
random books / Либерман, Миловидова - Методические указания к лаб работам по курсу общей физики (Оптика и атомная физика)
.pdf
|
21 |
|
|
|
|
Т р |
|
220 В |
|
|
|
|
||
|
|
K1 |
K2 |
|
R1 |
|
|
||
V1 |
Т |
R2 |
||
|
||||
|
Л |
М |
Д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
Ф С |
|
|
|
|
|
|
||||
220 В |
В ы прями- |
V2 |
R |
|
|
К осциллограф у |
||||||||
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
тель0-30В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Рис.8 |
|
|
μА |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
этой установке на ф отосопротивление Ф С |
свет от лампочки Л |
падает черезотверстиедиска Д , которы й насаж ен на осьэлектромотора М . С осью электромотора связан тах ометр Т – приб ор, с помощ ью которого мож но измерять число об оротов диска. Л ампа накаливания питается от трансф орматора Тр , а токнакала нитилампочкирегулируется реостатомR1. Н апряж ениена лампочкеконтролируется вольтметромV1. Ч ислооб оротов
электромотора регулируется реостатомR2. |
последовательно |
вклю чены |
||
Э лектрическая |
цепь, в |
которую |
||
ф отосопротивление, микроамперметрисопротивлениенагрузкиR, питается |
||||
от вы прямителя с |
регулируемы м на вы х оде напряж ением. |
В еличина |
||
вы х одного напряж ения вы прямителя контролируется вольтметром V2. Н а |
||||
макете лаб ораторной раб оты |
имею тся |
гнезда для подклю чения |
осциллограф а.
Вы полнениер аб оты
1.С нят ие вольт амперных харак т ерист ик ф от осопрот ивленияи
опред еление егоуд ельной чувст вит ельност и
Д ля вы полнения этого упраж нения необ х одимо при вы клю ченны х тумб лерах К 1, «свет» и К 2 «мотор» подклю чить лаб ораторны й макет и вы прямитель к городской электрической сети. Т умб лером К 1 вклю чить осветительноеустройствоипроверить, чтоб ы лампочка, отверстиев диске иф отосопротивлениенах одилисьна однойпрямой. Т аккаквольтамперны е х арактеристикиф отосопротивлений снимаю тся припостоянном значении
величины освещ енности (Е=const) |
принекотором начальном неб ольш ом |
||
накале лампочки, надо снять зависимость J=f(U). Здесь J |
– величина |
||
ф ототока, которая ф иксируется микроамперметром; U – приклады ваемоек |
|||
ф отосопротивлению |
напряж ение, |
величина которого |
изменяется |
|
|
22 |
|
|
|
|
|
|
|
регулятором |
напряж ения |
вы прямителя |
примерно |
через 5 |
|||||
вольтиконтролируется еговольтметромV2. |
|
|
|
|
|
|
|||
И зменяя с помощ ью |
реостата R1 накал лампочки, снимаю т ещ е две- |
||||||||
три аналогичны е кривы е при соответствую щ их |
постоянны х |
величинах |
|||||||
освещ енности. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П о лю б ой |
вольтамперной |
х арактеристике, |
соответствую щ ей |
||||||
определенному значению |
освещ енности Е, мож но |
рассчитать |
так |
||||||
назы ваемоесветовоесопротивлениеф отосопротивления, равное R = |
|
U |
. |
||||||
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
c |
J |
||
Световое сопротивление, |
или сопротивление при освещ ении, является |
важ ной х арактеристикой ф отосопротивлений. Е го величина колеб лется от
1,2 до500 О м.
