в) дотех пор, пока принекоторомуглепадения (i1=iпр ) угол преломления не окаж ется равны м 90о. У гол iпр назы вается предельны муглом, приуглах падения i1> iпр весьпадаю щ ийсветполностью отраж ается (рис.2г). П о мере приб лиж ения угла падения к предельному интенсивность преломленного луча уменьш ается, а отраж енного растет. Е слиi1= iпр , то интенсивность преломленного луча об ращ ается в нуль, а интенсивность отраж енного равна интенсивности падаю щ его. Т аким об разом, приуглах падения в пределах от iпр до90о луч непреломляется, а полностью отраж ается в первую среду, причеминтенсивностиотраж енного

и падаю щ его лучей		одинаковы .	Э то явление		назы вается	полны м
отраж ением.
П редельны й угол iпр мож но			определить из ф ормулы			(2) при
подстановкев нееi2=90	о	. Т огда	iпр =	n2	= n21.	(3) sin
подстановкев нееi2=90		. Т огда	iпр =	n1	= n21.	(3) sin
				n1

У равнение(3) удовлетворяет значениямугла iпр приn2 ≤ n1. Следовательно, явлениеполногоотраж ения имеет местотолькоприпадениисвета изсреды оптическиб олееплотнойв средуоптическименееплотную .


		n21		5
В еличина				назы вается относительны м						показателем
преломления второйсреды относительнопервой.
Я вление		полного		отраж ения	используется в			призмах			полного
отраж ения.	П оказатель преломления				стекла	равен		n	≈	1,5,	поэтому
предельны й	угол для			границы стекло-воздух			iпр =arc		sin (1/1,5)=42о.
П оэтому припадениисвета на границу стекло-воздух								приiпр >42о всегда
б удет иметь место			полное отраж ение. Т акие				призмы ,			позволяю щ ие
повернуть угол на			90о	или об ернуть луч,		применяю тся				в	б иноклях ,
перископах , реф рактометрах идругих оптических приб орах .
Я влениеполногоотраж ения в настоящ еевремя ш ирокоиспользуется
в световодах		(светопроводах ),			представляю щ их				соб ой		тонкие,

произвольны моб разомизогнуты енити(волокна) изоптическипрозрачного


			материала (рис.3). В волоконны х
			деталях	применяю т		стеклянное
			волокно,	световедущ ая ж ила
			(сердцевина)			которого
			окруж ается стеклом-			об олочкой
	светопр овод		окруж ается стеклом-			об олочкой
	светопр овод		из другого стекла с меньш им


			показателем преломления. Свет,
			падаю щ ий на		торец	световода
источниксвета		Рис.3	под	углами,		б ольш ими
источниксвета		Рис.3	предельного,		претерпевает на

поверх ностираздела сердцевины иоб олочкиполноеотраж ениеираспространяется толькопосветоведущ ей ж иле.

Т акимоб разом, с помощ ью	световодов мож нокакугодноискривлятьпуть
светового пучка. Световоды	использую тся для передачисветовы х волн и

изоб раж ений, в медицине(например, для диагностикиж елудка) ит.д.

Пр инц ип действияр ефр актометр ов

Реф рактометраминазы ваю тся приб оры , служ ащ ие для определения

показателей преломления. В		основу принципа			действия этих		приб оров
полож ены	явление полного отраж ения ипринцип об ратимостисветовы х
лучей.
М етод измерения показателя преломления n основан на определении
	i	угла	γ,	под	которы м преломляется
n		скользящ ийсветовойлуч (уголпадения
		i=90о),		падаю щ ий		вдоль	границы
n0		раздела			исследуемой		среды
	γ	неизвестны м показателем n исреды						с
		известны м показателем преломления
		no>n. В		качестве		известной среды
		используется				прямоугольная
	Рис.4.	измерительная призма (рис.4).						n
		Т ак	как	показатель преломления

