0Пределение длины световой в0лны дифракционной решеткой.

1. Цель работы: изучение явления дифракции, экспериментальное нахождение длины световой волны дифрак­ционной решеткой.

2. Приборы и принадлежности: дифракционная решетка (100 штрихов на 1 мм.), лампа электрическая с прямой нитью накала, линейка.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:

Если точечный источник колебаний находится в однородной и изотропной среде, то колебания от него распространяются радиально с постоянной скоростью. Геометрическое место точек, до которых дошли колебания через один и тот же промежуток времени, называется фронтом волны. В данном случае фронт вол­ны будет представлять собой сферическую поверхность, центр ко­торой совпадает с точечным источником колебания. Фронт волны представляет собой волновую поверхность, т.е. такую поверхность, все точки которой колеблются в одной фазе. По принципу Гюйгенса каждую точку волновой поверхности можно считать источником вторичных колебаний.

Дифракцией света называется явление отклонения световых волн от прямолинейного пути вблизи препят­ствий, соизмеримых с длиной волны, в оптически однородной среде. Используя явление дифракции можно просто и с большой точностью произвести из­мерение длин световых волн для различных участков видимой части спектра. В данной работе для этой цели используется дифракционная решетка.

Дифракционной решеткой называется система большого чис­ла близких параллельных щелей. Простейшая дифракционная ре­шетка представляет собой прозрачную пластину, на которой с помощью машины нанесен ряд параллельных штрихов (от 100 до 800 на 1 мм ширины пластинок). Места, прочерченные делитель­ной машиной, рассеивают свет по всем направлениям, практически яв­ляясь непрозрачными, а неповрежденные промежутки между штрихами являются щелями, прозрачными для света.

Пусть, отрезок а изображает ширину прозрачного промежутка, а отрезок b ширину непрозрачного штриха. Расстояние d=a+b называ­ется постоянной решетки. Если на решетку падает плоская волна, т.e. пучок параллельных лучей, то плоскость щели будет являться поверхностью фронта волны. Колебания во всех точках фронта волны происходят в одинаковых фазах. Та­ким образом, точки Д и F на рис. 1 мы можем рас­сматривать как центр новых волн, распространяю­щихся во всех направлениях. Рассмотрим некоторую удаленную от дифракционной решетки точку К на экране, где проис­ходит интерференция волн. Лучи ДК и FК приходят в точку К с раз­ностью фаз, равной отрезку . Если на отрезке  уложится целое число длин волн, то обе волны придут в точку К в одинаковых фазах. При освещении решетки белым светом в центре расположится белая полоска, центральный максимум, и по обе стороны от белой полосы, спектры первого порядка, сле­дующие за ними - второго порядка, и т.д. Из треугольника FДМ видно, что разность хода лучей ДК и FК, равная отрезку , может быть вычислена так:

(1)

т.к. угол φ очень мал, то его синус можно заменить тангенсом и тогда

		(2)
		(3)
		(4)

где l - расстояние от центра белой полосы до того цвета, длину волны которого мы хотим определить, L- расстояние от решетки до экрана, где n - порядковый номер спектра.

ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ:

1. Устанавливают экран на таком расстоянии от дифракционной решетки, чтобы на нем получилось четкое изображение цен­тральной полосы и спектров 1-го и 2-го порядков.

2. Измеряют расстояние от экрана до дифракционной решетки.

3. Измеряют по шкале на экране расстояние между центром линейки и фиолетовой полосой спектров 1- го и 2- го порядка

4. Таким же способом измеряют расстояния между центром линейки и полосами других цветов.

5. Полученные значения подставляет в (4) и вычисляют длину волны света соответствующего цвета. Все результаты наблюдений и вычислений записывают в таблицу.

фиолетовый

зеленый

желтый

красный

λф

λз

λж

λк

прав.

лев.

прав.

лев.

прав.

лев.

прав.

лев.

n=1

n=2

среднее значение

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Что называется дифракцией?

2. Что представляет собой дифракционная решетка?

3. Чем определяется разрешающая способность дифракционной решетки?

4. В каких пределах длин волн находится видимый спектр излучения?

№33 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ДИСПЕРСИЙ ЖИДКОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ

РЕФРАКТОМЕТРА УРЛ.

Приборы и принадлежности: Рефрактометр УРЛ, набор исследуемых жидкостей и растворов, спирт для промывки призм, вата, пипетка.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.

Рефрактометром называется прибор для измерения показателя преломления световых лучей в твердых, жидких и газообразных телах. Рефрактометр позволяет также определить среднюю дисперсию твердых и жидких тел. Принцип действия прибора основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении све­том границы раздела двух сред с различными показателями преломления.

Основной частью рефрактометра являются две призмы АВС и А^/В^/С^/ (рис.1), изготовленные из стекла сорта флинтгласа с большим показателем преломления (n = 1,72). Между этими призмами вводят три капли исследуемой жидкости, которая расплывается в слой толщиной 0,02 мм при опускании верхней призмы на нижнюю.