Д ругой важ ной х арактеристикой ф отосопротивлений является |
их |
|||||||||||||
удельная |
чувствительность, |
вы раж аемая |
величиной |
ф ототока |
в |
|||||||||
микроамперах , отнесенной к световому потоку в 1 |
лм иприлож енному |
|||||||||||||
напряж ению |
в 1 В . Е го величина для разны х |
типов ф отосопротивлений |
||||||||||||
колеб лется в оченьш ироких пределах : от 0,5 до10000 мкА /ль. |
|
|
|
|
||||||||||
И так, |
согласно |
определению , |
удельная |
чувствительность |
||||||||||
ф отосопротивленийопределяется поф ормуле: |
|
γ = |
J |
|
, |
|
|
|||||||
|
ΦU |
|
|
|||||||||||
где ∆J |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
– ф ототок, равны й разности ф ототоков прираб оте на свету и в |
||||||||||||||
темноте (см. рис.4), |
Ф |
– световой поток, |
U – прилож енное напряж ение. |
|||||||||||
Световой поток Ф |
(в лю менах ) связан с освещ енностью Е |
( |
в лю ксах ) |
|||||||||||
соотнош ением |
Ф =SЕ, |
|
|
|
|
|
|
|
-5 |
2 |
||||
где S |
– |
раб очая |
площ адь |
ф отосопротивления, |
равная |
2,8·10 |
||||||||
|
м. |
|||||||||||||
О свещ енность ф отосопротивления определяется из граф ика, |
|
которы й |
||||||||||||
прилагается кданнойраб оте. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.О сц иллограф ическ ое наблюд ение работ ы ф от осопрот ивления
П одклю чите вх од У осциллограф а |
к соответствую щ им клеммам |
||||
макета. С помощ ью |
тумб лера К 2 |
вклю чите электромотор и настройте |
|||
осциллограф . М еняя |
напряж ение |
на вы х оде вы прямителя, |
зарисуйте |
||
экспериментальны е |
кривы е с экрана |
осциллограф а |
при |
некотором |
|
ф иксированном числе об оротов |
диска. |
П ри постоянном |
питаю щ ем |
||
напряж ении ф отосопротивления, изменяя |
с помощ ью |
реостат R2 число |
об оротов диска, а темсамы мдлительностьсветовы х импульсов, зарисуйте экспериментальны екривы е.
|
К онтр ольны евопр осы |
1. |
Ч тоназы вается ф отоэф ф ектомикаковы особ енностивнутреннего |
фотоэф ф екта?
2.К ак об ъясняется внутренний ф отоэф ф ект с точки зрения зонной теории?
3.Ч тотакоеэнергия активациипроводимостивещ ества?
4.О б ъяснитеустройствоф отоэлемента сзапираю щ имслоем.
5.Н азовитеосновны ех арактеристикиф отосопротивления.

|
23 |
|
|
6. |
Д айте определение светового потока и освещ енности. В |
каких |
|
единицах |
|
|
|
|
ониизмеряю тся? |
|
|
|
РА Б ОТ А № |
9 |
|
|
О П РЕД ЕЛ ЕН И ЕД Л И Н Ы С ВЕТО ВО Й ВО Л Н Ы П РИ П О М О Щ |
И |
|
|
Д И Ф РА К ЦИ О Н Н О Й |
РЕШ ЕТК И |
|
П риб оры и принадлеж ности: гониометр, плоская диф ракционная реш етка, осветительсосветоф ильтрами.
К р аткаятеор ия
Я вление диф ракциисвета состоит в отклонениисветовой волны от прямолинейного распространения. Д иф ракция происх одит, когда световы е лучи встречаю т на своём пути какое-либ о препятствие, но особ енно
отчетливо она |
об наруж ивается в тех случаях , |
когда размеры |
огиб аемы х |
||||||
непрозрачны х |
экранов |
или отверстий, через которы е прох одят лучи, |
|||||||
настолькомалы , чтоявляю тся соизмеряемы мисдлинойсветовойволны . |
|
||||||||
П рииспользованииб елогосвета диф ракционная картина приоб ретает |
|||||||||
радуж ную окраску. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Д иф ракционная |
картина |
возникает |
в |
результате |
налож ения |
||||
(интерф еренции) |
вторичны х |
волн, поэтому ей присущ и типичны е для |
|||||||
интерф еренции |
черты |
- |
неравномерное |
распределение |
энергии |
в |
|||
пространстве. |
В |
одних |
местах |
интенсивность света б ольш е, |
в других |
- |
меньш е. Т аким об разом, в подвергш ейся диф ракции световой волне по отнош ению к падаю щ ей происх одит перераспределение интенсивности света.
