ИИТиАС - II_1 / Компьютерная лаборатория Ч.5 (Коновалов, Мартусевич, Пискаленко, Громов)
.pdf
Факультет материаловедения
и обработки металлов давлением
Кафедра физики
Компьютерная лаборатория по физике. Часть V. Волновая и геометрическая оптика
Новокузнецк
2006
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Сибирский государственный индустриальный университет»
Кафедра физики
Компьютерная лаборатория по физике. Часть V. Волновая и геометрическая оптика
Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплинам «Физика» и «Концепции современного естествознания»
для студентов всех специальностей
Новокузнецк
2006
1
УДК 539.4(075) К12
Рецензент Доктор химических наук, профессор,
зам.директора по научной работе Новокузнецкого филиал-института Кемеровского государственного университета Ф.И. Иванов
К12 Компьютерная лаборатория по физике. Часть 5. Волновая и геометрическая оптика: Метод.указ. / Сост.: С.В. Коновалов, Е.В. Мартусевич, В.В. Пискаленко, В.Е. Громов // СибГИУ. - Новокузнецк: 2006.
– 37 с.
В данном издании приведены методические указания к выполнению ряда компьютерных лабораторных программ, моделирующих различные физические процессы по следующим разделам: Геометрическая оптика, волновая оптика.
Предназначено для студентов всех специальностей.
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение…………………………………………………………………… |
4 |
Лабораторная работа 5.1кл «Дифракция и интерференция»…………… |
9 |
Лабораторная работа 5.2кл «Дифракционная решетка»………………. |
14 |
Лабораторная работа 5.3кл «Моделирование оптических систем»…… |
18 |
Лабораторная работа 5.4кл «Изучение дифракции Фраунгофера от од- |
|
ной щели»………………………………………………………………….. |
24 |
Лабораторная работа 5.5кл «Определение радиуса кривизны линзы с |
|
помощью колец Ньютона»………………………………………………... |
28 |
Лабораторная работа 5.6кл «Определение периода кристаллической |
|
решетки методом дифракции электронов»……………………………… |
32 |
Список литературы……………………………………………………….. |
36 |
3
ВВЕДЕНИЕ
Данный сборник содержит описания к лабораторным работам, в которых используются компьютерные модели из курса «Открытая Физика», разработанного компанией «Физикон».
Для начала работы необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой сборника компьютерных моделей. После этого появится начальная картинка, имеющая следующий вид:
После этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, установив ее маркер над названием раздела, в котором расположена данная модель. Для квантовой физики вы увидите следующую картинку:
4
Чтобы просмотреть дальнейшие пункты содержания данного раздела, надо щелкать левой кнопкой мыши, установив ее маркер на кнопку со стрелкой вниз, расположенную в правом нижнем углу внутреннего окна.
Кнопки вверху картинки являются служебными. Предназначение каждой отображается, когда маркер мыши располагается над нею в течение 1..2 секунд (без нажатия кнопок мыши). Очень важной является кнопка с двумя вертикальными чертами « », которая служит для остановки эксперимента, а рядом расположенные кнопки – для шага «X » и продолжения «XX» работы.
Прочитав названия во внутреннем окне, установите маркер мыши над названием требуемой компьютерной модели и дважды быстро нажмите левую кнопку мыши.
Рассмотрите рисунок на с. 10. В появившемся внутреннем окне сверху также расположены служебные кнопки. Кнопка с изображением страницы служит для вызова теоретических сведений. Перемещать окна можно, зацепив мышью заголовок окна (имеющий синий фон). Для закрытия окна надо нажать мышью кнопку с крестом в верхнем правом углу данного окна.
Допуск к лабораторной работе
Проводится преподавателем позвенно с персональным опросом каждого студента. Для допуска:
* Каждый студент предварительно оформляет свой персональный кон-
5
спект данной ЛР (см. соответствующие требования);
*Преподаватель индивидуально проверяет оформление конспекта и задает вопросы по теории, методике измерений, установке и обработке результатов;
*Студент отвечает на заданные вопросы (письменно в черновике конспекта или устно);
*Преподаватель допускает студента к работе и ставит свою подпись в конспекте студента (графа ДОПУСК в табличке на обложке).
Оформление конспекта для допуска к лабораторной работе
Конспект для допуска к ЛР готовится заранее на двойных листах из школьной тетради в клетку (4-5 двойных листов в зависимости от почерка).