Пучок света от осветителя, пройдя через грань А^/С^/ осветительной призмы А^/В^/С^/, падает на ее грань А^/В^/, соприкасающейся с жидкостью. Так как эта грань А^/В^/ матовая, то она рассеивает свет в жидкости по всем направлениям и часть лучей падает на грань АВ измерительной призмы АВС под различными углами. Очевидно, что наибольший возможный угол падения лучей 1, 2, 3, падающих на грань АВ, равен β = 90°, следовательно, луча с еще большим углом падения быть не может. Этот скользящий по границе АВ луч (луч З на рис.1) с углом падения 90° (идущий из исследуемой жидкости с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления - призму) преломляется в призме АВС (как это следует из принципа обратимости светового луча) под предельным углом α полного внутреннего отражения. Все остальные лучи, например 2-й и 1-й, падающие на грань АВ под углом, меньшим 90°, преломляются в призме под углом, меньшим предельного α.

В поле зрения трубы, поставленной на пути лучей, прошедших систему двух призм, наблюдаются две области: одна светлая (нижняя половина), а другая темная. Для разных длин волн показатели преломления различны, поэтому граница светотени будет окрашена в разные цвета и не будет отчетливо резкой.

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Открыть верхнюю камеру (2) и промыть дистиллированной водой или спиртом поверхности измерительной и осветительной призм, и насухо вытереть чистой льняной салфеткой.

2. Пипеткой нанести на плоскость измерительной призмы одну- две капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю камеру.

3. Смещая осветитель (1), луч света направить в окно верхней камеры.

4. Перемещением рукоятки (5) с окуляром вдоль шкалы верх и вниз вводят в поле зрения границу светотени.

5. Резкость границы светотени, штрихов шкалы и перекрестия сетки устанавливают вращением гайки окуляра (4).

6. Вращая рукоятку дисперсионного компенсатора (3) устраняют окрашенность границы светотени.

7. Поворачивая рычаг осветителя и вращая осветитель на оси, добиваются максимально контрастной границу светотени.

8. Границу светотени, перемещая рукоятку (5) подводят к центру перекрестия сетки.

9. После совмещения границы светотени с перекрестием сетки производится отсчет n по шкале показателей преломления. Результат занести в таблицу 3.

10. Для определения средней дисперсии <D> исследуемый образец или пробу устанавливают точно так же, как при измерении показателя преломления. После совмещения границы светотени с перекрестием сетки зрительной трубы производят отсчет показателя преломления n и количества делений Z₁ по дисперсионному лимбу (3).

11. Вращая барабан в противоположную сторону до устранения окрашенности, вновь определяют Z₂. Находят среднее значение .

12. Величину средней дисперсии <D> определяют по величинам А, В и  исследуемого вещества с помощью формулы: D=A+B

13. Величины коэффициентов А, В и  определяют по прилагаемым таблицам 1 и 2.

14. Коэффициент дисперсии вычисляется по следующей формуле: .

15. При вычислениях средней дисперсии необходимо помнить, что для Z>30, величина  принимает отрицательные значения.

16. Результаты измерений занести в таблицу 3.

17. Взять следующую жидкость и произвести те же измерения, как и с предыдущей жидкостью, т.е. выполнить пункты 1 -16.

18. После работы прибор протирается.

Таблица 1.

n	A	B	n	A	B
1,3200 1,3210 1,3220 1,3230 1,3240 1,3250 1,3260 1,3270 1,3280 1,3290 1,3300 1,3310 1,3320 1,3330 1,3340 1,3350 1,3360 1,3370 1,3380 1,3390 1,3400 1,3410 1,3420 1,3430 1,3440 1,3450 1,3460 1,3470 1,3480 1,3490	0,02225 0,02225 0,02224 0,02224 0,02223 0,02223 0,02222 0,02222 0,02221 0,00221 0,02221 0,02220 0,02220 0,02219 0,02219 0,02218 0,02218 0,02217 0,02217 0,02217 0,02216 0,02216 0,02215 0,02215 0,02214 0,02214 0,02214 0,02213 0,02213 0,02212	0,04263 0,04261 0,04258 0,04255 0,04253 0,04250 0,04247 0,04244 0,04242 0,04239 0,04236 0,04233 0,04230 0,04227 0,04224 0,04222 0,04219 0,04216 0,04213 0,04210 0,04207 0,04203 0,04200 0,04197 0,04194 0,04191 0,04188 0,04185 0,04181 0,04178	1,3500 1,3510 1,3520 1,3530 1,3540 1,3550 1,3560 1,3570 1,3580 1,3592 1,3600 1,3610 1,3620 1,3630 1,3640 1,3650 1,3660 1,3670 1,3680 1,3690 1,3700 1,3710 1,3720 1,3730 1,3740 1,3750 1,3760 1,3770 1,3780 1,3790	0,02212 0,02211 0,02211 0,02211 0,02210 0,02210 0,02209 0,02209 0,02209 0,02208 0,02208 0,02207 0,02207 0,02207 0,02206 0,02206 0,02205 0,02205 0,02205 0,02204 0,02204 0,02204 0,02203 0,02203 0,02202 0,02202 0,02202 0,02201 0,02201 0,02201	0,04175 0,04172 0,04168 0,04165 0,04162 0,04158 0,04155 0,04152 0,04148 0,04145 0,04141 0,04138 0,04134 0,04131 0,04127 0,04123 0,04120 0,04116 0,04113 0,04109 0,04105 0,04102 0,04098 0,04094 0,04090 0,04086 0,04083 0,04079 0,04075 0,04071