Рассмотримявлениедиф ракцииот однойузкойпрямоугольнойщ ели. П устьплоская монох роматическая волна падает перпендикулярнона экран,
в которомимеется длинная узкая щ ель ш ириной |
α (рис.1). К огда ф ронт |
||||||||||||||||
волны |
дойдет до щ елиизаймет полож ение |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
AB, то все его точки, согласно принципу |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Гю йгенса, |
являю тся |
новы ми источниками |
А |
|
|
В |
|
||||||||||
вторичны х |
элементарны х волн. |
Э тиволны |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
λ/2 |
||||||||||||
распространяю тся в пространстве за щ елью |
ϕ |
С |
|
||||||||||||||
вовсех направлениях . |
|
волны , |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Рассмотрим |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
распространяю щ иеся от точкиплоскостиAB |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
в |
направлении, |
составляю щ им |
с |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
первоначальны мнекоторы й уголϕ. Е слина |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
пути |
этих |
лучей |
поставить линзу, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
параллельную |
плоскости AB, |
то, |
как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
М |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
показанона рисунке, этипараллельны елучи |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
после преломления сойдутся в некоторой |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
точке М |
в ф окальной плоскости линзы . |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Располагая |
в |
этой ф окальной |
плоскости |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Рис.1 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

24
экран Е, мож но на нем наб лю дать результат интерф еренциидля волн, распространяю щ их ся от щ елипод различны мипроизвольны ми углами ϕ
кпервоначальномунаправлению . |
|
|
|
О пустим из точки А перпендикуляр А С на |
направление вы деленного |
||
пучка лучей, которы й б удет |
нормально |
пересекаться |
плоскостью , |
прох одящ ей черезэтот перпендикуляр. Т огда от плоскостиА С |
идалее до |
ф окальнойплоскостиЕ параллельны елучинеменяю т своейразностих ода. Разность х ода, определяю щ ая условия интерф еренции, возникает лиш ь на
путиот исх одного ф ронта AB до плоскости, AC |
иразлична для разны х |
|||||||
лучей. |
|
|
|
|
|
|
||
|
Д ля расчета интерф еренции всех этих |
лучей применим метод зон |
||||||
Ф ренеля (зонами Ф ренеля |
назы ваю тся |
зоны |
волновой поверх ности, |
|||||
об ладаю щ ие тем свойством, |
что разность х ода |
световы х |
лучей от двух |
|||||
соответственны х точексоседних зонравна половинедлины |
световойволны |
|
||||||
λ |
2 |
). Д ля этогомы сленноразделимлинию ВС на рядотрезков длиною λ |
2 |
. |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
П роводя изконцов этих отрезков линии, параллельны еAC , довстречиих с |
||||||||
AB , мы разоб ьемф ронт волны |
в щ елина рядполосокодинаковойш ирины . |
Э ти полоски и являю тся в данном случае зонами Ф ренеля, поскольку соответственны е точки этих полосок являю тся источниками волн, дох одящ их по данному направлению до точкинаб лю дения М на экране с
взаимнойразностью х ода λ 2 .
И зприведенногопостроения следует, чтоволны , идущ иеот каж ды х двух соседних зонФ ренеля, прих одят в точку М в противополож нойф азеигасят друг друга.
Разность х ода меж ду крайнимилучами, т.е. лучами, исх одящ имииз |
|||
точекА иB , б удет, каквидноизрис.1.а, равна |
|
||
= |
= |
ϕ = asinϕ |
ABsin BC (1) |
Е сливы б ратьуголдиф ракцииϕ таким, чтоб ы |
в ш иринещ ели |
||
уклады валосьчетноечислозонФ ренеля, то, очевидно, |
|||
|
D = a sinϕ = 2k ×λ / 2 , |
(2) |
где k - целое число, не равное нулю . В этомслучае все лучи, идущ ие в
направлении, |
определяемом углом ϕ, после сведения их линзой в одну |
|||
точку экрана |
б удут взаимно уничтож аться. |
Д ействительно, |
для каж дого |
|
луча лю б ойзоны |
сущ ествует луч в соседнейзоне, которы йнах одится сним |
|||
в противоф азе. |
Следовательно, лю б ы е два |
симметричны е луча от двух |
||
соседних зон б удут взаимно уничтож аться, |
т.е. одна зона |
б удет гасить |
другую , соседню ю сней. Т акимоб разом, условие(2) определяет полож ение
на экране темны х полос - |
минимумов света. Е сли ж е угол диф ракции |
||||
вы б рать таким, что в щ ели б удет |
уклады ваться |
нечетное число зон |
|||
Ф ренеля, то, очевидно, |
|
|
λ |
|
|
|
a |
ϕ |
= sin |
(3) |
|
|
k + )1 = 2( |
||||
|
|
|
2 |
|
|
В этом случае одна |
зона |
не б удет иметь парной себ е, |
которая |

25
уничтож ила б ы еедействие, илучив этом направлении дадут максимум освещ енности. Т акимоб разом, условие(3) определяет полож ениена экране светлойполосы - максимума света (на рис.1 в щ елиуклады ваю тся тризоны Ф ренеля).
