Экспериментальная оптика. Практикум

7.Каким должен быть угол между оптическими осями поляризатора и пластинки /4, чтобы получить свет, поляризованный линейно, по кругу, по эллипсу?

8.От чего зависит интенсивность света, прошедшего через

систему «поляризатор – пластинка /4 – анализатор»?

51

14. ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА В СТЕКЛЕ

Цель работы: экспериментальное определение зависимости показателя преломления стекла от длины волны света.

Оборудование: стеклянная призма, гониометр, источники света – ртутная лампа, неоновая лампа.

Теоретическая подготовка

1.Дисперсия волн. Групповая и фазовая скорости, аномальная и нормальная дисперсия.

2.Теория дисперсии в разреженных газах. Зависимость показателя преломления от длины волны.

3.Преломление света в призме. Угол наименьшего отклонения, его связь с показателем преломления.

Указания к теоретической подготовке

Дисперсия – зависимость фазовой скорости света в веществе от частоты световых колебаний – может быть обнаружена по зависимости показателя преломления среды от частоты (или длины волны). Необходимо изучить классическую теорию дисперсии, понятия нормальной и аномальной дисперсии, фазовой и групповой скорости.

Указания к выполнению эксперимента

Показатель преломления стекла п для данной длины волны при преломляющем угле призмы (рис. 20) и угле минимального отклонения лучей этой длины волны находят по формуле

Поэтому, чтобы вычислить дисперсию призмы, надо экспериментально определить преломляющий угол призмы и угол минимального отклонения лучей для данной длины волны.

52

сом, и вращающийся столик. На столике может быть установлена призма. Коллиматор предназначен для создания параллельного пучка лучей света. Он состоит из наружного тубуса, в котором укреплена линза L, и внутреннего тубуса, несущего вертикальную щель. Ширину щели регулируют микрометрическим, винтом.

Параллельный пучок света собирается объективом М зрительной трубы и дает в фокальной плоскости действительное изображение щели, которое и рассматривают через окуляр N.

При определении преломляющего угла призму устанавливают на столике так, чтобы параллельный пучок, выходящий из коллиматора, отражался от обеих граней, образующих преломляющий угол (рис. 22), и был бы параллелен биссектрисе этого угла. Можно до-

казать, что преломляющий угол Рис. 22 призмы = /2. Практически угол находят как разность двух

отсчетов положения зрительной трубы 1 – 2, при которых визир совпадает с изображением щели, создаваемым пучками АВ и СО.

Для определения угла минимального отклонения лучей призму ставят на столик так, чтобы пучок, выходящий из коллиматора, падал на грань призмы приблизительно под углом 45° (рис. 20). Поворачивая зрительную трубу, находят изображение щели, образованное пучком, преломленным в призме. После чего, наблюдая в трубу, начинают медленно поворачивать столик

53

с призмой в таком направлении, чтобы изображение щели в поле зрения трубы перемещалось в сторону не отклоненного пучка. В тот момент, когда при дальнейшем вращении столика щель остановится и начнет двигаться назад, вращение столика прекращают. Совместив крест нитей трубы с предельным положением изображения щели, отсчитывают угол по лимбу и нониусу.

Сняв призму со столика и поворачивая трубу, можно совместить точку пересечения нитей трубы с серединой не отклоненного изображения щели и отсчитать о. Абсолютная величина разности – о равна углу минимального отклонения .

Выполнение эксперимента

Задание 1. Определение преломляющего угла призмы

1.Изучить устройство гониометра и приобрести практические навыки его использования.

2.Установить призму так, чтобы пучок света падал на призму под одинаковым углом к обеим граням (рис. 22).

3.Поворачивая трубу влево от центра найти изображение щели (светлая полоса). По гониометру определить угол поворота

φ1.

4. Поворачивая трубу вправо от центра, найти изображение щели (светлая полоса). По гониометру определить угол поворота

φ2.

5. Рассчитать углы β и α.

Задание 2. Расчет показателей преломления для различных длин волн

1.Определить углы минимального отклонения для красного, желтого, зеленого и фиолетового цветов (методику определения см. в указаниях к выполнению эксперимента).

2.Рассчитать показатели преломления для каждого цвета, для которого проводились измерения.

3.Построить графики n = f ( ) и d /d = f( ).

54

Контрольные вопросы и задания

1.В чем отличие групповой скорости волны от фазовой?

2.С какой из скоростей связаны а) интерференция, б) дифракция, в) перенос энергии волны?

3.По какой причине показатель преломления вещества зависит от частоты падающего света?

4.Чем существенным для рассматриваемого явления разреженные газы отличаются от плотных газов, жидких и твердых прозрачных тел?

5.Как определяется преломляющий угол призмы в данной работе? Вывести рабочую формулу.

6.Вывести рабочую формулу для связи показателя преломления призмы с углом наименьшего отклонения.

7.Как отличить спектр, даваемый дифракционной решеткой от спектра призмы?

55

15. ИЗУЧЕНИЕ МОНОХРОМАТОРА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН ВОЛН СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

Цель работы: изучение устройства, принципа действия монохроматора УМ-2 и определение длин волн в спектре излучения неона.

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2, ртутная лампа, неоновая лампа, блок питания.

Теоретическая подготовка

1.Устройство и принцип действия спектральных приборов.