Таблица 2.

Z		Z	Z		Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15	1,000 0,999 0,995 0,988 0,978 0,966 0,951 0,934 0,914 0,891 0,866 0,839 0,809 0,777 0,743 0,707	60 59 58 57 56 55 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45	16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30	0,669 0,629 0,588 0,545 0,500 0,454 0,407 0,358 0,309 0,259 0,208 0,156 0,104 0,052 0,000	44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 32 31 30

Таблица 3.

Исследуемая жидкость	n	<Z>	A	B		
дистиллированная вода раствор сахара раствор соли

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Как возникает полное внутреннее отражение и где это явление используется?

2. Что такое дисперсия?

3. Назвать основные части прибора.

4. К каким видам волн относится понятие дисперсии и почему?

5. В чем заключаются основные положения и выводы электронной теории дисперсии света?

№34 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВИДИМЫХ СВЕТОВЫХ ВОЛН.

1. Цель работы: изучение волновых свойств света с помощью лазера.

2. Приборы и принадлежности: оптический квантовый генератор типа (He- Ne), объектив, линза, дифракционная решетка, стеклянный диск, экран.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ :

Практически инверсное состояние среды осуществлено в принципиально новых источниках излучения - оптических квантовых генераторах, или лазерах (от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - усиление света с помощью вынужденного излучения). Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях (в оптическом диапазоне). Идея качественно нового принципа усиления и генерации электромагнитных волн, примененная в мазерах (генераторы и усилители, работающие в сантиметровом диапазоне радиоволн) и лазерах, принадлежит российским ученым Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и американскому физику Ч. Таунсу, удостоенным Нобелевской премии 1964 г.

Важнейшими из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные (в основу такого деления положен тип активной среды). Более точная классификация учитывает также и методы накачки – оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации - непрерывный или импульсный.

Лазер обязательно имеет три основных компонента: 1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсией населенностей; 2) систему накачки (устройство создания инверсии в активной среде); 3) оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространство избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой пучок).

Первым твердотельным лазером (1960; США), работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,6943 мкм), был рубиновый лазер (Т. Мейман). В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме, предложенной в 1955 г. Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым. Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия А1₂О₃, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов Аl замещены трехвалентными ионами Сr³⁺ (0,03 и 0,05% ионов хрома соответственно для розового и красного рубина). Для оптической накачки используется импульсная газоразрядная лампа.

В последнее время исследуют возможности создания квантовых генераторов рентгеновского диапазона длин волн, а также лазеров мощность излучения которых в непрерывном режиме равна 100 кВт и выше, это позволяет проводить уникаль­ные эксперименты по исследованию свойств вещества и его взаимодействия с излучением. Для демонстрации и лабораторных работ применяется ОКГ типа ЛГ-209, ЛГ-56, ЛГ-55 (мощность 1-2 мВт). При эксплуатации этих приборов не разрешается смотреть незащищенным глазом непосредственно на пучок света лазера. Лазер может быть включен на некоторое время в присутствии дежурного лаборанта. Направленность и пространственная когерентность излучения лазера позволяет применять лазерный световой пучок в ряде измерений, в частности в опытах с дифракционной решеткой, и рассматривать различные подробности интер­ференционных и дифракционных явлений. Дифракцией называется явление огибание волной препятствий, соизмеримых с длиной волны.

а) Дифракционной решеткой называется система состоящая из большого числа близких щелей, (рис.1). d=a+b - постоянная дифракционной решетки,  -разность хода параллельных лучей. Так как угол φ очень мал, то синус угла можно заменить тангенсом: .

		(1)
		(2)
		(3)
		(4)

d - постоянная дифракционной решетки; L - расстояние от решетки до экрана; m – порядковый номер спектра.

б) Ознакомимся с некоторыми интерференционными явлениями, воз­никающими при отражении света от прозрачных пластин. Лучи, падающие на прозрачную пластину толщиной h, отражаются от передней и задней поверхностей диска (пластины).

n – показатель преломления пластинки.