исследуемого вещ ества меньш е показателя преломления no измерительной

призмы , то по закону преломления для случая скользящ еголуча в точке

А мож нозаписать:
n sin90o=no sinγ,	или		n=nosinγ,			(4)
где γ - предельны й угол преломления.			Ф ормула (4) леж ит в			основе
градуирования ш кал в величинах	n	всех	типов реф рактометров,			таким
об разом, в основе действия реф рактометров леж ит				явление,	об ратное
явлению полногоотраж ения.
К онструктивной особ енностью		реф рактометров		является	наличие

дополнительной прямоугольной, так назы ваемой осветительной призмы П (рис.5). В разрезе призмы имею т вид прямоугольны х треугольников, об ращ енны х друг кдругугипотенузами.

Зазор

меж ду

призмамиимеет величину

около0,1 ммислуж ит для

помещ ения

исследуемой

ж идкости.

Гипотенузная

грань

осветительной

призмы

делается матовой. Свет,

Рис.5.

рассеянны й

матовой

поверх ностью ,

прох одит

слой

ж идкости

под

i ≤ 90о

всевозмож ны миуглами0 ≤

попадает на гипотенузную

граньизмерительной призмы 1. Т ак

как зазор меж ду призмами 1 и П

мал, то мож но считать, что лучис

наиб ольш им

углом

падения

являю тся

скользящ ими.

Реф ра

Скользящ ему ж е лучу в ж идкости

соответствует

предельны й

угол

преломления γ. П реломленны елучи

углами,

б ольш ими

γ,

не

возникаю т.

на

пути

лучей,

Е сли

вы х одящ их

из призмы ,

поставить

зрительную

труб у, то ниж няя часть

ее поля

зрения

б удет освещ ена, а

верх няя остается темной(рис.5).

П ри

раб оте

немонох роматическим (дневны м и

электрическим)

светом

вместо

Рис.6

резкой

границы

света

тени

получается

размы тая

радуж ная

полоса,

так

как

показатель

преломления зависит

от

длины

волны

7
(дисперсия). Д ля устранения этого эф ф екта	служ ит	компенсатор

дисперсии, устанавливаемы йпередоб ъективомзрительнойтруб ы .

1.Опр еделениепоказателей пр еломленияжидкостей

спомощью р ефр актометр а РД У

Внеш нийвидреф рактометра РД У приведенна рис.6.

На основании1 установлена стойка 2, к которой крепится корпус 4. Н а корпусе укреплены : зрительная труб а 5 с окуляром 6, микроскоп 7 с окуляром 8, две камеры - с измерительной призмой11 и осветительной

призмой

12,

зеркало

13.

П еред

зрительной

труб ой

установлен

дисперсионны й

компенсатор

которы й

поворачивается

помощ ью

мах овичка

10.

К амеры

призмами

при

помощ и

мах овичка

поворачиваю тся

совместно с круговы ми ш калами,

рассматриваемы ми в

микроскоп. Л евая ш кала проградуирована

величинах

показателей

преломления.

Вы полнениер аб оты

П оверните рукой от

себ я

корпус

приб ора

до полож ения, чтоб ы

гипотенузны е гранипризм установились горизонтально. О ткройте замок,

приж имаю щ ий камеры

с призмами, и откиньте камеру с осветительной

призмой.

П ротрите сух ой салф еткой или ф ильтровальной б умагой об е

стеклянны егранипризм.

Н а матовую

грань осветительной призмы

при помощ и стеклянной

палочкинанесите одну-две каплидистиллированной воды . Затемопустите

осветительную призму иприж мите призмы

друг кдругу рукояткой замка.

П ри этом меж ду гранями призм об разуется

тонкий, равномерны й по

толщ инеслойж идкости.

У становите

корпус

приб ора

в преж нее

полож ение,

удоб ное

для

наб лю дения. П оворотомзеркала доб ейтесьнаилучш ей освещ енностиполя зрения иустановитеокуляр6 на отчетливую видимостьперекрестия.

