физика Литвинова н. н. электромагнетизм конспект ответы ВОЛНОВАЯ ОПТИКА / Волновая оптика. Лаб

vk.com/club152685050

E2

Рис. 4

не перпендикулярен биссектрисе угла, то проекции вектора E2 на оси P′ и P″ не равны (E′2 ≠ E2″) (рис. 4,б), и равенство освещенностей нарушается. Поляризатор и анализатор установлены так, что главная плоскость поляризатора перпендикулярна биссектрисе угла.

Если в поляриметр ввести кювету с оптически активным веществом, то плоскость поляризации излучения, вышедшего из поляризатора, развернется в веществе на некоторый угол и равномерность освещенности двух полей зрения нарушится. Чтобы снова получить равномерное поле зрения, применяется компенсатор, с помощью которого плоскость поляризации разворачивается назад на тот же угол. Перемещение клиньев компенсатора связано со специальным отсчетным устройством 11, позволяющим измерять углы поворота плоскости поляризации. Шкала снабжена нониусом. Точность, обеспечиваемая нониусом, и цена деления шкалы в угловых единицах указаны на рабочем столе.

Порядок выполнения работы

1. Включают в сеть осветитель поляриметра.

2. Перемещая окуляры зрительной трубы и отсчетного устройства, фокусируют их так, чтобы четко были видны тонкая линия границы раздела половин поля зрения в окуляре зрительной трубы и отсчетная шкала в окуляре отсчетного устройства.

51

vk.com/club152685050

3. Сначала измерения проводят с матовым стеклом. Добиваются равенства освещенностей двух половин поля зрения, вращая рукоятку, связанную с компенсирующим устройством.

4. Помещают в сахариметр трубку, наполненную водой, с помощью компенсатора уравнивают освещенности половин поля зрения и производят отсчет n0 по шкале. Измерения повторяют пять раз, результаты измерения заносят в табл. 1.

5. Помещают в поляриметр трубку с раствором известной концентрации C и измеряют угол поворота плоскости поляризации n1 (отсчеты угла поворота производят в делениях шкалы с точностью, обеспечиваемой нониусом). Измерения повторяют пять раз.

6. Те же измерения производят для трубок с растворами неизвестной концентрации. Каждый отсчет производят не менее пяти раз, результаты всех измерений заносят в таблицу.

7. Аналогичные измерения проводят со светофильтрами.

Обработка результатов измерений и оформление отчета

 1. Вычисляют средние значения измеренных величин n0, n1, nxi.

 2. Рассчитывают углы поворота плоскости поляризации, со-

где l1, l2 – длины соответствующих трубок с растворами.

 4. Оценивают систематическую ошибку θCхi и случайную SCxi.

 5. Аналогичные расчеты проводят, используя результаты измерений с различными светофильтрами. Сравнивают полученные результаты.

52

vk.com/club152685050

Контрольные вопросы

 1. В чем состоит явление оптической активности, как оно объясняется?

 2. От чего зависит удельное вращение плоскости поляризации?

 3. Каковы основные элементы поляриметра и их назначение?

 4. Каково устройство компенсатора, принцип его действия и назначение?

 5. Почему окрашено поле зрения поляриметра, хотя исполь­ зуется источник белого света?

53

vk.com/club152685050

Лабораторная работа № 8

МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Цель работы: определить постоянную вращения плоскости поляризации света и удельный заряд электрона.

Методические указания

При прохождении линейно поляризованного света через оптически активные вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Наряду с естественной оптической активностью ­существует искусственная оптическая активность. Вещества, неактивные в обычном состоянии, приобретают способность вращать плоскость поляризации, если их подвергнуть деформации, действию электрического или магнитного полей. В лабораторной работе исследуется явление искусственной оптической активности, возникающей под действием магнитного поля – эффект Фарадея. Вращение плоскости поляризации наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности.

Угол поворота ϕ пропорционален величине магнитной индукции B внешнего магнитного поля и толщине l слоя вещества, через который проходит свет

где R – постоянная магнитного вращения – постоянная Верде. Величина R различна для разных веществ, зависит от длины

волны света и слабо меняется с температурой. Направление вращения плоскости поляризации зависит от направления магнитного поля и не зависит от направления распространения света.