Очевидно, из некоторых точек (А, С) будут выходить когерентные лучи, которые дают интерференционную картину концентрических колец. Интерференцией света называет­ся наложение когерентных световых волн, в результате которого в одних местах пространства возникают максимумы, в других минимумы интенсивности, т.е. Если разность хода лучей равна четному числу полуволн, то происходит сложение волн и интенсивность увеличивается (mах). Если разность хода лучей равна четному числу полуволн, то происходит взаимная компенсация и интенсивность уменьшается (min).

		-max
		-min

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:

Упражнение 1.

1. Включить лазер.

2. На пути лазера помещают подставку с положительной линзой и с дифракционной решеткой.

3. Экран располагается нормально к оси луча лазера на значи­тельном расстоянии.

4. После установки оборудования и дифракционной решетки необ­ходимо проверить перпендикулярность дифракционной решетки оси светового пучка, добиваются совпадения выходящего луча с его отражением от плоскости решетки, т.е. отражен­ный луч приводят точно на середину выходного окна лазера.

5. После этого на экране можно наблюдать множество дифракционных спектров (целый ряд красных полосок) и измерить: х - расстояние между максимумами (расстояние между серединами спектров - полосок).

6. Измерить расстояние от дифракционной решетки до экрана L. 7. Вычислить по формуле (4) длину волн.

8. Результаты опыта занести в таблицу 1.

Таблица 1:

№

L

пр.

лев.

пр.

лев.

пр.

лев.

λ1

λ2

λ3

<λ>

 %

х1

х1

х1

х1

х1

х1

1. 2. 3. 4. 5.

Упражнение 2.

При наблюдении интерференции монохро­матического света, отраженного от плоскопараллельной пластины оптическая разность хода лучей:

(5)

Условия максимумов и минимумов для интерференционной картины, образуемой когерентными волнами, отраженными от обеих поверхностей пластины:

		max
		min
		(6)
		(7)

1. На пути луча лазера перпендикулярно устанавливаются объектив, плоскопараллельный стеклянный диск и экран.

2. Экран устанавливает так, чтобы края щели не загораживали окно лазера.

3. Включить лазер. Отраженные от передней и задней поверхности диска свето­вые пучки дают интерференционную картину концентрических колец на экране - полос равного наклона.

4. Измерить радиусы R_m и R_с - нескольких интерференционных колец и расстояние L.

L- расстояние от экрана до поверхности стеклянного диска; R_m - радиусы темных интерференционных колец; R_с - радиусы светлых интерференционных колец; i- угол падения светового луча; m- искомый порядок интерференции; h- толщина стеклянного диска 0,5 см; n- показатель преломления стекла 1,5; - длина волны лазерного луча.

5. Из формул (6) и (7) вычислить (m).

6. Результаты опыта занести в таблицу 2.

Таблица 2.

№	h	n	Rc	Rm	L	m	<m>
1. 2. 3. 4. 5.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Что такое оптический квантовый генератор?

2. Каков механизм возникновения излучения в ОКГ?

3. Что можно сказать о фазе, поляризации и направлении испускаемых электромагнитных волн в случае спонтанного излучения? В случае вынужденного излучения?

4. Возможна ли работа лазера по двухуровневой схеме активной среды?

5. Можно ли создать лазер на фермионах?

6. Каковы свойства лазерного излучения?

№35 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА ПЛОСКОПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА.

По теории Максвелла свет, излучаемый отдельными атомами, представляет собой, электромагнитную волну, совокупность 2-х поперечных взаимно перпендикулярных волн, электрической и маг­нитной, идущих вдоль прямой называемой световым лучом. Свето­вой луч, у которого колебания Е и Н происходят все время в строго определенной плоскости, называется поляризованным. Плоскость, в которой колеблется вектор электрической индукции Е, называется плоскостью поляризации. У реальных источников, состоящих из многих атомов, световые волны испускаются со всевозможными ориентациями плоскости колебаний. Такой световой луч является неполяризованным и называется естественным лучом. Естественный свет можно поляризовать. Для этого достаточно из всевозможных плоскостей колебаний вектора Е выделить одну, которая бы в течение времени на­блюдения оставалась строго ориентированной в пространстве.

Существует большое количество способов поляризации света, из которых рассмотрим наиболее интересные, нашедшие в себе практическое применение.

1. При отражении и преломлении на границе раздела двух сред, диэлектриков естественный свет поляризуется полностью, если выполняется условие: тангенс угла падения луча (естественного) равен относительному показателю преломления данного диэлектрика (закон Брюстера). В этом случае отраженный и преломленный лучи поляризуются во взаимно перпендикулярных плос­костях, причем угол между отраженными и преломленными лучами оказывается равный 90 градусам. Отраженный луч является плоскополяризованным, преломленный же луч при угле падения i_B поляризуется максимально, но не полностью.