Я сно, что при непреры вном изменении угла ϕ мы последовательно б удемнаб лю датьтемны еисветлы еполосы . Ц ентральны й максимумб удет располож ен в точке 0 против центра щ ели. П о об е стороны от него интенсивностьб удет спадатьдопервогоминимума, а затемподы маться до следую щ его максимума ит.д., как это показано на рис.1.б . Н а экране Е б удут наб лю даться, какэтопоказанона рис.1.в, перемеж аю щ иеся светлы еи темны е полосы с постепенны ми перех одами меж ду ними. Ц ентральная полоса б удет наиб олее яркой, а освещ енностьб оковы х максимумов б удет уб ы ватьот центра кпереф ерии. Ш ирина ичислоэтих полосб удут зависеть
от отнош ения длины световойволны |
λ |
кш иринещ елиα. |
|
|||
Совокупность |
б ольш ого |
числа |
узких |
параллельны х |
щ елей, |
|
располож енны х |
б лизко друг |
от |
друга, назы вается диф ракционной |
|||
реш еткой. |
|
|
|
|
α, располож енны х на |
|
Рассмотрим ряд щ елей одинаковой ш ирины |
равны х расстояниях b друг от друга. П рипрох ож дениисвета черезсистему таких одинаковы х щ елейдиф ракционная картина значительноуслож няется. В этомслучае диф рагирую щ ие лучиот отдельны х щ елей налагаю тся друг на друга в ф окальнойплоскостилинзы иинтерф ерирую т меж дусоб ой.
П усть свет с длиной волны λ |
падает нормально на диф ракционную |
||||||
реш етку (рис.2). |
За щ елями в |
результате |
диф ракции лучи б удут |
||||
распространяться поразличны мнаправлениям. |
ϕ |
|
|
||||
Рассмотрим |
лучи, |
составляю щ ие |
угол |
с |
нормалью к |
||
диф ракционной реш етке. |
Разность х ода |
лучей, |
прох одящ их |
через левы е |
|||
края первойивторойщ елей, равна |
|
= |
= |
+ |
ϕ = d sinϕ b (asin ) B |
||
|
|
|
|
A a
b
B
φ
C
(4)
Сумма a+b=d назы вается периодомили постоянной диф ракционной реш етки. Э той разности х ода соответствует разность ф аз
меж дуэтимилучами |
δ = 2π |
|
= 2π |
d sinϕ |
|
λ |
λ |
||||
|
|
|
Рис.2 |
(5) |
|
|
|
Т акой ж е точносдвиг ф азы |
б удет меж ду |
|||
|
колеб аниями, |
прих одящ ими |
от |
третьей |
щ елиивторой, четвертой итретьей, ит.д. |
Е слиΔ=λ, то δ=2π. |
Э тилучи |
прих одят в одинаковы х ф азах иусиливаю т друг друга. Резкоевозрастание
амплитуды |
результирую щ его колеб ания б удет в тех |
случаях , |
когда |
|
амплитуды |
колеб аний от всех |
направлений одинаковы , |
т.е. имею т сдвиг |
|
ф аз, целы й кратны й от 2π, |
что соответствует разности х ода δ |
меж ду |
||
соседнимищ елями, кратнойчетномучислуполуволн. |
|
|
||
Т акимоб разом, условиеоб разования максимумов б удет иметьвид |
|

26 |
|
|
|
|
ϕ = |
λ |
= sinλ , |
n |
(6) |
2 d |
||||
|
2 |
|
|
|
гдеп = 0, ±1, ±2, ±3, …
М аксимумы , удовлетворяю щ иеэтомуусловию , назы ваю тся главны ми
максимумамидиф ракционнойреш етки. |
|
|
|
|
И нтересноотметить, |
чтоеслипридиф ракцииот однойщ елиусловие |
|||
максимумов (3) |
α ϕ = |
k + |
λ |
sin |
)1 2( |
||||
|
|
|
2 |
|
(7)
соответствует нечётному числу зон Ф ренеля внутри щ ели, то для всей реш еткив целомусловие главны х максимумов (6)соответствует разности
хода отразны х щ елей, равнойчетномучислуполуволн.
