random books / Байсова, Баранова, Болецкая, Струнина - Оптика_ учебно-методическое пособие (2016)

Контрольные вопросы

1.Какое явление называется дифракцией?

2.Сформулируйте принцип Гюйгенса – Френеля.

3.Как может быть учтено действие непрозрачных экранов с отверстиями, установленных на пути пучка света (выбор поверхности σ)?

4.Чем отличается дифракция Фраунгофера от дифракции Френеля?

5.Начертите графики распределения интенсивности на экране при дифракции Фраунгофера от одной щели; дифракционной решетки.

6.Запишите условие дифракционных минимумов при дифракции Фраунгофера от одной щели.

7.Запишите условие дифракционного минимума и максимума при дифракции Фраунгофера от дифракционной решетки.

8.Опишите способы определения длины волны с помощью наблюдения дифракции Фраунгофера от щели и дифракционной решетки.

Лабораторная работа № 10 Изучение принципов голографической регистрации объектов

Цель работы: изучить принципы голографической регистрации объектов, снять голограмму объекта.

Оборудование: голографическая установка УГМ-1.

Схема установки и порядок выполнения работы

В данной работе для ознакомления с техникой регистрации голограмм используется голографическая установка УГМ-1. Все оптические элементы установки УМГ-1 (см. рис. 1) смонтированы на вертикальной плите. Лазер помещен за плитой.

Работу следует выполнять в следующей последовательности:

1. Включите лазер.

181

Рис. 1. Оптическая схема УГМ-1:

1– затвор; 2–7 – зеркала; 8 – полупрозрачная пластинка (светоделитель); 9, 10 – линзы; 11, 12 – держатели; 13 – предмет, голограмма которого снимается; 14 – фотопластинка

2.На место фотопластинки поместите лист белой бумаги размером с фотопластинку.

3.Установите предмет.

4.Произведите юстировку оптической схемы таким образом, чтобы пучок, отраженный от светоделителя, и пучок, прошедший через светоделитель и отраженный от предмета, попадали на бумагу. Добейтесь того, чтобы освещенное пятно на бумаге было как можно больше и лежало в центре листа.

5.Закройте затвор установки.

6.Зарядите фотопластинку в кассету. Прежде чем это делать, потренируйтесь с непригодной фотопластинкой.

7.Установите фотопластинку на место листа бумаги эмульсионной стороной к предмету.

8.Без рывков откройте кассету и затвор и, выдержав время экспозиции (1 минуту), закройте.

182

ВНИМАНИЕ! Во время экспонирования необходимо исключить вибрационные помехи: нельзя ходить, открывать и закрывать двери в помещении, работать на столе, где размещена установка.

9. Обработайте фотопластинку: Время проявления 3–5 минут. Промежуточная промывка 1–2 минуты. Время фиксирования 5–7 минут. Промывка водой 5–7 минут.

Промывку нужно проводить под проточной водой. Обработка пластинки (кроме промывки проточной водой)

должна происходить в полной темноте.

Если после проявления и фиксирования пластинка имеет большую оптическую плотность (малый коэффициент пропускания), то пластинку отбеливают до полного исчезновения черных пятен (приблизительно 5 минут). Отбеливать пластинку можно на свету.

Пластинку сушат, устанавливая ее эмульсией вверх.

10.Высушенную фотопластинку установите на место эмульсионной стороной к предмету.

11.Уберите предмет и обнаружьте на его месте мнимое голографическое изображение. Для этого нужно посмотреть через пластинку на то место, где находился предмет.

12.По окончании работы выключите лазер, закройте установку чехлом.

Техника безопасности при работе с установкой УГМ-1

1.Перед включением лазера необходимо убедиться в наличии надежного заземления блока питания лазера и плиты установки.

2.Недопустимо попадание нерассеянного лазерного излучения на сетчатку глаза. Особую осторожность следует проявлять при юстировке оптической системы, так как большое количество направляющих зеркал способствует выходу излучения из установки в неожиданных направлениях.

183

Обработка фотоматериалов

Перед обработкой следует приготовить и тщательно профильтровать используемые растворы. Проявитель УП-2 и фиксаж готовят согласно прилагаемой к ним инструкции. Отбеливатель представляет собой 5 %-й водный раствор хлорной меди

(CuCl2).

Контрольные вопросы

1.В чем отличие голографических изображений от фотографических?

2.Получите систему уравнений Габора.

3.Что называется оптической длиной пути и оптической разностью хода?

4.Опишите оптическую схему установки УГМ-1.

Лабораторная работа № 11 Определение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля

Цель работы: изучение явления интерференции света с помощью бипризмы Френеля и определение длины световой волны.

Оборудование: источник белого света, светофильтры, диафрагма со щелью, бипризма Френеля, микроскоп с окулярным микрометром, оптическая скамья.

Бипризма Френеля

Длина световой волны λ может быть определена, если известны геометрические параметры схемы: 2 d – расстояние между когерентными источниками 3 и 4, l – расстояние между плоскостью источников и экраном 6 и x – ширина интерференционной полосы

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

S – источник света; 1 – диафрагма со щелью; 2 – бипризма Френеля; 3 – собирающая линза; 4 – микроскоп с окулярным микрометром

В данном случае 2 d и l непосредственно измерить нельзя. Косвенное определение этих отрезков можно сделать при помощи собирающей линзы, если установить ее перед экраном 6 так, чтобы на экране получилось действительное изображение источников 3 и 4. Тогда из рис. 1 и формул для тонкой линзы нетрудно получить:

где 2 d – искомое расстояние между источниками 3 и 4, 2 d′–

f ′ a −a′ a − f ′ a′ = 0 (отрезок a – отрицательный) и преобра-

Схема установки и порядок выполнения работы

Экспериментальная установка (рис. 1) состоит из оптической скамьи, на которой расположены осветитель Ф, регулируемая щель S, бипризма Френеля Б, линза L и окулярный микрометр О.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

На противоположных концах оптической скамьи установлены источник белого света и микроскоп с окулярным микрометром. Микроскоп можно перемещать в горизонтальном направлении.