   (1)

2. При прохождении через кристалл исландского шпата, который обладает свойством двойного лучепреломления, естественный свет в кристалле распадается на два луча: обыкновенный и необыкновенный. Причем вектор напряженности обыкновенного луча колеблет­ся перпендикулярно вектору напряженности необыкновенного.

Важное значение имеет использование для поляризации света явления плехроизма (многоцветности). Такое название получило явление зависимости поглощения обыкновен­ного и необыкновенного луча от направления по отношению к оптической оси. Плехроичный кристалл разную окраску поглощает по-разному, если его поворачивать перпендикулярно лучу. Классическим примером плехроичного кристалла является турмалин. Пластина турмалина толщиной в 1 мм, вырезанная парал­лельно оптической оси, практически пропускает один обык­новенный луч, а необыкновенный поглощает полностью. Однако желто-зеленая окраска проходящего света препятствует практи­ческому его применению в качестве поляризатора. Широко при­менение искусственной, плехроичной пленки, известной под назва­нием поляроид. Для их изготовления применяются сильно плехроичные вещества: ориентированные в одной плоскости микроскопические кристаллики герапатита, кислый сульфат, тристидсодержащие. В данной работе используется такой поляроид.

Многочисленные теоретические и практические исследования поляризованного состояния света показали, что если на поляризатор падает свет (неестественный) интенсивностью I₀, то из него выйдет плоско-поляризованный свет с интенсивностью I_п:

(2)

Вращая поляризатор вокруг луча, мы не заметим изменения интенсивности поляризованного света, так как у естественного света всегда найдется такая плоскость колебания вектора Е, которая совпадает с осью поляризатора и тем самым пройдет без изменения, если на пути поляризованного света поставить поляризатор, называемый анализатором так, чтобы их оси совпа­дали. Свет проходит без изменений своей интенсивности, стоит повернуть анализатор на 90 град, по отношению к поляри­затору, то поляризованный свет полностью погасится в анали­заторе. Эта зависимость интенсивности света проходящего че­рез анализатор от угла поворота дается законом Малюса:

(3)

Данная формула справедлива, если не учитывать поглощение света веществом поляризатора и анализатора. Однако любая среда, через которую проходит свет, способна поглощать заметную долю от интенсивности первоначального естествен­ного света, так в данной работе в качестве поляризатора и анализатора используется одно и тоже вещество, то его коэффициент будет одинаков, как и у поляризатора, так и у анализатора. Обозначим его через k с учетом этого будем иметь закон Малюса в такой форме:

(4)

Значение коэффициента поглощения взято в два раза больше, так как свет, поглощаясь, проходит как через поляризатор так и анализатор.

Если α=0, то cosα=1, тогда k для поглощения света будет равен:

(5)

В этой формуле вычисляют долю поглощенного света. Для определения интенсивности естественного света, поляризо­ванного света, прошедшего через анализатор, в данной работе используется полупроводниковый фотоэлемент с известной чувст­вительностью . Ток фотоэлемента находится в прямой зависимости от интен­сивности падающего света и выражается формулой: , где I- интенсивность света, γ - чувствительность фотоэлемента, S- рабочая поверхность фотоэлемента 10 см², r- расстояние между источником и фото­элементом. Из этой формулы можно получить формулу для расчета интен­сивности света как естественного, так и поляризованного и прошедшего через анализатор.

(6)

Определив интенсивность I₀, I_n, I_a, по формуле 5, вычисляют коэффициент поглощения света веществом поляроида.

1 – источник естественного света.

2 – поляризатор.

3 – анализатор.

4 – столик с фотоэлементом.

ИЗМЕРЕНИЕ И ОБРАБОТКА. РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Собирают установку по рисунку 1, предварительно вынув поляризатор и анализатор. Измеряют расстояние r. Снимают показания микроамперметра, по формуле (6) вы­числяют интенсивность естественного света I₀.

2. Не изменяя расстояния, вставляют поляризатор и снова сни­мают показания микроамперметра, по формуле (6) вычисляют интенсивность поляризованного света I_п.

3. Вставляют анализатор и устанавливают "0" по шкале с указанием на ободке анализатора, снимают показания микроамперметра, по формуле (6), вычисляют I_а. Зная I_a и I₀, определяют коэффициент поглощения света в поляризаторе и анализаторе по формуле (5).

4. Результаты измерений занести в таблицу №1.

5. Не меняя взаимных положений поляризатора, анализатора и фотоэлемента поворачивают анализатор на 10° и записывают показания микроамперметра. Опыт повторяют 10 раз, увеличивая угол последовательно на 10 град. Результаты измерений и вычислений по формуле (6), заносят в таблицу №2.

6. Аналогичные измерения проводят при повороте анализатора в противоположную сторону. Результаты измерений и вычисле­ний заносят в таблицу №2.

7. Для углов 0, 10, 20 ... 90 град, по теоретической формуле (4) вычисляют интенсивность света, прошедшего через ана­лизатор.