На рис.3 показана диф ракционная картина, получаю щ аяся прислож ении
колеб аний от нескольких щ елей. Согласноф ормуле (6), пооб е стороны |
от |
|
|||||||||||||||
центрального максимума, которому соответствует значение n = 0, |
|
||||||||||||||||
располагаю тся первы емаксимумы |
- правы й(n = +1) илевы й( n = -1), далее |
|
|||||||||||||||
располагаю тся вторы емаксимумы |
(n = +2 иn = -2) ит.д. О днаковозмож ное |
|
|||||||||||||||
числомаксимумов является ограниченны м; ононемож ет б ы тьб ольш е, чем |
|
||||||||||||||||
d λ . В |
самом деле, |
согласно ф ормуле (6), |
sinϕ = |
n |
,но |
ϕ ≤ 1 , |
sin |
||||||||||
d |
λ |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
следовательно, n ≤ d λ . Ч емб ольш е постоянная реш еткиd, |
темб ольш ее |
|
|||||||||||||||
числомаксимумов мож нонаб лю датьиб олееузкимистановятся отдельны е |
|
||||||||||||||||
полосы . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Е сли |
|
|
на |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
диф ракционную |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
реш етку |
б удет |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
падатьб елы й свет, |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
то диф ракционны е |
|
||||||
n =– 2 |
n = –1 |
n = 0 |
n = +1 |
n = +2 |
|
|
максимумы |
для |
|
||||||||
|
|
лучей |
|
разного |
|
||||||||||||
|
|
Рис.3 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
цвета |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пространственно |
|
||||
разойдутся |
и каж ды й максимум |
(кроме центрального) |
приоб ретает |
|
|||||||||||||
радуж ную |
окраску, |
причем внутренний его |
край |
(по отнош ению |
к |
|
|||||||||||
центральному максимуму) |
станет ф иолетовы м, а наруж ны й - красны м, так |
|
|||||||||||||||
как ф иолетовому цвету |
соответствую т наиб олее |
короткие волны , |
а |
|
|||||||||||||
красному -наиб олее длинны е. М |
еж ду ф иолетовы м и красны м краями |
|
|||||||||||||||
максимума |
располож атся |
остальны е спектральны е цвета. |
В |
этой связи |
|
||||||||||||
диф ракционны емаксимумы |
принятоназы ватьдиф ракционны миспектрами, |
|
|||||||||||||||
а числоn - порядкомспектра. М аксимумнулевогопорядка остается б елы м, |
|
||||||||||||||||
таккак, |
согласно ф ормуле (6), приn |
= 0 угол диф ракции ϕ = 0 для всех |
|
||||||||||||||
длинволнλ. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
27 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вы полнениер аб оты |
|
|
|
|
|||||||
|
И зусловия |
|
|
|
|
|
|
|
|
sinϕ = n λ |
|
|
|
|
(7) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
видно, |
|
что |
синусы |
|
углов |
|
в |
спектре |
данного |
порядка |
прямо |
|||||||||||
|
пропорциональны |
|
длинам |
волн. |
|
Т аким |
об разом, |
длина |
волны |
||||||||||||||
|
монох роматического |
|
света |
мож ет |
б ы ть |
определена |
с |
помощ ью |
|||||||||||||||
|
диф ракционнойреш етки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Д иф ракционная реш етка представляет соб ой стеклянную |
пластинку, |
||||||||||||||||||||
|
на которойостроотточенны малмазны мостриемнанесенрядпараллельны х |
||||||||||||||||||||||
|
ш трих ов с промеж уткамимеж ду ними. Л учш ие диф ракционны е реш етки |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
имею т число ш трих ов М |
||||
|
|
К |
|
|
Д |
N2 |
М |
|
|
|
|
|
до 2000 на 1 мм, что |
||||||||||
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
соответствует периоду d = |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
φ |
|
|
|
|
|
|
1/m = 0,0005 мм= 0,5 мкм. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
Ч ерез промеж утки меж ду |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ш трих ами свет прох одит, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
