2496(физика-лабы)

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра физики и экологической теплофизики

Оптика

Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике для студентов всех специальностей очной и заочной форм обучения

Составители: Е.В. Вилякина Л.Е. Жмур Х.Д. Ламажапов

САМАРА

2010

1

УДК 535

Оптика : методические указания к выполнению лабораторных работ по физике для студентов всех специальностей очной и заочной форм обучения [Текст] / составители : Е.В. Вилякина, Л.Е. Жмур, Х.Д. Ламажапов. – Самара : СамГУПС, 2010. – 36 с.

Утверждены на заседании кафедры «Физика и ЭТ» 2 октября 2009 г., протокол № 2. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Приведены методические указания к выполнению лабораторных для студентов по рассматриваемой дисциплине.

В методических указаниях приведены необходимые теоретические сведения по разделу «Оптика», даны схемы и описания лабораторных установок, порядок проведения исследований и контрольные вопросы для самостоятельной подготовки студентов.

Составители: Вилякина Евгения Васильевна Жмур Леонид Емельянович Ламажапов Хубита Доржиевич

Рецензенты: канд. техн. наук, проф., зав. кафедрой «АТС на ж.-д. транспорте» СамГУПС В.Б. Гуменников; доктор физ.-мат. наук, проф. кафедры «Физика» СамГТУ В.С. Кононенко

Редактор И.М. Егорова Компьютерная верстка Е.А. Ковалева

Подписано в печать 17.02.2010. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 2,25.Тираж 200 экз. Заказ № 17.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2010

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 41

Определение угла полной поляризации

Цель работы: изучение закона Брюстера.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Световая волна слагается из множества цугов (отдельных порций) электромагнитных волн, испускаемых отдельными атомами независимо друг от друга. Векторы напряженности электрического Ε и магнитного Η полей в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и к

Если колебания векторов Ε в разных цугах происходят только в одной плоскости, проходящей через вектор Ε и вектор скорости волны, то свет называют плоскоили линейно-поляризованным. Плоскость, в которой колеблется вектор Ε напряженности электрического поля, называют плоскостью колебаний. Плоскостью поляризации называется плоскость, в которой происходят колебания вектора Η . Плоскополяризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которую называют плоскостью поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к этой плоскости. Поляризация света происходит также при отражении и преломлении света на границе двух диэлектриков.

Отраженный и преломленный лучи всегда частично поляризованы. В отраженном луче r

преобладают колебания вектора Ε , перпендикулярные к плоскости падения (плоскостью падения называется плоскость, проведенная через падающий луч и перпендикуляр, восставленный в точке падения). На рис. 2 эти колебания обозначены точками, а в преломленном луче преобладают колебания Ε , параллельные плоскости падения (на рис. 2 они изображены двусторонними стрелками). Степень поляризации зависит от величины угла падения α. При угле падения α = α B (где α B – угол Брюстера),

отраженный луч – полностью поляризован, т. е. в отраженном луче присутствуют только

3

r

колебания вектора Ε , перпендикулярные плоскости падения. Углом Брюстера α B называется такой угол падения, при котором отраженный и преломленные лучи взаимно перпендикулярны. Угол Брюстера удовлетворяет условию

где αB – угол полной поляризации или угол Брюстера;

n1 – абсолютный показатель преломления окружающей среды, в которой распространяются падающий и отраженный лучи света, эту среду назовем первой;

n2 – абсолютный показатель преломления среды, в которой распространяется преломленный луч, эту среду назовем второй;

n21 – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

падающий луч

αβ

отраженный луч

1,n1

2,n2

преломленный луч

Рис. 2

Соотношение (1) называется законом Брюстера.

Закон Брюстера неприменим в случае отражения света от поверхности проводников.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка состоит из источника света, который дает плоскополяризованный пучок. В качестве такого источника света используется или лазер, или осветитель 1 (рис. 3), включающий лампу накаливания и поляроид 2. Поляроид пропускает световые волны, в которых колебание вектора Ε происходят преимущественно в одной плоскости. Выходящий из поляроида или из лазера плоскополяризованный свет падает на поверхность диэлектрика 3, а отраженный от диэлектрика – на экран 4.

4

Рис. 3

Освещенность экрана будет зависеть от ориентации плоскости колебаний в падающем луче света относительно плоскости падения на отражающую поверхность.

Если поворотом поляроида вокруг горизонтальной оси добиться того, чтобы r

колебания вектора Ε происходили в плоскости падения, а поворотом диэлектрика – минимальной освещенности экрана, то угол падения будет равен углу полной поляризации (углу Брюстера). По тангенсу угла Брюстера можно определить показатель преломления диэлектрика.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1)Включите осветитель. Поворотом лимба с диэлектриком получите на экране световой «зайчик».