1.Установите почти вплотную к источнику света диафрагму со щелью. Бипризму поместите на расстоянии порядка 25 см от микроскопа. Включите источник и, перемещая бипризму, а также микроскоп по горизонтали, получите в поле зрения микроскопа интерференционную картину в белом свете. Перемещая микроскоп, добейтесь, чтобы ахроматическая полоса (серая) оказалась в центре поля зрения.

2.Поместите перед источником света красный светофильтр. Измерьте ширину интерференционной полосы. Ширина полосы измеряется окулярным микрометром. В поле зрения окулярного микрометра видны крест нитей, два близко расположенных друг к другу штриха (биштрих) и шкала. Цена деления шкалы равна 1 мм.

Вращая барабан окулярного микрометра, можно перемещать крест нитей и биштрих вдоль шкалы. Барабан разбит на 100 равных делений. Один полный оборот барабана соответствует перемещению центра креста и биштриха на 1 мм. Следовательно, цена деления барабана равна 0,01 мм.

186

Для того, чтобы измерить ширину полосы, поступают следующим образом. Вращая барабан, устанавливают центр креста на середину одной из темных полос. Снимают отчет k1

по шкале и барабану. Число целых миллиметров равно ближайшей левой к биштриху цифре. Число сотых долей миллиметра равно тому делению барабана, которое расположено напротив указателя.

Пример снятия отчета: биштрих находится между третьим и четвертым штрихами линейной шкалы в поле зрения, против указателя на барабане стоит деление 52. Отчет равен

3,52 мм (рис. 2).

Затем переводят центр креста на середину какой-либо темной полосы, расположенной правее. Подсчитывают m – число полос, пройденных при этом. Снимают отчет k2 . Для увеличения

точности нужно выбрать число m как можно большим.

Рис. 2. Поле зрения и барабан окулярного микрометра

3. Повторите измерения пять раз. Перед каждым измерением нужно немного смещать микроскоп по горизонтали перпендикулярно оптической скамье, чтобы отчеты проводились на новом участке шкалы. Это исключает возможную систематическую ошибку. Можно изменить и число полос m .

4. Вычислите ширину полосы x по формуле x = km2 −γk1 ,

где γ = 6,25 – увеличение микроскопа.

187

Красный светофильтр

1

2

3

4

5

Зеленый светофильтр

1

2

3

4

5

5.Замените красный светофильтр зеленым. Выполните пять измерений для ширины интерференционной полосы в зеленом свете. Результаты занесите в табл. 1.

6.Определите расстояние 2 d′ между изображениями источников (рис. 1). Для того, чтобы измерить это расстояние, снимают светофильтр и между призмой и микроскопом поме-

щают собирающую линзу с фокусным расстоянием f ′=110 мм.

Перемещают линзу вдоль оптической скамьи так, чтобы в поле зрения микроскопа оказалось четко видным двойное изображение щели.

Установите центр креста на правый край первого изображения, снимите отчет p1 . Переведите центр креста на правый

край второго изображения и снимите отчет p2 . Повторите измерения пять раз, отклоняя винтом линзу в горизонтальном направлении. Вычислите 2 d′ по формуле

188

(2 d′) по формуле для погрешностей прямых измерений. Ре-

зультаты занесите в табл. 2.

Таблица 2

Измерение расстояния между изображениями источников

7.Измерить расстояние a′– расстояние между линзой и плоскостью изображения источников (микроскопом), отчитывается по делениям оптической скамьи.

8.Вычислите длины световых волн для обоих светофильтров по формуле

Вычислите погрешность Δλ по формуле для погрешностей косвенных измерений.

Контрольные вопросы

1.Какое явление называется интерференцией?

2.Дайте определение когерентных волн.

3.Что называется оптической длиной пути и оптической разностью хода?

4.Выведите условие, которому должна удовлетворять разность хода для того, чтобы в данной точке наблюдался интерференционный максимум, интерференционный минимум.

5.Почему волны, излучаемые независимыми источниками света, не являются когерентными?

189

6.Опишите способ получения когерентных волн с помощью бипризмы Френеля.

7.Почему при увеличении ширины щели контрастность интерференционной картины ухудшается?

8.Как измеряется ширина интерференционной полосы и расстояние между мнимыми источниками?

Лабораторная работа № 12 Определение показателей преломления жидкостей

Цель работы: изучить устройство рефрактометра Аббе, измерить с его помощью показатели преломления и средние дисперсии водных растворов глицерина, определить неизвестную концентрацию раствора глицерина.

Оборудование: рефрактометр Аббе марки RL1, водные растворы глицерина.

Конструкция и технические характеристики лабораторного рефрактометра RL1

В работе используется лабораторный рефрактометр Аббе марки RL1 (см. рис. 1–3). С его помощью можно не только измерять показатели преломления и средние дисперсии жидкостей и твердых тел, но и определять концентрации водных растворов сахара.

Технические характеристики лабораторного рефракто-

Показатель преломления материала призм для λD : nD = 1,75496, его средняя дисперсия nF −nC = 0,02743.

Рефрактометр RL1 дает значения показателей преломления для длины волны λD =589,3 нм.

190