8. Исходя из опытных и теоретических значений, делают соот­ветствующие выводы.

Таблица 1.

r	i0	I0	in	In	ia	Ia	k

Таблица 2.

α	Фототок		<i>	Интенсивность Iа		Сравнение I
	Влево iл	Вправо iп		По формуле (6)	По формуле (4)
10 20 30 40 50 60 70 80 90

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Какой свет называется поляризованным?

2. Как получают поляризованный свет?

3. О чем говорят законы Малюса и Брюстера?

№36 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА

Приборы и принадлежности: измерительный микроскоп с микрометрическим винтом, микрометр, измеряемые стеклянные пластинки со штрихами на обеих поверхностях, осветитель.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ:

Показатель преломления зависит от длины волны света и от свойств среды. Абсолютные показатели преломления больше единицы. Это означает, что скорость распространения света в данной среде всегда меньше, чем в вакууме.

Относительный показатель преломления двух сред n₂₁ связан с абсолютными показателями преломления сред n₁ и n₂ следующим соотношением:

.

(1)

Для определения показателей преломления веществ существуют различные методы. Одним из них является метод определения показателя преломления стекла при помощи микроскопа.

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. 1.

В точку А, находящуюся на нижней поверхности стеклянной пластинки, падают два луча света 1 и 2. Луч 2 падает на пластинку нормально к ее поверхности и поэтому проходит сквозь пластинку и выходит в воздух в точке С, не испытывая преломления. Луч 1 преломляется и выходит из пластинки в точку О по направлению к точке D.

При выходе из пластинки луч ОD образует угол преломления r - больший, чем угол падения i. Если смотреть из точки D по направлению DО, то наблюдатель будет видеть точку пересечения лучей OD и АС не в точке А, а в точке Е, т. е. толщина пластинки будет казаться равной СЕ.

Из рис. 1 видно, что кажущаяся толщина пластинки СЕ = h меньше истинной, т. е. действительной ее толщины СА = Н.

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 (рассматривая обратный ход лучей, т. е. от D к А):

.

(2)

При рассмотрении рисунка и после соответствующих преобразований имеем:

или

(3)

Следовательно, показатель (коэффициент) преломления стекла можно найти из отношения истинной толщины стеклянной пластинки к кажущейся ее толщине. Истинная толщина пластинки измеряется микрометром, а кажущаяся — микроскопом с микрометрическим винтом.

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1. Измеряют микрометром истинную толщину стеклянной пластинки Н в том месте, где нанесены штрихи, и берут ее значение в миллиметрах.

2. Определяют кажущуюся толщину стеклянной пластинки h, для чего пластинку кладут на столик микроскопа под объектив так, чтобы оба штриха пересекали оптическую ось прибора. Затем: а) двигая тубус, добиваются четкого изображения видимого в микроскоп штриха, нанесенного на верхнюю поверхность пластинки. Записывают отсчет микрометрического винта микроскопа и считают его за нулевое деление (от этого нулевого деления производят дальнейшие отсчеты); б) опускают тубус микроскопа до получения четкого изображения штриха на нижней поверхности пластинки. Новый отсчет микрометрического винта дает нам сразу кажущуюся толщину пластинки h.

Очевидно мм, где N - число полных оборотов барабана винта, Z= 0,00250 - шаг винта, 50 - число делений в одном полном обороте барабана, 0,002 - цена одного деления барабана винта, m - число делений в неполном обороте барабана.

Как видно, за один полный оборот барабана микрометрического винта тубус микроскопа перемещается на Z=0,1 мм.

3. Вычисляют показатель (коэффициент) преломления стекла по формуле .

4. Измерение истинной и кажущейся толщины пластинки производят не менее трех раз; определяют среднее и истинное значение показателя преломления стекла. Данные измерения заносят в таблицу 1.

Таблица 1.

№	Н, мм	Отсчет микрометрического винта		h=(NZ+0,002m), мм	Показатель преломления n	<n>	∆n	nист=<n><∆n>	<nист>
		N	m
1. 2. 3.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Каково устройство оптического микроскопа и ход лучей в нем?

2. Как определить разрешающую способность микроскопа?

3. От чего зависит линейное увеличение микроскопа?

4. Что называют численной апертурой микроскопа?

5. Что такое электронный микроскоп, и каково его увеличение?

6. Какие другие оптические приборы вы знаете? Объясните устройство и принцип действия этих приборов.

№37 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

ПРОВЕРКА ЗАКОНОВ ФОТОМЕТРИИ.

Приборы и принадлежности: прибор для изучения законов фотометрии (рис.1), оправа с матовым стеклом (12), диафрагмы сменные с площадью отверс­тия 3 см², 6 см², 9 см² (13, 14), гальванометр (11), стойка с лампой (10) и линзой (9).

ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ:

1. Определение фотометрических величин: световой поток Ф, освещенность Е, сила света I, яркость В, светимость R.

2. Единицы измерения освещенности, светового потока, силы света, яркости, светимости.

3. Законы и формулы фотометрии: ; ; ; .

УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПРИБОРА

Прибор (рис. 1) состоит из разъемного корпуса прямоугольной фор­мы (4), установленный на двух стойках (1, 2). Внутри камеры смонтирован селеновый фотоэлемент, зажимы которого с помощью гибких проводников соединены с зажимами (5), расположенными на торцо­вой части камеры (3). Селеновый фотоэлемент установлен в оправе, а максимальный угол поворота фотоэлемента устанавливается по угловой шкале (7), расположенной на лицевой стороне камеры. Корпус прибора имеет несколько защитных ребер, которые служат для предохранения фотоэлемента от отраженных лучей, а черная матовая окраска внутренней части корпуса обеспечивает надежную защиту фотоэлемента от световых бликов. Селеновый фотоэлемент с запирающим слоем п редставляет собой систему состоящую из металлической подложки, к одной стороне которой нанесен слой толщиной около 0,1мм. Этот слой покрыт полупрозрачным электродом. Верхний слой обладает достаточной прозрачностью в той области спектра, длина волны, которой вызывает фотоэффект. Фотоэлемент имеет спектральную характеристику чувствительности, весьма близкую к кривой видимости среднего человеческого глаза. Это обстоятельство очень важно, так как позволяет использовать фотоэлемент для фотометрирования дневного света.

ПОДГОТОВКА ПРИБОРА К РАБОТЕ.

Перед проведением опытов с прибором к его зажимам под­соединяют гальванометр. При подключения к прибору гальвано­метра необходимо соблюдать полярность соединения. Высота стойки, на которой закреплена лампа, такова, что нить нака­ла лампы находится на геометрической оси камеры и следо­вательно, фотоэлемента. Лампа имеет возможность перемещать­ся вдоль оси корпуса в пределах длины шкалы с сантиметровыми делениями (нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного слоя фотоэлемента). Источником питания электролампы служит выпря­митель типа BС-4-I2 или аккумулятор аналогичный по параметрам. Приближая или удаляя источник света, необходимо убедиться в том, что при различных расстояниях стрелка гальванометра будет отклоняться тем больше, чем ближе источник света нахо­дится к фотоэлементу.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

УПРАЖНЕНИЕ 1.

ЗАВИСИМОСТЬ ОСВЕЩЕННОСТИ ОТ РАССТОЯНИЯ ДО ИСТОЧНИКА СВЕТА.

1. Подключить источник света к выпрямителю ВС-4-12 через реостат, как указано на схеме рис. 2.

2. Селеновый фотоэлемент установить перпендикулярно к оси прибора, при этом ручка (6 на рис.1) должна находиться на нулевой от­метке угловой шкалы прибора.

3. Установить источник света на расстоянии 10 см, от фото­элемента по шкале прибора (8).

4. С помощью реостата подать на лампу такое напряжение, при котором стрелка гальванометра, подключенного к фото­элементу, должна находиться на максимальном отсчете шкалы.

5. Снять отсчет по шкале гальванометра.

6. Не меняя напряжение на лампе, установить ее на расстоянии 20 см, затем 30 см от фотоэлемента, соответственно снять показание отсчета стрелки гальванометра и записать в таблицу №1.

7. Полученные результаты подставить в отношение: ; ; .

8. Построить график этой зависимости: i=f(r).

Таблица 1.

№	Расстояние от источника до фотоэлемента r	Показания гальванометра i
1. 2. 3.

УПРАЖНЕНИЕ 2.

ЗАВИСИМОСТЬ ОСВЕЩЕННОСТИ ОТ УГЛА ПАДЕНИЯ ЛУЧЕЙ.

При проведении опыта к приборам дополняется линза.

1. Опыт лучше проводить в параллельном пучке света, для этого источник, света устанавливают на фокусном расстоянии от линзы (7-8 см.).

2. Включить лампу и установить с помощью реостата такое напряжение, при котором стрелка гальванометра, подключен­ного к фотоэлементу, должна находиться на максимальном отсчете шкалы. Снять показания и записать в таблицу №2.

3. Не меняя напряжение на лампе, и не перемещая источник света и линзы, повернуть фотоэлемент на 30 град., затем на 60, 90 град., снять отсчеты по шкале гальванометра и записать в таблицу №2.

Отсчеты по шкале гальванометра, соответствующие различ­ным углам и наклонам фотоэлемента, должны совпадать с теоретически вычисленными значениями.

Согласно уравнениям: ; ; ; .

Таблица 2.

№	Угол наклона фотоэлемента α	Отсчет по шкале гальванометра i0	Отсчет гальванометра вычисленный по формуле
1 2 3 4	0 30 60 90

УПРАЖНЕНИЕ 3.