N1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сами ж е |
ш трих и, т.е. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
места, |
где |
|
стекло |
|
|
|
|
Рис.4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
повреж дено, |
|
являю тся |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
непрозрачны ми |
для |
||||||
|
световы х лучей. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Д ля |
определения |
длины |
волн монох роматического |
света |
|||||||||||||||||
|
использую тся гониометры |
- приб оры , с помощ ью которы х мож ноизмерять |
|||||||||||||||||||||
|
угловы е |
величины . |
|
Сх ема |
гониометра |
с |
диф ракционной |
реш еткой |
|||||||||||||||
|
приведена на рис.4 |
|
|
из массивного диска М , на |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
Гониометр |
состоит |
краю |
которого |
||||||||||||||||||
|
нанесены деления в градусах . |
В |
центре диска имеется столик, на котором |
||||||||||||||||||||
|
устанавливается |
диф ракционная |
реш етка |
Д . |
О дна из труб |
К |
назы вается |
||||||||||||||||
|
коллиматором. Е еназначениесоздатьузкийпараллельны й пучоксвета. С |
||||||||||||||||||||||
|
одной |
стороны |
|
коллиматор |
имеет |
щ ель, |
ш ирину |
которой |
мож но |
||||||||||||||
|
регулировать. |
В торая труб а T |
представляет зрительную |
труб у с крестом |
|||||||||||||||||||
|
нитей. |
Э та труб а, соединенная с круговы минониусамиN1 |
иN2 , |
мож ет |
|||||||||||||||||||
|
вращ аться вокруг осидиска. Сначала зрительная труб а устанавливается так, |
||||||||||||||||||||||
|
чтоб ы |
в ней б ы ловидносовмещ енноес крестомнитей изоб раж ениещ ели. |
|||||||||||||||||||||
|
Затем |
на |
столик |
гониометра |
помещ аю т |
диф ракционною |
реш етку |
||||||||||||||||
|
перпендикулярнокпучку световы х лучей, |
идущ ему черезколлиматор. П ри |
|||||||||||||||||||||
|
этом в зрительной |
труб е на |
месте изоб раж ения щ ели б удет |
виден |
|||||||||||||||||||
|
диф ракционны ймаксимумнулевогопорядка. |
|
|
|
|
|
По одному изнониусов определяю т полож ение нулевого максимума ϕ.
Поворачивая зрительную труб у, например, вправо, нах одят диф ракционны й максимумпервого порядка ипоказание гониометра заносят в таб л.1. У гол
поворота ϕ1 |
- |
нах одится как разность показаний гониометра в двух |
полож ениях |
нулевого и первого (по аб солю тной величине). Т акой ж е |
|
диф ракционны |
ймаксимумоб наруж иваемиприповоротезрительнойтруб ы |
28
влево на угол ϕ2, которы й вы числяется аналогично углу ϕ1. Следует отметить, что ввиду погреш ностиизмерений углы ϕ1, иϕ2 могут
отличаться на некоторую малую величину. Средний угол диф ракционны х |
||
максимумов определяется изсоотнош ения |
ϕ = |
ϕ1 + ϕ2 . |
|
|
2 |
А налогичны е измерения проводят для второго итретьего максимумов и
по ф ормуле (7) |
определяю т длину световой волны λ. О пределение длин |
световы х волн |
производят для разны х светоф ильтров. В данной |
лаб ораторной раб оте использую тся диф ракционны е реш еткис периодомd =(1:50) мм или d =(1:100) мм. Результаты всех измерений для каж дого светоф ильтра заносят в отдельную таб лицу, ипотремзначениямдлинволн,
соответствую щ имтремдиф ракционны ммаксимумам, |
определяю т среднее |
||||||||||
значениедлины |
световойволны λср. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
Т аб лица 1. |
|
|
|
|
||
|
|
|
Светоф ильтркрасны й |
λср= |
|
|
|||||
|
П оказания гониометра |
|
|
|
|
|
|
||||
П орядок |
|
|
в градусах |
|
ϕ1 |
|
ϕ1 |
ϕ |
sinϕ |
λ, мм |
|
спектра |
ϕ0 |
|
О тсчёт |
|
О тсчёт |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
вправо |
|
влево |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Контр ольны евопр осы
1.В чемзаклю чается явлениедиф ракциисвета?