Явление магнитного вращения плоскости поляризации связано с расщеплением линии поглощения в продольном магнитном поле. Одиночная линия поглощения, наблюдаемая в отсутствии магнитного поля, расщепляется на две линии, сдвинутые симметрично в область больших и меньших частот. Величина сдвига Dω пропорциональна магнитной индукции внешнего поля и определяется формулой

где e – заряд электрона; m – масса электрона; c – скорость света.

54

vk.com/club152685050

Наблюдения в продольном магнитном поле показывают, что собственные частоты, соответствующие правому и левому вращению, смещаются в разные стороны. Показатель преломления ­зависит от близости частоты исследуемой волны к собственным ­частотам вещества (дисперсия). Поэтому под действием магнитного поля показатель преломления для волн данной частоты, поляризованных по правому и левому кругу, изменяется по-разному, а это, в свою очередь, приводит к повороту плоскости поляризации.

Электронная теория дает следующее выражение для постоянной Верде:

где λ – длина волны излучения; A – постоянная, зависящая от природы вещества. Для воды A = 2,32∙10–3 угл. мин. м3∙с–1.

Измерение угла поворота плоскости поляризации света в слое вещества толщиной l, помещенного в магнитное поле B, позволяет определить постоянную Верде R и, используя соотношение (3), найти удельный заряд электрона.

Описание лабораторной установки

Угол поворота плоскости поляризации измеряется с помощью поляриметра (сахариметра), описание которого и схема приведены в ЛР № 7. Прежде, чем перейти к выполнению работы, ознакомьтесь с прибором.

В поляриметр помещается трубка, заполненная водой; на трубку намотаны витки соленоида. Соленоид включается в цепь постоянного тока. Магнитное поле внутри катушки направлено вдоль оси соленоида и зависит от величины силы тока. Ток в цепи соленоида регулируется реостатом и измеряется амперметром. С помощью переключателя можно менять направление тока через соленоид; кнопка-прерыватель позволяет замыкать цепь соленоида лишь на время измерения.

Порядок выполнения работы

1. Включают в цепь осветитель поляриметра. Настраивают прибор: перемещением окуляров зрительной трубы и отсчетного устройства добиваются резкого изображения границы раздела

55

vk.com/club152685050

Таблица 1

двух половин поля зрения в окуляре зрительной трубы и отсчетной шкалы в окуляре отсчетного устройства. На пути луча устанавливают один из светофильтров.

2. Замыкают цепь соленоида и устанавливают нужное значение силы тока. Токи, при которых следует производить измерения, указаны на рабочем столе. Добиваясь одинаковой яркости обеих половин поля зрения, измеряют угол поворота плоскости поля­ ризации j′. Отсчет угла производят по шкале с нониусом. Результаты измерений заносят в табл. 1.

3. С помощью переключателя изменяют направление тока в соленоиде и вновь измеряют угол поворота плоскости поляризации j″. Результаты измерений заносят в табл. 1. Для каждого значения силы тока угол поворота плоскости поляризации измеряют не ­менее трех раз.

4. Измерения по пп. 2 и 3 производят для трех значений силы тока.

5. Аналогичные измерения проводят с другими светофильтрами. Значения длин волн, соответствующих максимуму пропускания светофильтров, указаны на рабочем столе.

Обработка экспериментальных результатов

1. По результатам измерений вычисляют углы поворота плоскости поляризации ji, соответствующие различным значениям силы

тока в цепи соленоида, ϕi = 12(ϕi¢ +ϕi¢¢).

2. Вычисляют значения индукции магнитного поля соленоида B = m0µIn; m0 = 4π∙10–7 Гн/м; I – сила тока; n – число витков на еди-

ницу длины соленоида.

3. Пользуясь соотношением (1), вычисляют постоянную Верде. Все расчеты производят в системе СИ.

56

vk.com/club152685050

4. Пользуясь соотношением (3), вычисляют удельный заряд электрона (e/m). Оценивают ошибку измерений qe/m.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление искусственной оптической активности, какова его природа?

