random books / Байсова, Баранова, Болецкая, Струнина - Оптика_ учебно-методическое пособие (2016)
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Ф.М. ДОСТОЕВСКОГО
ОПТИКА
Учебно-методическое пособие по курсам «Общий физический практикум»,
«Физика»
Омск
2016
УДК 535
ББК 22.34я73 О-627
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом ОмГУ
Рецензенты:
канд. физ.-мат. наук, доц. С.Н. Крохин (ФГОУ ВПО ОмГУПС), канд. физ.-мат. наук, доц. Е.Ю. Мосур (КНИОРП ОНЦ СО РАН)
Составители:
Б.Т. Байсова, Л.В. Баранова, Т.К. Болецкая, Н.Н. Струнина
О-627 Оптика : учебно-методическое пособие по курсам «Общий физический практикум», «Физика» / [сост. Б.Т. Байсова, Л.В. Баранова, Т.К. Болецкая, Н.Н. Струнина]. – Омск : Изд-во Ом. гос. ун-та, 2016. – 224 с.
ISBN 978-5-7779-1951-9
В пособии содержатся описание лабораторных работ по курсам «Оптика», «Ядерная физика», основные теоретические сведения к ним и методические указания по обработке и анализу экспериментальных данных.
Подготовлено в соответствии с требованиями ФГОС ВО на кафедре экспериментальной физики и радиофизики ОмГУ им. Ф.М. Достоевского.
Пособие представляет собой руководство к выполнению лабораторных работ для студентов естественных факультетов ОмГУ по направлению «Физика».
УДК 535
ББК 22.34я73
© Б.Т. Байсова, Л.В. Баранова, Т.К. Болецкая, Н.Н. Струнина, составление, 2016
ISBN 978-5-7779-1951-9 © ФГБОУ ВПО «ОмГУ
им. Ф.М. Достоевского», 2016
Оглавление
Предисловие ................................................................................... |
7 |
1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.................. |
8 |
1.1. Интерференция света............................................................. |
8 |
1.1.1. Интерференция от двух монохроматических |
|
источников одинаковой частоты................................ |
10 |
1.1.2. Положение максимумов и минимумов |
|
при интерференции от двух источников................... |
14 |
1.1.3. Способы получения когерентных источников ......... |
16 |
1.1.4. Интерференция при отражении от прозрачных |
|
пластинок...................................................................... |
19 |
1.1.5. Кольца Ньютона .......................................................... |
20 |
1.1.6. Многолучевая интерференция ................................... |
24 |
1.2. Дифракция света .................................................................. |
26 |
1.2.1. Принцип Гюйгенса – Френеля ................................... |
27 |
1.2.2. Математическая формулировка принципа |
|
Гюйгенса – Френеля.................................................... |
28 |
1.2.3. Зоны Френеля............................................................... |
29 |
1.2.4. Определение положений максимумов |
|
и минимумов методом зон Френеля.......................... |
31 |
1.2.5. Дифракция Френеля на круглом отверстии.............. |
32 |
1.2.6. Дифракция Фраунгофера на щели............................. |
33 |
1.2.7. Зависимость интенсивности дифракционной |
|
картины от угла дифракции φ .................................... |
34 |
1.2.8. Дифракционная решетка............................................. |
37 |
1.2.9. Условие главного максимума для дифракционной |
|
решетки......................................................................... |
37 |
1.2.10. Зависимость интенсивности дифракционной |
|
картины решетки от угла дифракции φ..................... |
39 |
1.2.11. Дифракционная решетка как спектральный |
|
прибор........................................................................... |
41 |
3 |
|
1.2.12. Критерий Релея.......................................................... |
43 |
1.2.13. Дифракция на пространственной решетке.............. |
45 |
1.2.14. Дифракционные картины от различных |
|
препятствий.................................................................. |
47 |
1.2.15. Рассеяние света. Закон Релея ................................... |
48 |
1.3. Понятие о голографии......................................................... |
48 |
1.3.1. Голограмма плоской волны........................................ |
49 |
1.3.2. Голограмма точки........................................................ |
51 |
1.4. Поляризация света |
|
1.4.1. Естественный и поляризованный свет...................... |
54 |
1.4.2. Поляризация. Поляроиды. Закон Малюса ................ |
57 |
1.4.3. Частично поляризованный свет. Степень |
|
поляризации................................................................. |
60 |
1.4.4. Эллиптическая и круговая поляризация................... |
62 |
1.4.5. Поляризация при отражении и преломлении........... |
63 |
1.4.6. Закон Брюстера............................................................ |
64 |
1.4.7. Двойное лучепреломление......................................... |
66 |
1.4.8. Искусственная оптическая анизотропия. |
|
Вращение плоскости поляризации............................ |
69 |
1.5. Дисперсия света.................................................................... |
72 |
1.5.1. Классическая электронная теория дисперсии .......... |
75 |
Связь дипольного момента молекулы с напряженностью |
|
поля световой волны................................................... |
77 |
Связь групповой скорости u с фазовой скоростью v ......... |
81 |