2.О б ъяснитеусловия наб лю дения диф ракциисвета.
3.О б ъяснитеметодзонФ ренеля.
4.О б ъяснитедиф ракцию отоднойщ ели, двух щ елейиот диф ракционной реш етки.
5.К акова окраска нулевогомаксимума икаков порядокследования цветов
в диф ракционны х максимумах приосвещ ениидиф ракционной реш етки
белы мсветом?
6.О б ъяснитеустройствогониометра.

|
29 |
|
|
|
РА Б ОТ А № 10 |
|
|
И З У Ч ЕН И ЕРА БО ТЫ MOHOXPО М А TOPA И ЕГ О |
Г РА Д У И РО ВК А |
||
П риб оры и принадлеж ности: монох роматор У М |
-2. ртутная лампа Д РШ , |
||
неоновая лампа М |
Н -5, конденсор, пульт питания. |
|
|
|
У стр ойствемонохр оматор а |
|
|
П ризменны й |
монох роматор-спектроскоп У М |
-2 |
предназначен для |
спектральны х исследований в диапазоне длил воля от 3800 до 10000 Å
(1 Å = 10– 10 м). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рассмотрим принцип действия простейш его спектрального приб ора |
о |
||||||||
призмой, сх ема которогоизоб раж ена на рис. 1. |
|
|
Ч ерез |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
узкую щ ель S |
||||
|
|
|
|
M |
|
|
|
, |
|
L1 |
P |
L2 |
располож енну |
||||||
|
|||||||||
|
|
|
ю |
в главной |
|||||
|
|
|
|
К расны йсвет |
|||||
|
|
|
|
|
ф окальной |
||||
S |
|
|
Ф иолетов |
|
плоскости |
||||
|
|
|
линза |
L1, |
на |
||||
|
|
|
N ы й |
||||||
|
Рис.1 |
|
|
последню ю |
|||||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
падает |
узкий |
||||
|
|
|
|
|
|||||
света, которы йна вы х одеизлинзы |
|
пучок |
б елого |
||||||
|
|
|
|
|
|||||
всегда б удет параллельны м. Т акие устройства, назначение которы х |
давать |
||||||||
параллельны й |
пучок |
света, |
назы ваю тся |
коллиматорами. |
Е сли щ ель |
||||
параллельна основанию |
призмы |
P , послепреломления в ней пучкисвета |
|||||||
разны х длин волн ф окусирую тся линзой L2 |
в ее ф окальной плоскостиMN |
,где получается ряд монох роматических (цветны х ) изоб раж ений щ ели S. Н аиб ольш ую длину волны инаименьш ий показатель преломления имеет красны й свет, поэтому красны елучиотклоняю тся призмойменьш едругих . Рядом с ними б удут лучи оранж евого, потом ж елтого, далее зеленого,
голуб ого, синего и, наконец, ф иолетового цвета. |
П роисх одит разлож ение |
|||
падаю щ его на |
призму слож ного б елого света |
на |
монох роматические |
|
составляю щ ие, |
т.е. получается |
сплош ной спектр. В |
сплош ном спектре |
|
представлены все цвета (длины |
волн), причемперех од от одного цвета к |
|||
другому соверш ается постепенноинепреры вно. |
|
|
П риизлученииисточникомсвета волн определенны х длин изоб раж ения вх одной щ елиокаж утся пространственно разделенны ми, в результате чего
получается линейчаты й спектр, |
состоящ ий из ряда |
резко очерченны х |
||||||||
цветны х |
линий, |
отделенны х |
друг от |
друга |
ш ирокими темны ми |
|||||
промеж утками. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У ниверсальны й монох роматор-спектрометр У М |
-2 представляет соб ой |
|||||||||
слож ны й |
оптический |
приб ор, |
предназначенны й |
для |
различны х |
|||||
спектральны х исследований и |
|
реш ения |
ряда |
аналитических |
задач. |
|||||
П ринципиально |
его |
оптическая |
сх ема |
не отличается |
от |
сх емы , |
||||
изоб раж енной на рис.1. В неш ний вид монох роматора У М -2 |
приведен на |

|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рис.2. |
|
|
О сновны е |
|
части монох роматора |
- |
коллиматор |
1, |
|
||||||||||||||||
призменны й столик с поворотны м мех анизмом 2 ивы х одная зрительная |
|
||||||||||||||||||||||||
труб а 3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
К оллиматор. |
В х одная щ ель 4 снаб ж ена микрометрическим винтом 5, |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
ш ирину. Н а вх одную щ ель |
|
|||||||||||||||||||
которы й позволяет откры ватьщ ельна нуж ную |
|
||||||||||||||||||||||||
надета |
насадка |
с об ъективом 6, |
в |
|
|
ф окальной |
