ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

Изучение аппаратуры для различных видов проецирования

Одним из важных средств повышения наглядности в процессе преподавания физики является проецирование объектов, приборов, установок и др., наблюдение опытов в проекции на экране. В практике обучения физике применяется световое, теневое, стробоскопичное и микропроецирование. Для проецирования различных объектов применяется проекционная аппаратура, лазеры, стробоскопы, микроскопы, осветители различной конструкции.

Целью данной работы является изучение различных видов проецирования и приобретение навыков работы с аппаратурой для проецирования.

В процессе подготовки и выполнения работы необходимо овладеть следующими знаниями и умениями:

1. Изучить устройство и технические параметры проекционного универсального аппарата с оптической скамьей ФОС-115, учебного лазера, осветителя для теневой проекции, стробоскопа, микроскопа и овладеть навыками работы с ними.

2. Овладеть навыками светового, теневого, стробоскопичного и микропроецирования.

3. Знать, какие опыты следует выполнять с использованием проецирования.

Световое проецирование.

Световое проецирование основано на прохождении света через прозрачные объекты и отражение света от непрозрачных объектов. Широкое применение в учебном процессе получило световое проецирование в виде диаскопической и эпископической проекции. Область их применения общеизвестна: демонстрация диапозитивов, диафильмов, слайдов, кодограмм (прозрачные объекты); рисунков, графиков, таблиц, иллюстраций из книг (непрозрачные объекты); прозрачных моделей (модели насосов, модель броуновского движения, модель постоянного магнита и др.). В процессе преподавания физики применяется также телеэпипроекция, основанная на использовании замкнутой телевизионной системы. Кроме того, световое проецирование используется для демонстрации явлений и процессов, которые недоступны непосредственному восприятию (например, явление электролиза).

Тем не менее, возможности светового проецирования ограничены. Это связано с тем, что световые поля проекционных аппаратов имеют небольшие размеры и это не позволяет проецировать объекты, размеры которых больше светового поля. Кроме того, многие явления и процессы (например, волновые явления на поверхности воды; конвекционные потоки воздуха и др.) не могут наблюдаться с помощью светового проецирования.

Для светового проецирования применяется универсальный проекционный аппарат с оптической скамьей ФОС-115.

Этот оптический прибор предназначен для получения увеличенного изображения прозрачных объектов (диаскопическая проекция) и широко используется при изучении геометрической и физической оптики. Применяя прибор, можно продемонстрировать явления интерференции, дифракции, поляризации света и др., а также проецировать диапозитивы. Проекционный аппарат можно использовать в качестве источника света при микропроецировании.

Проекционный аппарат состоит из следующих узлов и деталей (рис. 6-1).

Р ис. 6-1.

Скамья 1, выполненная из двух направляющих труб и выдвижных стержней, позволяющих изменять длину установок; корпус осветителя 2 с гнездами для смены источников света, на котором также установлен выключатель 3; источник света 4 (проекционная лампа на 300 Вт, 220 В или 300 Вт, 127 В); разборный, двухлинзовый конденсор 5; объектив типа "Перископ" 6 с зеркалом; механизм раздвижной щели 7; диск 8 с поворотным фланцем и направляющими с прижимом; диафрагма дисковая с четырьмя отверстиями 9 на ширме; столик в стержне 10 для установки различных объектов; рейторы 11; приспособление для горизонтальной проекции 12 с одной плосковыпук-лой линзой и зеркалом; столик 13, устанавливаемый на тонких стержнях выдвижной скамьи 1, который применяется для крепления микроскопа; теплофильтр 14, предназначенный для поглощения инфракрасных лучей при микропроекции.

Лампа устанавливается в корпусе осветителя с помощью специального патрона. Лампа с патроном перемещается относительно оптической оси вправо и влево, а также вверх и вниз с помощью регулировочного винта 15, укрепленного на корпусе осветителя и стержня с головкой 16, расположенного под лампой. Регулирующим винтом патрон с лампой закрепляется в требуемом положении. Лампа должна находиться на оптической оси в фокусе задней линзы конденсора.

