Лаб физика

51

линзу, и навести микроскоп на ясную видимость царапин линзы.

6.Вставить в осветитель красный светофильтр, перемещая стеклянную пластинку вместе с линзой по плоскости столика микроскопа, найти кольца Ньютона.

7.Измерить по шкале микроскопа диаметры шести колец Ньютона. Результаты занести в таблицу.

8.По формуле (7) рассчитать не менее 5 радиусов кривизны линзы, комбинируя попарно радиусы колец с разными номерами; далее - среднее значение Rэксп.

9.Измеряют диаметр линзы D, толщину ее Н и толщину плоской части линзы

h вместе с погрешностями ∆D,∆H ,∆h , и по формуле (8) находят радиус кривизны линзы Rтеор.

10. Окончательный результат представляют в виде: Таблица

Контрольные вопросы

1.Что такое интерференция и каковы условия ее наблюдения?

2.Какие волны называют когерентными?

3.Нарисуйте ход лучей, создающих интерференционную картину в линзе и дающих кольца Ньютона.

4.Для чего в данной работе используется светофильтр?

5.Выведите формулу для расчета радиусов колец Ньютона в отраженном свете.

6.Выведите расчетную формулу радиуса кривизны линзы.

7.Как изменится картина колец Ньютона, если наблюдения вести в проходящем свете?

52

РАБОТА 11 Определение длины волны с помощью дифракционной решетки

Приборы и принадлежности: оптическая скамья с дифракционной решеткой, измерительная линейка, штангенциркуль.

Введение. Дифракционная решетка представляет собой чередующиеся прозрачные (a) и непрозрачные (b) промежутки (см. Рис. 1). Постоянная решетки d = a + b (в данной работе d=0,01 мм). Если на решетку 1 падает параллельный пучок света, то от каждой прозрачной щели решетки свет будет рассеиваться по всем направлениям (в силу дифракции). Лучи, идущие по произвольному направлению под углом ϕ к нормали от разных щелей,

соберутся в точке B фокальной плоскости линзы 2. Разность хода между двумя соседними щелями ∆ = d sinϕ . Если ∆ = mλ , то волны от всех щелей соберутся

Расстояние xm максимума m-го порядка от центра экрана 3, как видно из рис. 1, равно:

где A - расстояние экрана 3 от линзы 2.

Симметричный максимум того же порядка будет и в точке C, находящейся на том же расстояние xm от центра 0 экрана 3. Измеряя расстояние lm =2xm

53

между центрами одноцветных полос

можно определить длину волны, соответствующую данной полосе:

Описание установки и метода измерений

Установка собирается по схеме на Рис. 2, где S - источник света, В – конденсор, P - щель.

Добиваются изображения волоска лампочки на плоскости щели. Когда это будет достигнуто, то источником света может считаться щель. За щелью устанавливается линза А1 таким образом, чтобы щель P находилась в фокальной плоскости. В этом случае выходящий из линзы А1 пучок лучей должен быть параллельным. Затем на некотором расстоянии от линзы А1 устанавливается линза 2 и в ее фокальной плоскости - экран 3. При этом на экране должно быть получено четкое изображение щели Р. Между линзами А1 и 2 устанавливается дифракционная решетка 1. Она должна быть установлена таким образом, чтобы ее штрихи были параллельны щели. Правильность установки решетки проверяется постоянством положения окрашенных полос дифракционного спектра на экране 3 при перемещении ее между линзами А1 и 2. Таким образом, правильная установка объектов на оптической скамье должна обеспечить условия наблюдения дифракции:

1)параллельность пучка,

2)нормальность падения лучей на решетку 1,

3)расположение экрана 3 в фокальной плоскости линзы 2.

Порядок выполнения работы

1.Получив изображение спектра на экране 3, измеряют расстояние А от центра линзы 2 до экрана 3.

2.Измеряют расстояние lm1 между красными линиями в спектрах Iго и 2го порядков.

3.Измеряют расстояния lm2 между зелеными линиями в спектрах тех же порядков.

4.Заново устанавливают элементы оптической скамьи и проводят измерения еще раз по пунктам 1, 2, 3.

5.Данные измерений заносят в таблицу.

54

Таблица

6. Определяют усредненные значения lm1, lm2 по двум измерениям, и по формуле (4) определяют λ1 и λ2 для каждого порядка спектра, а затем среднее

значение λ1 и λ2 .

7. Результаты расчетов представляют в виде:

Контрольные вопросы

1.Какое явление называют дифракцией?

2.Как устроена дифракционная решетка?