2)Не изменяя положения диэлектрика, вращением поляроида или лазера вокруг

горизонтальной оси добейтесь минимальной освещенности экрана световым «зайчиком» r

(при этом вектор Ε будет совершать колебания, лежащие в плоскости падения).

3)Поворачивая лимб с диэлектриком, добейтесь полного или почти полного исчезновения светового «зайчика» на экране. При этом угол падения равен углу Брюстера.

4)Произвести отсчет угла α1 по лимбу и нониусу.

5)Расположите экран по другую сторону прибора, а диэлектрик так, чтобы световой «зайчик» снова попал на экран. Следите за тем, чтобы свет отражался от одной и той же поверхности диэлектрика. Положение диэлектрика не изменяйте. Добейтесь повторного исчезновения «зайчика».

6)Проведите второй отсчет угла α2 по лимбу и нониусу.

7)Повторите измерения (пп. 3...6) еще два раза.

8)Найдите значение угла полной поляризации по формуле

9)По закону Брюстера (1) определите абсолютный показатель преломления n диэлектрика, считая абсолютный показатель преломления воздуха равным единице.

10)Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.

5

1

2

3

11) Рассчитать погрешность αср. и вычислить относительную погрешность для n по формуле

nср. /nср. = αср. / αср.

Найти абсолютную погрешность для n по формуле

nср. = nср. ( αср. / αср.).

Результаты представить в виде

n = nср. ± nср.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)В чем состоит явление поляризации света? Чем поляризованный свет отличается от естественного? Какие виды поляризованного света Вы знаете?

2)Какие оптические явления сопровождаются поляризацией света?

3)Сформулируйте закон Брюстера. Какой угол называется углом Брюстера?

4)Начертите ход лучей в установке.

5)Каков порядок выполнения работы?

6)Что называется плоскостью колебания и плоскостью поляризации?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 42

Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа

Цель работы: изучение законов отражения и преломления света.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

При прохождении света через границу двух прозрачных веществ с разной оптической плотностью падающий луч света АО разделяется на два – отраженный луч ОВ и преломленный луч ОД (рис.1).

Направление этих лучей определяется законами отражения и преломления света:

1)Падающий луч АО, нормаль РО к поверхности в точке падения, отраженный луч ОВ и преломленный луч ОД лежат в одной плоскости.

2)Угол отражения β равен углу падения α.

3)Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления γ, для двух данных сред величина постоянная, т. е.

γ Д

Рис. 1

Величина n21 называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Если первая среда – вакуум, то относительный показатель преломления среды 2 по отношению к вакууму называется абсолютным показателем преломления данной среды или просто показателем преломления. Абсолютный

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления принято называть средой оптически менее плотной. Показатель преломления имеет определенный физический смысл. Он связан со скоростью распространения света в данной среде. Абсолютный показатель преломления

т. е. равен отношению скорости света в вакууме (c = 3 108 м /с) к скорости света v в данной среде. Абсолютный показатель преломления всех веществ всегда больше единицы. Это означает, что скорость распространения света в данной среде всегда меньше, чем в вакууме. Из соотношения (1) и (2) можно получить

т. е. относительный показатель преломления двух сред равен отношению скоростей света в этих средах.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

1)Микроскоп.

2)Набор стеклянных пластинок.

3)Микрометр.

Для определения показателя преломления веществ существует несколько методов. Одним из них является метод определения показателя преломления стекла при помощи

7

микроскопа. При помощи винта тубус микроскопа можно перемещать вдоль своей оси, что дает возможность производить фокусировку и получать резкое изображение штрихов, нанесенных на стеклянные пластинки. Отсчет перемещений тубуса производится по индикатору, который имеет две шкалы. Одна из них – окружность меньшего радиуса с ценой деления 1 мм. Другая шкала – окружность большего радиуса, которая охватывает первую шкалу. Цена деления этой шкалы 0,01 мм. В основе метода лежит явление кажущегося уменьшения толщины стеклянной пластинки вследствие преломления световых лучей, проходящих в стекле при рассматривании пластинки нормально к ее поверхности. Схема прохождения лучей через стеклянную пластинку дана на рис. 2.

