лабы по оптике

желательно не трогать.

3.3. Совмещение оптических осей коллиматора и зрительной трубы

Установку параллельности визирных осей коллиматора и зрительной трубы осуществляют следующим образом. Входную щель коллиматора освещают каким-либо источником света. Можно использовать обычный осветитель или ртутную лампу. Ширину щели устанавливают примерно 0,1 мм. Зрительную трубу, уже установленную на бесконечность, развернуть так, чтобы увидеть в нее изображение входной щели коллиматора. С помощью винта 5 добиться резкого видения щели. При этом автоматически достигается установка коллиматора на бесконечность. Далее диафрагмой, расположенной перед щелью коллиматора, уменьшить высоту щели примерно до 1 мм и регулировочным винтом 6, меняя наклон оси коллиматора, установить изображение щели симметрично горизонтальной оси зрительной трубы. После выполнения всех перечисленных регулировок можно проводить измерения углов с помощью гониометра.

4.Проведение эксперимента

4.1.Измерение преломляющего угла призмы методом автоколлимации

При настройке прибора по пп. 4.1 и 4.2 уже использовался метод автоколлимации. Поясним подробнее принцип этого метода с помощью рис. 4.

Рис.4. Схема измерений методом автоколлимации

Если лампой 1 осветить сетку 2, которая на просвет представляет собой темное поле с тонким прозрачным крестом (рис. 5), и направить прошедший через сетку свет с помощью полупрозрачного зеркала или светоделительного кубика 3 в объектив 4, то, если сетка находится в фокусе объектива, из трубы (коллиматора) выйдет параллельный пучок света.

370

Отразившись от какой-либо плоской поверхности 5, пучок света, пройдя вновь через тот же самый объектив, автоматически соберется в фокальных плоскостях 2 и 6 в светящийся крест. В случае перпендикулярности оптической оси трубы и отражающей поверхности крест сетки 2 и изображение креста должны совпасть. В автоколлиматорах в фокальной плоскости 6

Рис. 5. Вид сетки коллиматора устанавливается еще одна сетка (темные оси или крест на прозрачном фоне), которая

сопряжена с сеткой 2. Через окуляр 7 проводятся наблюдения этой сетки и отраженного от исследуемой поверхности света.

В этом упражнении используют только зрительную трубу. Предметный столик фиксируют с помощью зажимного винта 28а, призма устанавливается на столик основанием в сторону коллиматора. Включают подсветку лимба и шкалы окуляра зрительной трубы. Поворачивают рукой зрительную трубу до тех пор, пока изображение креста не появится в поле зрения окуляра. В этом положении зрительную трубу фиксируют винтом 29 и с помощью микрометрического винта 31 проводят совмещение вертикальной оси светящегося креста с вертикальной осью окулярной сетки и производят отсчет по лимбу.

Пусть отсчет будет 1 ; далее ослабляют стопорный винт 29 и проводят

аналогичную настройку на вторую отражающую грань. Пусть отсчет второго положения призмы будет 2 (рис. 6).

Рис. 6.Схема измерения преломляющего угла призмы автоколлиационным методом

Тогда преломляющий угол А призмы определится из уравнения

371

4.2. Измерение преломляющего угла призмы методом отражения

Освещают входную щель коллиматора источником сплошного или линейного спектра. Микровинтом устанавливают ширину входной щели 0,1- 0,2 мм. Поворачивают зрительную трубу так, чтобы угол между осями трубы и коллиматора составлял примерно 90 . В этом положении винтом 29 трубу фиксируют. Столик с призмой вращают рукой (винт 28а должен быть отпущен) до тех пор, пока в зрительной трубе не появится изображение входной щели коллиматора. Фиксируют столик стопорным винтом 28а и производят точную настройку входной щели на вертикальную ось окуляра.

После этого снимают по лимбу значение угла отражения. Пусть это значение будет 1 (рис. 7).

Рис. 7. Схема измерения преломляющего угла призмы методом отражения

Таким же образом, освободив предметный столик винтом 28а, производят установку второй грани и измерение угла отражения. Пусть значение второго угла будет 2 (рис. 7б), тогда преломляющий угол А

определится также уравнением (32).