4.М едленно вращ айте мах овичок 3 до тех пор, пока в поле зрения не

	попадет	граница светотени.	А вращ ая мах овичок компенсатора	10,
	доб ейтесьустранения дисперсионнойокраскиграницы светотени.
5.	Т очно установите перекрестие на границу светлого итемного полей и
	произведите отсчет по левой ш кале, пользуясь для наведения на резкость
	окуляром 8. Д анны й реф рактометр позволяет определять показатели
	преломления с точностью до второго знака после запятой, третий знак
	оценивается на глаз. Е слиреф рактометр исправен иустановленправильно,
	то для дистиллированной воды		долж нополучиться значение n=1,333 ( при
	20оС).
6.	О ткиньтеосветительную призму ипромокнитеф ильтровальнойб умагой
	или салф еткой грани призмы . Н анесите стеклянной палочкой одну-две
	капли раствора ж идкости с наименьш ей концентрацией NaCl, сомкните
	призмы	и снимите отсчет	по ш кале показателей преломления.	Э ту
	операцию	вы полнитедля всех предлагаемы х растворов. П ослевы полнения

каж дого измерения необ х одимо очищ ать поверх ность призм от следов

		8
	нанесенного раствора	с помощ ью нескольких	капель
	дистиллированнойводы	имягкойсалф еткиилиф ильтровальнойб умаги.
7.	П о полученны м данны м постройте граф ик зависимости показателя
	преломления n от концентрации NaCl и по этому граф ику определите
	величинунеизвестнойконцентрациираствора.

Контр ольны евопр осы

1.В чемсостоитявлениеполногоотраж ения?

2.	Сф ормулируйте законы геометрической оптикииоб ъясните их с точки
	зрения волновойтеории.
3.	Ч то назы вается аб солю тны м и относительны м показателями
	преломления вещ ества?
4.	О б ъясните, на каком ф изическом явленииоснован принцип действия
	реф рактометра?

9
РА Б ОТ А	№ 7
О П РЕД ЕЛ ЕН И ЕД Л И Н Ы	С ВЕТО ВО Й ВО Л Н Ы

С П О М О Щ Ь Ю К О Л ЕЦ Н Ь Ю ТО Н А

П риб оры ипринадлеж ности: плоскопараллельная стеклянная пластинка иплосковы пуклая линза в оправе, микроскопсосветителем отраж енногосвета, окулярны ймикрометр, наб орсветоф ильтров.

Ур авнениеволны

Волна (волновой процесс) – это распространение колеб аний в

пространстве. Следовательно, в волнезначениеколеб лю щ ейся величины ξ (в случае мех анических волн – это смещ ение частиц среды от полож ения равновесия, а в электромагнитной волне - векторы напряж енностиЕ иН ) зависит не только от времени, но иот координат: ξ = f(t, x,y,z) . Э та зависимость вы раж ается уравнением волны, которое имеет наиб олее

простойвиддля случая гармонических колеб аний.
Рассмотрим волну,	в которой колеб ания, соверш аю щ иеся	вдоль оси Х ,
распространяю тся	от источника О в направлении оси Y (рис.1), т.е.
поперечную волну, х отя все последую щ ие рассуж дения		верны и для

продольной волны . П устьколеб ания источника являю тся гармоническими:

	λ		( ) = Α sinωt ,			где А	x– tамплитуда, ω		–

			круговая частота колеб аний. П остепенно
	С
			все частицы		среды		в	направлении О Y
			начнут	соверш ать				гармонические
		у	колеб ания		с	той		ж е частотой	и
			амплитудой, но с различны миф азами.						В
		у	среде возникнет синусоидальная волна .
			Граф ик	такой		волны		(рис.1) внеш не
у			пох ож	на	граф ик			гармонического
	Рис.1		колеб ания, нопосущ еству ониразличны .
			Граф ик		колеб ания			представляет