Рассмотрим два луча света (1 и 2), выходящих из точки А, находящейся на нижней поверхности стеклянной пластинки. Луч 1 падает нормально к поверхности пластинки и поэтому проходит сквозь нее, не испытывая преломления, и выходит в точке С. Луч 2 преломляется и выходит из пластинки в точке О по направлению к точке D. При выходе

из пластинки луч ОD образует угол преломления γ – больший, чем угол падения α. Если смотреть из точки Д по направлению луча DО, то наблюдатель будет видеть точку пересечения лучей ОD и АС не в точке А, а в точке Е, т. е. толщина пластинки будет казаться равной СЕ. Из рис. 2 видно, что кажущаяся толщина пластинки СЕ = h меньше истинной ее толщины СА = H.

Для лучей, близких к нормально падающим лучам, углы падения и преломления малы. В этом случае синусы можно заменить тангенсами и по закону преломления света написать для абсолютного показателя преломления стекла n2 = n, считая показатель

изображение штриха А, т. е. точку Е и вновь записывают показания индикатора. Разность показаний индикатора есть перемещение тубуса микроскопа, равное СЕ = h. Если мы измерим толщину пластинки Н, то показатель преломления можно определить по формуле (3).

2 СПОСОБ. Пусть А есть штрих, начерченный на поверхности какой-нибудь вспомогательной пластинки Q. Наведем микроскоп на этот штрих и получим его отчетливое изображение при отсутствии испытуемой пластинки Р. Затем на поверхности пластинки Q накладываем испытуемую пластинку Р. Тогда изображение штриха переместится из А в Е, и чтобы его отчетливо видеть, нужно микроскопу сообщить перемещение АЕ = a. Если это перемещение измерить, то показатель преломления можно определить из формулы

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

С помощью микрометра измерить толщину испытуемой пластинки 3 – 4 раза и найти среднее арифметическое из этих измерений.

1 СПОСОБ

1)Чернилами на верхней и нижней поверхности испытуемой пластинки нанести штрихи.

2)Устанавливают микроскоп так, чтобы в поле зрения был отчетливо виден любой штрих.

3)Записывают показания индикатора.

4)Перемещая тубус микроскопа до тех пор, пока не будет отчетливо виден другой штрих, и вновь записывают показания индикатора.

5)Находим перемещение тубуса микроскопа (разность показаний индикатора).

6)По формуле (3) вычислим показатель преломления.

7)Вычислить показатель преломления стекла не менее 4 раз, повторяя пункты 2 – 6.

8)Найти среднее арифметическое значение показателя преломления.

2 СПОСОБ

1)На верхней поверхности вспомогательной пластины чернилами наносим штрих.

2)Устанавливаем микроскоп так, чтобы в поле зрения был отчетливо виден этот штрих.

3)Записываем показания индикатора.

4)Накладываем на эту пластинку испытуемую пластинку и вновь, перемещая тубус микроскопа, добиваемся отчетливого изображения штриха.

5)Записываем вновь показания индикатора.

6)находим перемещение тубуса микроскопа.

7)По формуле (5) определяем показатель преломления.

8)Повторяем измерение 3 – 4 раза, каждый раз определяя показатель преломления.

9)Найти среднее арифметическое значение показателя преломления.

9

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1)Сформулируйте законы преломления и отражения света.

2)Что называется абсолютным показателем преломления?

3)Что называется относительным показателем преломления?

4)Физический смысл показателя преломления.

5)Начертите ход лучей в плоскопараллельной стеклянной пластинке.

6)Что называется кажущимся изображением?

7)В чем сущность данных методов измерения показателя преломления?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 45

Определение радиуса кривизны линзы при помощи колец Ньютона

Цель работы: изучение интерференции в тонких пленках.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Явление наложения световых волн, при которых происходит устойчивое во времени их взаимное усиление в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от соотношения между фазами этих волн, называется интерференцией световых волн.

Интерферировать могут только когерентные волны, если им соответствуют колебания, совершающиеся вдоль одного и того же или близких направлений.

Когерентными называются монохроматические волны, разность фаз которых не зависит от времени. В случае интерференции световых волн важна не геометрическая длина пути l, а оптическая длина пути S, которая представляет собой произведение геометрической длины l на абсолютный показатель преломления n среды: S = n l. Величина δ = S2 – S1 = n2 l2 – n1 l1 – оптическая разность хода интерферирующих волн. Здесь l1 , l2 и S1 , S2 – соответственно геометрические длины и оптические длины пути интерферирующих волн, n2 и n1 – абсолютные показатели преломления сред, в которых распространяются световые волны. Из двух сред оптически более плотной является та из них, у которой n больше.

Интерференционные максимумы и минимумы удовлетворяют следующим условиям:

где n = 0, 1, 2, 3, ... − порядок минимума.

Одним из примеров интерференции света служат кольца Ньютона. Наблюдаются они следующим образом: плосковыпуклая линза с большим радиусом кривизны R

10