2.Основные характеристики спектральных приборов: линейная и угловая дисперсия, разрешающая способность.

Выполнение эксперимента

1. Настройка монохроматора.

Включить ртутную лампу и осветитель индекса (визира). С помощью линзы-конденсора получить четкое световое пятно, диаметром около 1 см, в центре колпачка на оправе входной щели. Отрегулировать ширину входной и выходной щелей для получения резких спектральных линий. Вращая отсчетный барабан монохроматора, пронаблюдать весь спектр ртути.

2. Градуировка монохроматора.

Последовательно, совмещая светящийся индекс-визир со всеми линиями спектра излучения паров ртути, сделайте отсчеты по барабану монохроматора, отмечая цвет линии.

3.Построить градуировочный график на миллиметровой бумаге. По оси ординат откладывать углы, отсчитанные по барабану, по оси абсцисс – соответствующие им длины волн, взятые из таблиц или приложенного планшета со спектром излучения ртути.

4.Определение угловой дисперсии.

Пользуясь градуировочным графиком, определить угловую дисперсию для фиолетовой, зеленой, желтой и красной областей спектра. Построить график зависимости угловой дисперсии от длины волны. Сделать вывод о характере этой зависимости.

Примечание. При определении угловой дисперсии необходимо перевести углы поворота по барабану в истинные углы пово-

56

рота призмы. Два деления барабана соответствуют 20 секундам угла поворота призмы.

5. Определение длин волн спектральных линий неона. Вместо ртутной лампы использовать в качестве источника

света неоновую лампу. Подключить ее к клеммам источника напряжения (лампа МП-3). Так же как в пункте 1 добиться равномерной освещенности входной щели монохроматора. Определить по барабану положения двух наиболее ярких линий в желтой и зеленой частях спектра неона и найти по градуировочному графику их длины волн. Сравнить полученные результаты с табличными.

Контрольные вопросы и задания

1.Из каких основных частей состоит монохроматор? Каково их назначение?

2.Построить ход лучей в монохроматоре.

3.На каких свойствах призмы основано разложение света в спектр?

4.Дать понятие угловой и линейной дисперсии.

5.Как проградуировать монохроматор?

6.Как определить длины волн в спектрах излучения газов?

57

16. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы: пронаблюдать основные закономерности фотоэффекта и изучить свойства сурьмяно-цезиевого вакуумного фотоэлемента.

Приборы и принадлежности: фотоэлемент СЦВ, источник питания ВУП, микроамперметр, вольтметр, оптическая скамья, лампа накаливания 60 Вт, регулятор напряжения РНШ.

Теоретическая подготовка

1. Основные законы внешнего фотоэффекта. Закон Столето-

ва.

2.Уравнение Эйнштейна. Физический смысл величин, входящих в это уравнение.

3.Красная граница фотоэффекта.

4.Вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента.

Указания к теоретической подготовке

Внешний фотоэффект – это эмиссия электронов с поверхности вещества под действием света. Явление внешнего фотоэффекта используется в фотоэлементах, ранее широко применяемых в технике. Простейший фотоэлемент представляет собой вакуумный или газонаполненный баллон (рис. 23), часть внутренней поверхности которого покрыта светочувствительным слоем. Этот слой является катодом К фотоэлемента. Анодом А служит расположенное в центре баллона металлическое кольцо. Если фотоэлемент присоединить к источнику тока, то при освещении катода в цепи возникает электрический ток – фототок. Величина фототока зависит от величины и знака напряжения U между анодом и катодом, от величины светового потока Ф и от структуры самого фотоэлемента (рис. 24). Зависимость iФ(U) при постоянном значении Ф называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента. Зависимость iФ(Ф) при постоянном значении U – световой характеристикой.

58

Величину светового потока можно изменять, меняя расстояние между фотоэлементом и лампой и рассчитывать по формуле

(1). Для построения световой характеристики нужно взять четыре точки (по одной на каждой вольтамперной характеристике) при одном и том же значении напряжения в области насыщения (рис. 24). Соответствующие этим точкам значения i и Ф представить в виде графика i = f(Ф).

Выполнение эксперимента

1.Собрать цепь по схеме, приведенной на рис. 25.

2.Расположить фотоэлемент на расстоянии 50–60 см от лампочки. Записать расстояние от лампочки до фотоэлемента.

3. Регулятор напряжения источника питания повернуть

вкрайнее левое положение.

4.Выставить на вольтметре предел 30 В. Определить цену деления.

5.На амперметре предел измерения поставить на 5 мкА.

6.Включить приборы в сеть, перевести тумблеры в положение «ВКЛ».

7.Убедившись, что показания вольтметра равны нулю, изменить предел измерения амперметра до минимума и измерить темновой ток.

8.Переключить предел измерения амперметра на 1 мкА. Используя ручку регулятора напряжения источника питания подать напряжение 1В.

9.Снять показания амперметра, при необходимости изменить предел так, чтобы стрелка находилась во второй части шкалы.

10.Последовательно увеличивая напряжение на 1 В, снять показания амперметра. Измерения проводить до тех пор, пока в течение 4–5 изменений напряжения показания амперметра не перестанут изменяться.

11.Снять еще две вольтамперные характеристики фотоэлемента iф = f(U) при различных расстояниях (световых потоках).

12.Построить все графики на одном листе миллиметровой бумаги.

60