зависимостьсмещ ениялюбой част иц ы сред ы от времени , граф икволны

– это зависимостьсмещ ения част иц	сред ы от их к оорд инат ы вд анный
момент времени. О нявляется какб ы моментальнойф отограф иейволны .
Рассмотримнекоторую частицу С , нах одящ ую ся на расстоянииуот
источника колеб аний (частицы О).	О чевидно, что если частица О
колеб лется уж е t секунд, то частица С	колеб лется ещ е только (t-τ ) секунд,

гдеτ – время распространения колеб аний от 0 до С , т.е. время, за которое

волна переместилась на у.	Т огда уравнение колеб ания частицы С		следует
написатьтак:	=xΑ ω (t −t τ ).	sin
	=xΑ ω (t −t τ ).	sin
Н оτ = y /υ, где v – скоростьраспространения волны . Т огда
x = Α sinω(t − y /υ).			(1)
С оот нош ение (1),	позволяющ ее опред елит ь	смещ ение	любой

т очк и волны влюбой момент времени, называет ся уравнением волны.

			10
В водя в рассмотрениедлинуволны			λ как		расстояние	меж ду		двумя
б лиж айш имиточкамиволны , нах одящ имися в одинаковой ф азе, например,
меж ду двумя соседнимигреб нямиволны ,				мож нопридатьуравнению волны
другой вид. О чевидно,	что длина		волны	равна расстоянию ,			на	которое
распространяется колеб аниеза периодТ соскоростью v:
		λ = υΤ = υ /ν ,						(2)
где ν – частота волны .	Т огда, подставляя				в уравнение (1)		υ = λ / Τ		и
учиты вая, чтоω = 2π / Τ = 2πν , получимдругиеф ормы						уравнения волны :
= Α	π (	Τ −	λ) = Α		π (ν − y / λt)			2 sinx	y / t	/
или		= Α	(ωx − πy / λ).2t			sin		(3)

Интер фер енц ияволн

Еслив среденесколько источников колеб аний, то исх одящ иеот них волны распространяю тся независимо друг от друга и после взаимного

пересечения расх одятся, не имея никаких				следов происш едш ей встречи.
Э то полож ение назы вается		пр ин ципом супе р позиции.					Е го иллю страцией
мож ет служ ить распространение водяны х					волн,		вы званны х двумя
б рош енны мина поверх ностьводы			камнями(рис.2).В местах встречиволн
колеб ания среды , вы званны е каж дой изволн,					склады ваю тся друг с другом
(мож носказать: волны	склады ваю тся)
			S’			у2
·	·	S’	*					P

		*	у		у1		·

Рис.2				Рис.3

Результат слож ения (результирую щ ая волна) зависит от соотнош ения ф аз, периодов и амплитуд встречаю щ их ся волн. Больш ой практический

интерес	представляет случай слож ения двух		(или нескольких ) волн,
имею щ их	постоянную	разность ф аз и	одинаковы е частоты .

П одразумевается, чтонаправлениеколеб анийу всех волнодинаково. Т акие волны исоздаю щ ие их источникиколеб аний назы ваю тся к огерент ными.

С лож ение к огерент ных волн называет ся инт ерф еренц ией. П ри интерф еренцииотсутствует простое суммирование энергий волн иимеет


место устойчивое во времени их			взаимное усиление в одних точках
		лениев других точках .
пространства ивзаимноеослаб
Рассмотрим интерф еренцию			двух	волн одинаковой амплитуды ,
исх одящ их из когерентны х источников S΄иS˝ивстречаю щ их ся в точкеР
(рис.3). Согласно уравнению волны			(3),	смещ ения, вы званны е в точке Р
первойивторойволнами, равны соответственно:
	х1 = А sin(ωt –2πу1/λ)		и х2 = А sin(ωt –2πу2/λ)

В результатеточка Р б удет соверш атьколеб ания посинусоидальному закону:

1 / 51 2 3 4 5 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке random books