4.3. Измерение углов наименьшего отклонения

Осветить щель коллиматора источником линейчатого спектра - ртутной лампой. Выставить ширину щели 0,1-0,5 мм. Установить на столик симметричную призму. Развернуть столик так, чтобы основание призмы было параллельно оси коллиматора и находилось от вас, например, слева. Установить зрительную трубу под углом 120 к оси коллиматора со стороны основания призмы, т.е. слева. Закрепляют трубу и начинают вращать столик с призмой по часовой стрелке до тех пор, пока в поле зрения окуляра не появятся линии спектра ртути. Продолжают вращать в том же направлении столик с призмой, но, чтобы выбранная для наблюдений линия (например, ярко-зелёная) не уходила из поля зрения, начинают медленно вращать трубу против часовой стрелки. Через некоторое время вращение

372

столика вызовет противоположное движение линий по полю зрения окуляра. В этом положении призма установлена на угол наименьшего отклонения для зеленой линии. Столик с призмой закрепляют и, вращая трубу, совмещают крест с наблюдаемой линией; после этого, закрепив трубу и отпустив столик, вращением столика проверяют, соответствует ли установка углу наименьшего отклонения. Затем, после подстройки, закрепив столик и трубу микровинтом 31, совмещают вертикальную ось окулярной сетки с зеленой линией и снимают отсчет по 1 лимбу для этой линии. Далее

зрительной трубой настраиваются на другие близкорасположенные линии и снимают соответствующие отсчеты i .

После измерения углов отклонений для всех ярких близкорасположенных линий излучения атомов ртути с поворотного столика снимают призму (столик заблокирован) и измеряют угол падения излучения на преломляющую грань призмы. Для этого устанавливают зрительную трубу так, чтобы щель коллиматора совпала с вертикальной осью сетки окуляра трубы, трубу фиксируют, проводят точное совмещение осей и снимают показания искомого угла (рис. 8).

Рис. 8.Схема измерения угла падения излучения на преломляющую грань призмы

Угол наименьшего отклонения для линии i определяется по уравнению

Далее повторяют всю процедуру измерения углов наименьшего отклонения для другой группы близкорасположенных линий. Всего нужно провести три серии измерений:

373

Каждое измерение по пунктам 4.1, 4.2, 4.3 повторить не менее трех раз.

5.Обработка результатов

5.1.Рассчитать, используя соотношение (32), преломляющий угол призмы для упражнений 4.1 и 4.2.

5.2.Вычислить на основании соотношения (33) углы наименьшего отклонения для наиболее ярких спектральных линий ртутной лампы.

5.3.Вычислить показатели преломления для каждой спектральной линии, используя уравнение (10).

5.4.Построить график зависимости показателя преломления от длины волны. Из графика определить дисперсию материала призмы для красной и синей областей спектра.

5.5.Вычислить разрешающую способность призмы, предварительно измерив ширину светового пучка.

осцилляторов N, используя соотношения (5).

5.8. Представить все результаты в стандартной форме: x = x t ,N ,

положив = 0,95.

6.Контрольные вопросы

6.1.Что называется дисперсией вещества?

6.2.Какая дисперсия называется нормальной, какая - аномальной?

6.3.Как ведет себя показатель преломления вблизи резонансной

частоты?

6.4.Как определяется разрешающая способность призмы?

6.5.При каком условии определяется показатель преломления вещества призмы?

6.6.Как устроен коллиматор?

6.7.Как устроен автоколлиматор?

6.8.Почему показатель преломления зависит зависит от длины волны излучения?

374

Список литературы

1. Афанасьев В.А. Оптические измерения / В.А.Афанасьев.- М.: Недра,

1968.

2.ЗайдельА.Н. Техника и практика спектроскопии / А.Н.Зайдель, Г.В. Островская, Ю.И.Островский.- М.: Наука, 1972.

3.Борн М. Основы оптики / М.Борн, Э.Вольф.-М.: Наука, 1970.

Гониометр. Техническое описание.