1.6. Зависимость показателя преломления газов |
|
от давления........................................................................... |
83 |
1.7. Геометрическая оптика |
|
1.7.1. Законы распространения света................................... |
84 |
1.7.2. Зеркальное и диффузное отражение.......................... |
86 |
1.7.3. Линзы............................................................................ |
87 |
1.7.4. Оптическая система .................................................... |
90 |
1.7.5. Зрительные трубы. Разрешающая способность |
|
зрительных труб.......................................................... |
96 |
1.8. Тепловое излучение |
|
1.8.1. Характеристики источников излучения.................. |
100 |
1.8.2. Законы теплового излучения.................................... |
103 |
4 |
|
1.8.3. Формула Рэлея – Джинса, формула Вина |
|
и ультрафиолетовая катастрофа............................... |
105 |
1.8.4. Поглощение света. Закон Бугера.............................. |
106 |
1.9. Основы теории погрешностей |
|
1.9.1. Погрешности и измерения........................................ |
108 |
1.9.2. Оценка воспроизводимости...................................... |
110 |
1.9.3. Интервальная оценка случайной погрешности ...... |
111 |
1.9.4. Порядок обработки результатов прямых |
|
измерений................................................................... |
114 |
1.9.5. Образец обработки результатов прямых |
|
измерений................................................................... |
115 |
1.9.6. Оценка неопределённости результатов |
|
косвенных измерений................................................ |
116 |
1.9.7. Образец обработки результатов косвенных |
|
измерений................................................................... |
118 |
2. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ |
|
2.1. Техника безопасности при работе |
|
в лаборатории оптики....................................................... |
120 |
2.2.Лабораторный практикум по разделу «Оптика»
Лабораторная работа № 1. Определение длины
световой волны с помощью колец Ньютона.......... |
123 |
Лабораторная работа № 2. Определение дисперсии |
|
стеклянной призмы с помощью гониометра.......... |
128 |
Лабораторная работа № 3. Изучение вращения |
|
плоскости поляризации и определение |
|
концентрации сахарных растворов |
|
с помощью поляриметра........................................... |
135 |
Лабораторная работа № 4. Измерение фокусных |
|
расстояний тонких и толстых линз, моделирование |
|
зрительных труб......................................................... |
142 |
Лабораторная работа № 5. Измерение показателей |
|
преломления жидкостей с помощью |
|
интерферометра Релея............................................... |
154 |
Лабораторная работа № 6. Измерение высоких |
|
температур с помощью оптического пирометра |
|
с исчезающей нитью.................................................. |
159 |
5 |
|
Лабораторная работа № 7. Изучение интерференции |
|
поляризованных лучей.............................................. |
165 |
Лабораторная работа № 8. Изучение законов теплового |
|
излучения................................................................... |
171 |
Лабораторная работа № 9. Изучение дифракции |
|
Фраунгофера от щели и дифракционной |
|
решетки ..................................................................... |
177 |
Лабораторная работа № 10. Изучение принципов |
|
голографической регистрации объектов................. |
181 |
Лабораторная работа № 11. Определение длины |
|
световой волны с помощью бипризмы Френеля... |
184 |
Лабораторная работа № 12. Определение показателей |
|
преломления жидкостей........................................... |
190 |
Лабораторная работа № 13. Изучение зависимости |
|
показателя преломления воздуха от давления....... |
197 |
Лабораторная работа № 14. Исследование закона |
|
Малюса....................................................................... |
202 |
Лабораторная работа № 15. Определение периода |
|
и угловой дисперсии дифракционных решеток.... |
204 |
Лабораторная работа № 16. Определение толщины |
|
пластинки с помощью наблюдения |
|
интерференционных полос равного наклона......... |
208 |
Лабораторная работа № 17. Исследование спектров |
|
пропускания светофильтров..................................... |
210 |
Лабораторная работа № 18. Исследование дифракции |
|
Френеля на круглом отверстии............................... |
212 |
2.3.Лабораторный практикум по разделу «Ядерная физика»
Лабораторная работа № 1. Определение периода
полураспада 40K ......................................................... |
215 |
2.4.Образец отчета по лабораторной работе
Лабораторная работа № 11. Определение длины
световой волны с помощью бипризмы Френеля... 220
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ |
|
ЛИТЕРАТУРЫ |
.......................................................................... 223 |
|
6 |
Предисловие
Впособии представлено описание 19 лабораторных работ
ируководство к проведению практических занятий, обработке
ианализу экспериментальных данных.
Работы освещают основные разделы волновой оптики: интерференцию, дифракцию, дисперсию, поляризацию света, геометрическую оптику, законы теплового излучения.