Первая страница (обложка):
Допуск Измерения Установка Зачет
Лабораторная работа N__ Название:
Выполнил:
студент группы _____
ФИО_______________
Дата выполнения: ____
Дата сдачи: _________
6
Следующие страницы:
|
Цель работы: (переписать полностью |
|
из описания). |
|
Краткая теория (выписать основные |
ЧЕРНОВИК |
формулы и пояснить каждый символ, |
входящий в формулу). |
|
(здесь и далее на этой стороне долж- |
Экспериментальная установка (нари- |
совать чертеж и написать наимено- |
|
ны быть представлены все расчеты, |
вание деталей). |
включая расчетные формулы и под- |
Таблицы (состав таблиц и их количе- |
становку числовых значений) |
ство определить самостоятельно в |
|
соответствии с методикой измерений |
|
и обработкой их результатов). |
|
Оформление отчета (переписать пол- |
|
ностью из описания). Этот раздел в |
|
описании может иметь и другое на- |
|
звание, например, «Обработка ре- |
|
зультатов и оформление отчета». |
Оформление лабораторной работы к зачету
Полностью оформленная и подготовленная к зачету работа должна соответствовать следующим требованиям:
Выполнение всех пунктов раздела описания «Оформление отчета» (в черновике представлены все расчеты требуемых величин, заполнены чернилами все таблицы, построены все графики).
Графики должны удовлетворять всем требованиям, приведенным ни-
же.
Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая единица измерения.
Записаны выводы по каждому графику (см. ниже шаблон). Выписан ответ по установленной форме (см. ниже шаблон). Записаны выводы по ответу (см. ниже шаблон).
7
ГРАФИК (требования):
•на миллиметровке или листе в клетку, размер не менее 1/2 тетрадного листа;
•на графике: оси декартовой системы, на концах осей – стрелки, индексы величин, единицы измерения, 10N;
•на каждой оси – РАВНОМЕРНЫЙ МАСШТАБ (риски через равные промежутки, числа через равное количество рисок);
•под графиком – полное название графика СЛОВАМИ;
•на графике – экспериментальные и теоретические точки ярко;
•форма графика соответствует теоретической зависимости (не ломаная).
ВЫВОД по ГРАФИКУ (шаблон):
Полученный экспериментально график зависимости __________________
название функции словами
от ______________ имеет вид прямой (проходящей через начало
название аргумента
координат, параболы, гиперболы, плавной кривой) и качественно совпадает с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид
______________.
формула
ОТВЕТ: По результатам измерений и расчетов получено значение
_________________________ , равное _____ = ( ___ ± ____ ) ·10 ___ _______
название физической характеристики |
символ среднее ошибка степень ед. измер |
ВЫВОД по ОТВЕТУ (шаблон):
Полученное экспериментально значение величины _________________,
полное название словами
равное _________________, с точностью до ошибки измерений,
число, единица измерения
составляющей ________________ , совпадает (не совпадает) с табличным
число, единица измерения
(теоретическим) значением данной величины, равным ________________.
число, единица измерения
8
Лабораторная работа 5.1кл ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ
Ознакомьтесь с теорией в конспекте, учебнике (Савельев, т.2, §119, 125–127, 129, 130). Запустите программу. Выберите «Оптика» и «Интерференционный опыт Юнга». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ на с. 5 еще раз.)
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
*Знакомство с моделированием процесса сложения когерентных электромагнитных волн.
*Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия световых волн от двух источников (щелей).
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
Между ДИФРАКЦИЕЙ и ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ нет существенных физических различий. Оба явления заключаются в перераспределении в пространстве энергии светового потока, возникающем в результате суперпозиции волн.
КОГЕРЕНТНОСТЬЮ называется согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов.
КОГЕРЕНТНЫМИ называются волны, для которых разность фаз возбуждаемых ими колебаний остается постоянной во времени. Когерентными являются гармонические волны с кратными частотами.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ называется устойчивое перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным количеством дискретных когерентных источников волн.
ДИФРАКЦИЕЙ называется устойчивое перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых расположенными непрерывно когерентными источниками волн. Одним из проявлений дифракции является распространение волны в область геометрической тени, то есть туда, куда не попадают световые лучи.
ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА: каждый элемент волновой поверхности является источником вторичной сферической волны, а волна в любой точке перед этой поверхностью (с другой стороны от поверхности, нежели реальный источник волны) может быть найдена как результат суперпозиции волн, излучаемых указанными вторичными источниками.
ЗОНАМИ ФРЕНЕЛЯ называются такие участки на поверхности волнового фронта, для которых излучение от двух соседних участков при сложении дает практически нулевой (минимальный) результат (излучение
9