Приложение

Рис. П1. Общий вид гониометра Г5

Рис. П2. Обозначение регулировочных винтов гониометра

1 - стойка коллиматора; 2 - раздвижная щель; 3 – кольцо; 4 – коллиматор; 5 - маховичок фокусировки коллиматора;

375

6 - юстировочный винт; 7 - винт наклона столика; 8 – шкала; 9 - зрительная труба; 10,11 – рычажки; 12 – алидада; 13 - механизм соединения лимба с алидадой; 14 – маховичок;

15 - общий выключатель; 16 – переключатель; 17 – подсветка; 18 – основание; 19 - маховичок оптического микрометра; 20 - автоколлимационный окуляр-куб; 21 – кольцо;

22 - маховичок фокусировки трубы; 23 - юстировочный винт; 24 - столик

Рис.П2. (продолжение). Обозначение регулировочных винтов гониометра

25 – шкала; 26 - винт наклона столика; 27 – уровень; 28 - микрометренный винт лимба; 28 а - стопорный винт лимба;

29 - зажимной винт алидады; 30 - подъёмный винт; 31 - микрометренный винт алидады

376

Лабораторная работа 3.2 Изучение спектрального прибора

Цель работы:

знакомство с принципами работы и основными характеристиками спектральных приборов;

изучение и градуировка монохроматора;

определение спектральных характеристик стеклянных светофильтров.

Теоретическое введение

Спектральными приборами называются все оптические системы, в которых тем или иным способом осуществляется разложение электромагнитного излучения оптического диапазона на монохроматические составляющие.

Спектральные приборы предназначены для исследования состава вещества спектральным анализом, нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействующих с излучением.

Принцип работы спектрального прибора

Разложение излучения сложного состава на монохроматические

Рис. 1. Иллюстрация принципа работы спектрального прибора

Пусть исследуемый источник излучения или объект, взаимодействующий с излучением, имеет спектральное распределение (рис. 1а), описываемое функцией f . Спектральный прибор, разлагающий и

377

участки спектра с шириной в окрестности длины волны (рис. 1б). Эта функция называется аппаратной функцией, или функцией пропускания спектрального прибора, и характеризует пространственное (в направлении дисперсии) распределение энергии монохроматического излучения, адающего на спектральный прибор. Длина волны во всех точках этого распределения одна и та же.

Из определения аппаратной функции ясно, что чем меньше её ширина, тем точнее будет измерена спектральная линия или полоса, что обеспечит исследование более тонкой структуры спектра.

Наблюдаемое распределение энергии излучения источника F( ) в точкебудет описываться некоторой функцией

Процесс измерения спектров сводится к следующему. Исследуемое излучение со спектральным распределением f направляется на

диспергирующее устройство (селективный фильтр). Оно отклоняет излучение каждой длины волны от первоначального направления на определённый для неё угол. Падающий на спектральный прибор пучок излучения преобразуется в совокупность пучков различных длин волн, выходящих из диспергирующего элемента в различных направлениях. При этом угол отклонения пучков φ от какого-либо заданного направления зависит от длины волны: ( ) .

Регистрация спектра в спектральных приборах с пространственным разложением осуществляется как фотографическим (визуальным), так и фотоэлектрическим методом.

Обобщенная структурная схема спектрального прибора

Рис. 2. Структурная схема спектрального прибора с селективным фильтром

378

Структура типового спектрального прибора (рис. 2) состоит из трех функциональных блоков: 1 – осветительная часть; 2 – оптическая (спектральная) часть; 3 – приемно-регистрирующая часть.

В осветительную часть входят источник света 1, конденсорная система 2 и диафрагма 3. Задача конденсорной системы – равномерное освещение диафрагмы или входного зрачка прибора. В оптическую часть спектрального прибора входят объектив коллиматора 4, который преобразует излучение, прошедшее осветительную систему, в параллельный пучок света, диспергирующее устройство 5, осуществляющее разложение излучения на монохроматические составляющие, и выходной (камерный) объектив 6, в фокальной плоскости которого формируется изображение спектральных линий. Фокальная плоскость камерного объектива совмещается с фокальной плоскостью окуляра (при визуальном наблюдении спектра), с фотопленкой (при фотографической регистрации спектра) или выходной диафрагмой (при фотоэлектрической регистрации спектра). Приемно-регистрирующая часть 3 состоит из окуляра 7 и глаза наблюдателя 8, или фотопленки 12, или фотоприемника 9, устройств усилительного 10 и регистрирующего 11, индикатора 13. Следует отметить, что отдельные элементы оптической системы в спектральных приборах некоторых типов могут отсутствовать или быть совмещены в одном устройстве.

Способы разложения излучения в спектр

Действие диспергирующих устройств спектральных приборов основано на явлениях физической оптики: дисперсии, дифракции и интерференции света.

когда показатель преломления уменьшается с увеличением длины волны (рис. 3а). Явление дисперсии для разложения излучения света реализуется в призмах и призменных системах (подробнее см. “Методические указания к

379