О чень эффективным источником света является лазер. Кроме того, является объектом изучения в школьном курсе физики и поэтому существует необходимость демонстрации его внутреннего устройства в рабочем состоянии. На рисунке 6-2 представлен внешний вид газового гелий-неонового лазера ЛГН–109, который выпускается для средних школ.

Рис. 6-2

Все органы управления лазером расположены на его задней стенке: 1-тумблео включения сети; 2-сигнальная лампочка; 3-предохранитель; 4- клемма для заземления; 5-отверстия для юстировки зеркала.

На передней стенке лазера имеется отверстие, из которого выходит лазерное излучение (а также три отверстия для юстировки зеркала). Это излучение может быть представлено в виде одного, двух или трех лучей, расстояние между которыми можно регулировать (для этого имеется специальная приставка делитель луча). Работа лазера основана на индуктированном (вынужденном) излучении света атомами, т.е. на излучение возбужденными атомами подающим на них светом (электромагнитной волной). Иными словами, атомы при этом переходят из высшего энергетического состояния на низшее, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия (электромагнитной волны). Такой переход атома с верхнего энергетического уровня на нижний сопровождается излучением дополнительного фотона, который тождествен тому фотону, который вызвал этот переход, т.е. поглощенный фотоны частоту, фазу, направление распространения и поляризацию (направление электрического поля в электромагнитной волне). Именно поэтому вынужденное излучение приобретает свойство монохроматичности, когерентности, направленности и поляризованности (лазерное излучение).

Реализация этих идей осуществляет трехуровневой схемы генерации лазерного излучения (для этого необходимые вещества с соответствующими энергетическими уровнями), которая условно представлена на рисунке 6-3.

1-3 – атом поглощает фотон (система переходит из основного состояния 1 в возбужденное состояние 3 за счет пог-лощения света; этот процесс называет-ся накачкой).

3-2 – система самопроизвольно перехо-дит из состояния 3 в состояние 2 без излучения света, энергия при этом пе- Рис. 6-3   редается рабочему веществу.

2-1 – происходит вынужденное излучение под действием, т.е. внешней электромагнитной волны (генерация, лазерное излучение).

Основными компонентами лазера являются активный элемент, оптический резонатор и источник света. Активным элементом лазера ЛГН–109 гелий-неоновой смесью, т.е. рабочим веществом является газ. С помощью источника тока в рабочем веществе создается и поддерживается электрический разряд, т.е. атомы газа возбуждаются и газ светится (рис. 6-3, состояния 1-3). После самопроизвольного перехода 3-2, возбужденные атомы переходят из состояния 2 в состояние 1 под воздействием светового потока, который создается светящимся газом. При этом световой поток попадает в оптический резонатор (два параллельных зеркала), и отражаясь от них, поглощается газом, что и приводит к возникновению индуцированного, т.е. вынужденного излучения.

Так как падающая (поглощенная) и индуцированная электромагнитные волны тождественны, то световые волны, проходящие через газ не ослабляются, а усиливаются за счет индуцированного излучения. Таким образом, в лазере электрическая энергия источника тока преобразуется в световую энергию – лазерный луч, представляющий когерентную, поляризованную электромагнитную волну.

Лазер ЛГН – 109 использует для демонстрации свойств лазерного луча, для опытов по геометрической и волновой оптике и для изучения его внутреннего устройства (с этой целью кожух лазера является съемным.).

В зависимости от того, какие атомы необходимо продемонстрировать, лазер устанавливают на горизонтальную поверхность; или используют с прибором по геометрической оптике; или устанавливают на направляющие трубы проекционного аппарата ФОС-115 с помощью специальных подставок и стоек.

Лазер включается в розетку с напряжением 220В, а затем переключатель "Сеть" переводится в положение "Вкл." и через 3-5с осуществляется его автоматическое включение. Для выключения лазера переключатель "Сеть" переводится в положение "Откл.", а затем отключается сетевой шнур от розетки.

При работе с лазером нельзя направлять лазерный луч на человека; в сторону учащихся класса или в сторону отражающих поверхностей.

При проведении опытов по геометрической и волновой оптике необходимо пользоваться защитными экранами, которые препятствуют выходу лазерных лучей за пределы зоны демонстрации (лазер снабжен защитными экранами).