3.Что такое постоянная решетки?

4.Как выполняются условия дифракции при установке элементов оптической скамьи?

5.Каковы условия максимумов в дифракционной решетке?

6.Как происходит дифракция на одной щели?

7.Почему начиная с определенного порядка цветные спектры перекрываются?

55

РАБОТА 12 Изучение явления вращения плоскости поляризации света

Приборы и принадлежности: сахариметр, набор кювет с растворами сахара различной концентрации.

Введение. Видимый свет представляет собой электромагнитные волны, длины которых в вакууме лежат в диапазоне от 380 до 770 нм. Из уравнения Максвелла следует, что векторы напряженности электрического E и магнитного H полей электромагнитной волны взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. При этом векторы v , E и H образуют правую тройку векторов (v - вектор скорости, см. Рис. 1.) Для плоской монохроматической волны, распространяющейся в положительном направлении оси Х , проекции вектора E на координатные оси y и z описываются уравнениями:

Рис. 1

где ω – циклическая частота волны, k – волновое число, A1, A2 – амплитуды Еy и Еz, ϕ - разность фаз колебаний Еz, Еy.

При произвольном значении ϕ плоская монохроматическая волна эллиптически поляризована. В каждой точке поля векторы E и H , оставаясь взаимно перпендикулярными, изменяются с течением времени так, что их концы описывают эллипсы, лежащие в плоскости, перпендикулярной к направлению распространения волны. При этом (см. сложение взаимно перпендикулярных колебаний):

превращаются в окружности:

57

где J - интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, Jест. - интенсивность естественного света (интенсивность света пропорционально квадрату амплитуды колебания вектора E ). Максимальная интенсивность, равная 1/2 Jест., получается при ψ = 0 (поляризаторы параллельны). При ψ =π2

(поляризаторы скрещены) интенсивность равна нулю.

Некоторые вещества, называемые оптически активными, способны вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. К числу таких веществ принадлежат кристаллы (например, кварц), растворы оптических веществ (например, водные растворы сахара). В растворах угол поворота плоскости поляризации ε пропорционален пути света в растворе l и концентрации активного вещества C

где L - удельная постоянная вращения.

Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить прозрачную кювету с раствором сахара, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно снова повернуть один из поляризаторов на угол ε. Зная величину L и измерив длину пути l по формуле (7), можно определить концентрацию раствора С. Такой способ определения концентрации используется в сахароварении, в связи с чем прибор, используемый в данной лабораторной установке называется сахариметром. Схема Рис. 3 иллюстрирует принцип измерения угла поворота плоскости поляризации:

1 - источник света, 2 - поляризатор, 3- кювета с раствором сахара, 4 – анализатор, 5 - светофильтр.

Рис. 3

В данной лабораторной работе проводят измерения зависимости ε от C для растворов известной концентрации, строят график зависимости ε от C, по которому, измерив угол поворота плоскости поляризации для кюветы с раствором неизвестной концентрации, определяют последнюю.

Порядок выполнения работы

1. Определяют нулевой отсчет прибора без кюветы с раствором сахара: включают осветитель, устанавливают окуляр так, чтобы ясно

выделить линию, разделяющую поле зрения на две части, вращая головку,

58

поворачивающую анализатор, добиваются максимально контрастной освещенности двух половин поля зрения; записывают показания прибора. Операцию повторяют пять раз. Средняя величина этих пяти измерений дает нулевой отсчет сахариметра.

2.В камеру прибора помещают кювету с раствором сахара известной концентрации. Вращением анализатора добиваются максимально контрастной освещенности двух половин поля зрения, записывают показания прибора. Измерения проводят три раза. Вычисляют среднее значение. Из полученного среднего вычитают (или прибавляют в зависимости от знака) нулевой отсчет прибора.

3.Проводят аналогичные измерения для кювет с различной концентрацией раствора сахара и строят график зависимости ε (С).

4.Для определения неизвестной концентрации раствора сахара кювету с последним помещают в камеру прибора, измеряют угол поворота плоскости поляризации также три раза. Концентрацию раствора находят по графику.

Контрольные вопросы

1.Чем поляризованный свет отличается от естественного?

2.Какую волну называют поляризованной по кругу?

3.Какую волну называют линейно поляризованной? Как ориентирован в ней вектор E относительно координатных осей?

4.Какую плоскость называют плоскостью поляризации?

5.Какие вещества называют оптически активными?

6.Опишите принцип работы сахариметра.

7.Что такое поляризатор и в чем состоит закон Маллюса?