Лабораторным работам предшествуют теоретические сведения по темам: интерференция, дифракция, дисперсия, поляризация света, геометрическая оптика и законы теплового излучения. В них рассматриваются общие вопросы теории явления.
С технической стороны большинство лабораторных работ представляют собой уменьшенные физические установки, позволяющие максимально наглядно наблюдать изучаемые явления и проводить измерения с высокой точностью.
Отличительная особенность пособия – наличие элементов научного исследования при выполнении почти каждой лабораторной работы.
Кроме основного теоретического материала в пособии содержатся описание выполнения работ, установок, используемых в работах, контрольные вопросы, список рекомендуемой литературы.
7
1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Оптикой называется раздел физики, занимающийся изучением оптического излучения (света), процессов его распространения и явлений, наблюдаемых при взаимодействии света с веществом. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика – часть общего учения об электромагнитном поле – электродинамики. В волновой оптике рассматриваются оптические явления, в которых проявляется волновая природа света (интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия).
1.1. Интерференция света
Наиболее отчетливо волновые свойства света проявляются в явлениях интерференции и дифракции.
В этом разделе будут рассмотрены основные условия наблюдения интерференции света, способы получения когерентных источников в оптике, расчет интерференционной картины (опыт Юнга), интерференция в тонких пленках.
Интерференция света – явление наложения световых волн от двух или нескольких источников, при котором происходит пространственное перераспределение энергии, то есть появление максимумов и минимумов интенсивности в разных точках пространства. В переводе с латинского языка интерференция означает «взаимодействие» (от лат. inter – взаимно, ferio
– ударяю) – взаимное усиление или ослабление двух (или большего числа) волн при их наложении друг на друга при одновременном распространении в пространстве.
Интерференционную картину невозможно получить с помощью обычных источников, например, электрических лампочек. Включение еще одной лампочки приводит к увеличению освещенности поверхности, а не к чередованию максимумов и
8
минимумов освещенности. Это объясняется тем, что естественные источники света не когерентны. Интерферировать могут только когерентные волны.
Когерентные волны – волны, которые имеют одинаковую частоту, длину волны и постоянную в течение времени наблюдения разность фаз. Для волн, имеющих одинаковую частоту, разность фаз всегда постоянна. Однако у всех естественных источников фазы хаотически меняются с очень большой частотой, вследствие этого разность фаз двух независимых источников также хаотически меняется во времени. Это приводит к тому, что максимумы и минимумы (светлые и темные участки) будут перемещаться в поле зрения наблюдателя. Приемники излучения (глаз, термоэлемент и т. п.) не могут с такой быстротой следить за изменением освещенности интерференционной картины и будут воспринимать среднюю во времени освещенность без всяких максимумов и минимумов. В этом случае имеет место простое сложение интенсивностей обоих источников.
Основная трудность в осуществлении интерференции света состоит в получении когерентных световых волн. На основании рассмотрения особенностей процесса излучения тепловых источников света можно сделать вывод, что излучение даже двух атомов таких источников не будет когерентно. Следовательно, невозможно получить интерференционную картину путем сложения излучений различных частей теплового источника света. Интерференционные явления при использовании тепловых источников света будут иметь место в том случае, если каким-либо способом поделить на две (или больше) частей излучение каждого волнового цуга и таким образом сформировать две системы волн.
В настоящее время наибольшей монохроматичностью (когерентностью) обладают лазерные источники излучения. Отличие процессов излучения в лазерах и тепловых источниках заключается в том, что в лазерах излучения атомов не спонтанные, а носят вынужденный характер, и все излучающие атомы жестко связаны по фазе, чем и обусловливается их когерентность.
Таким образом, экспериментально можно получить когерентные пучки из одного светового пучка двумя способами:
9
методом деления волнового фронта и методом деления амплитуды.
1.1.1. Интерференция от двух монохроматических источников одинаковой частоты
Пусть в точках S1 и S2 находятся источники световых волн, которые излучают монохроматические волны одинаковой частоты. Эти волны перекрываются в пространстве, окружающем источники. Найдем результат перекрывания волн в точке Р, отстоящей от первого источника на расстоянии r1 , а от вто-
рого – на расстоянииr2 .
Рис. 1. Два когерентных источника S1 и S2
Будем рассматривать только напряженности электрических полей световых волн, так как известно, что физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются именно электрическим полем световой волны.
Напряженность электрического поля световой волны называется световым вектором.
Световые векторы E1 и E2 волн, приходящих в точку Р,
имеют вид: |
|
E1 = A1 cos(ωt − kr1 + ϕ1 ) , |
(1) |
E2 = A2 cos(ωt −kr2 + ϕ2 ) , |
(2) |
где t – время; A1 , A2 – амплитуды световых векторов; ω– одинаковая для обеих волн частота; k – волновое число, связанное
10