2. От чего зависит величина постоянной Верде?

3. Как определить напряженность магнитного поля с помощью эффекта Фарадея?

4. Каковы основные элементы поляриметра и их назначение? 5. Каково устройство компенсатора, принцип его действия

и назначение?

57

vk.com/club152685050

Лабораторная работа № 9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИН ВОЛН СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ С ПОМОЩЬЮ СПЕКТРОМЕТРА

Цель работы: ознакомиться с принципом работы спектрального прибора и определить длины волн спектральных линий.

Методические указания

Спектральные приборы служат для пространственного разделения лучей различных длин волн. Принципиальная схема спектрального прибора представлена на рис. 1. Прибор состоит из трех частей: коллиматора К, служащего для получения параллельного пучка лучей, диспергирующей системы П (призмы или дифракционной решетки), разлагающей свет на монохроматические пучки, и зрительной трубы ЗТ. Ход лучей в данной схеме следующий: свет от источника S проходит через конденсор Л и освещает щель Щ коллиматора, расположенную в фокальной плоскости объектива O1. Из коллиматора выходит параллельный пучок лучей, который падает на призму П. Параллельные пучки лучей разных длин волн соберутся в фокальной плоскости Ф объектива зрительной трубы O2. Спектр, который представляет собой ряд цветных изображений щели, можно рассматривать через окуляр зрительной трубы Oк. Такой спектральный прибор называют спектрометром. Если окулярную часть прибора заменить фотокамерой, то получится прибор, называемый спектрографом. Если вместо окуляра в фокальной плоскости объектива O2 установить вторую щель, то прибор позволит выделить отдельные участки спектра. Такой прибор называют

58

vk.com/club152685050

монохроматором. Если на выходе монохроматора поставить фото­ элемент, то получим спектрофотометр. Прибор УМ-2, используемый в данной работе – универсальный.

Для измерения длины волны λ какой-либо линии спектра нужно определить угол, на который соответствующий луч отклоняется призмой. Поворачивая зрительную трубу и добиваясь совмещения указателя с интересующей нас линией спектра, можно определить направление лучей данной длины волны. В нашем спектрометре поворачивается не зрительная труба, а призма.

Одной из основных характеристик любого спектрального прибора является его дисперсия. Дисперсией называется угловое или линейное расстояние между спектральными линиями, различающимися по длине волны на единицу. Если дисперсия выражается в угловых единицах, то это будет угловая дисперсия

Если дисперсия выражается линейным расстоянием между двумя линиями, то это будет линейная дисперсия Dl

Зная угловую дисперсию и фокусное расстояние объектива зрительной трубы F, можно определить линейную дисперсию

Это различие обусловлено тем, что дисперсия спектрального прибора зависит от собственной дисперсии диспергирующего элемента. В нашем приборе в качестве диспергирующего элемента используется призма, поэтому дисперсия прибора связана с дисперсией показателя преломления материала призмы. В спектральных приборах призма обычно устанавливается вблизи положения наименьшего отклонения. Зная преломляющий угол призмы α и показатель преломления n, можно из закона преломления найти связь между n, α и ϕ, где ϕ – угол наименьшего отклонения

59

vk.com/club152685050

Величины n и ϕ обнаруживают дисперсию, т.е. зависят от длины волны света

Воспользовавшись соотношениями (4) и (5), угловую дисперсию можно выразить в виде

т.е. дисперсия спектрального прибора пропорциональна дисперсии материала призмы.

Описание установки

Общий вид экспериментальной установки приведен на рис. 2. Монохроматор УМ-2 укреплен на рельсе, где также размещены источник света 1 и конденсор 2. Входная щель 3 регулируется по ширине микрометрическим винтом, оптимальная ширина щели 0,02 мм.

В фокальной плоскости объектива 5 зрительной трубы имеется индекс в виде треугольника. Индекс наблюдается через окуляр и служит меткой, на которую наводится спектральная линия. В верхней части тубуса окуляра имеется лампочка для освещения индекса. Непосредственно под лампочкой расположен диск с на-

5

Рис. 2

60