плоскости которого |
|
|||||||||||||||||
установлены |
нож ивх одной щ ели. |
В виду того, что ф окусное расстояние |
|
||||||||||||||||||||||
об ъектива для каж дой длины |
волны |
различно, предусмотрена возмож ность |
|
||||||||||||||||||||||
ф окусировки |
об ъектива. |
Ф окусировочное |
движ ение |
|
об ъектива |
|
|||||||||||||||||||
производится мах овичком7. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
|
труб е |
|
коллиматора |
||||||||||||
|
|
16 |
|
3 |
|
|
2 |
|
8 9 |
|
1 |
4 |
6 |
имеется окно с миллиметровой |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ш калой 8 |
и нониусом 9, |
по |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которы м |
|
|
|
определяется |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
полож ение |
об ъектива. Ш кала |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ф окусировкимож ет освещ аться |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лампочкой. |
|
М |
еж ду щ елью |
и |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
об ъективом помещ ен затвор, с |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
10 |
5 |
|
помощ ью |
|
которого |
мож но |
||||||||
13 |
|
15 |
14 |
18 |
|
|
|
|
12 |
11 |
|
|
|
19 |
|
закры вать |
доступ |
света |
в |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
приб ор. |
Д виж ение |
затвора |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
управляется |
|
рукояткой |
10. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пр изме н н ы й |
|
|
ст олик |
с |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
17 |
|
|
|
|
|
|
|
повор от н ы м |
|
|
ме ха н измом. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П оворотны й столик с призмой |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
вращ ается |
вокруг |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вертикальной осиприпомощ и |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Рис.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
микрометрического |
винта |
с |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
отсчетны м б араб аном 11. |
Н а б араб ане нанесена |
винтовая |
дорож ка с |
|
|||||||||||||||||||||
градусны ми делениями. В доль дорож ки скользит |
указатель поворота |
|
|||||||||||||||||||||||
б араб ана 12. |
|
П ри вращ ении б араб ана |
призма |
поворачивается |
и в поле |
|
|||||||||||||||||||
зрения зрительнойтруб ы |
мож нонаб лю датьразличны еучасткиспектра, |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
Вы ходн а я зр ит е ль н а я т р уба . Л учи света, |
пройдя |
диспергирую щ ую |
|
|||||||||||||||||||||
призму, |
попадаю т в об ъектив вы х одной труб ы |
монох роматора, |
которы й |
|
|||||||||||||||||||||
соб ирает их |
в своей ф окальной плоскости и дает изоб раж ение вх одной |
|
|||||||||||||||||||||||
щ ели. И зоб раж ениеспектра рассматривается черезокуляр 13. В ф окальной |
|
||||||||||||||||||||||||
плоскостиокуляра зрительной труб ы |
имеется указатель, которы й мож но |
|
|||||||||||||||||||||||
перемещ ать в |
горизонтальном направлении вращ ением мах овичка |
14. |
|
||||||||||||||||||||||
Ф окусировка окуляра на отчетливую |
видимость указателя испектральны х |
|
|||||||||||||||||||||||
линий производится с помощ ью |
мах овичка |
15. |
У казатель освещ ается |
|
|||||||||||||||||||||
лампочкой черезсменны е светоф ильтры |
|
|
16. В |
этомслучае монох роматор |
|
||||||||||||||||||||
раб отает какспектроскоп. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
В |
случае необ х одимостиокуляр мож ет б ы ть заменен вы х одной щ елью , |
|
||||||||||||||||||||||
пропускаю щ ей |
одну |
И Р |
линий |
спектра, |
и |
тогда |
приб ор |
служ ит |
|
||||||||||||||||
монох роматором. В даннойраб отевы х одная щ ельнеприменяется. |
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
Н а основаниимонох роматора располож ены |
тумб леры 17 для вклю чения |
|