ЗАВИСИМОСТЬ ФОТОТОКА ОТ ПЛОЩАДИ ОСВЕЩЕННОСТИ ФОТОЭЛЕМЕНТА.

1. Фотоэлемент поставить перпендикулярно к оси прибора, т.е. ручка должна стоять на нуле шкалы.

2. Перед фотоэлементом установить оправу с матовым стеклом.

3. С помощью реостата дать напряжение на лампу, при котором стрелка гальванометра станет на максимальное деление. Снять отсчет по гальванометру и записать в таблицу 3.

4. Не меняя напряжение на лампе, и не перемещая источник света, установить диафрагму с площадью 9 см², 6 см², затем 3 см², снять отсчеты и записать их в таблицу 3.

5. Установить зависимость силы тока от площади освещенности: i=f(S)

6. Построить график зависимости: i=f(S)

Таблица 3.

№	напряжение	Площадь в см2	Величина фототока i
1 2 3		9 6 3

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Что такое световой поток, освещенность, сила света, яркость, светимость, телесный угол. В каких единицах они измеряются?

2. Сколько законов освещенности существует, и как они записываются?

№38 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ И ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КАЛОРИМЕТРА.

Цель работы: Знать принцип работы ФЭК-56М и практически научиться определять концентрацию и оптичес­кую плотность жидкостных растворов.

Приборы и принадлежности: ФЭК-56 М, растворы известной и неизвестной концентрации, спирт, вата, дистиллированная вода.

ТЕОРИЯ МЕТОДА:

Оптические методы контроля концентраций растворов находят всё более широкое распространение на производстве и в технике, что стало возможным, благодаря усовершенствованию фотометри­ческой аппаратуры, и в особенности, фотоэлектрических прием­ников света.

Основой метода является зависимость между оптическими свойствами и концентрацией растворов, благодаря чему, опреде­ление концентрации может быть осуществлено путем измерения оптических характеристик контролируемой жидкости.

При прохождении световой волны через вещество часть энер­гии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вто­ричных волн, порождаемых электронами, частично она переходит в энергию движения атомов, т.е. во внутреннюю энергию вещест­ва. Поэтому интенсивность света при прохождении через вещества уменьшается, свет поглощается в веществе. Опыт показывает, что интенсивность света при прохождении через вещества убывает по закону Бугера:

(1)

где I₀ - интенсивности света на входе в слой, l - толщина слоя, x - постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества (коэффициент поглощения), е-основание натурального логарифма.

Так как поглощение света обусловлено взаимодействием с молекулами, то закон поглощения можно связать с некоторыми характеристиками молекул. Закон Бугера – Ламберта - Бера с учетом молярной концентрации раствора c и молекулярного поглощения х имеет вид:

(2)

Отношение потока излучения, прошедшего сквозь данное ве­щество или раствор, к потоку излучения, упавшего на него, называют коэффициентом пропускания. Выразим его как отно­шение интенсивностей:

(3)

Десятичный логарифм величины, обратный коэффициенту про­пускания, именуют оптической плотностью, раствора:

(4)

На основе закона Бугера -Ламберта -Бера разработан ряд фотометрических методов по определению концентрации вещества в окрашенном растворе (концентрационная калориметрия).

В этих методах непосредственно измеряют световые потоки, прошедшие через раствор, коэффициент пропускания или оптичес­кую плотность.

Аналогичный метод определения концентрации вещества в коллоидном растворе называется нефелометрией, а приборы нефелометрами. Метод основан на сравнении интенсивности света, рассеянного частицами в стандартном и исследуемом растворах, которая при относительно невысоких концентрациях пропорциональна концентрации взвешенных частиц и высоте столба раствора. В нефелометре растворы освещаются боковым

светом, причем сравнивается яркость света, прошедшего через стаканы со стандартом и исследуемыми растворами.

ОПТИЧЕСКАЯ СХЕМА И УСТРОЙСТВО ПРИБОРА.

Оптическая схема прибора представлена на рисунке 1. В этой схеме световой пучок от источника света 1, пройдя через свето­фильтр 2, попадает на призму 3, которая делит пучок на два: левый и правый. Отразившись от зеркал 4, пройдя через линзы, выходят параллельными. Так как источник света помещен в фокусе линз 5, то световые пучки, отразившись от зеркал 4, пройдя через линзы, выходят параллельными. Далее параллельные пучки идут через кюветы 6 и падают на линзы 8, в фокусе которых помещены матовые стекла 11, а за ними фотоэлементы 9. В правый световой пучок могут включаться последовательно одна или другая кюветы (с раствором и растворителем).

Если не удается установить нужную чувствительность прибора или наблюдаются значительные колебания стрелки микроамперметра, то световой в пучок устанавливаются поглотители 12 из комплекта прибора. Раздвижная диафрагма «кошкин глаз» 10, расположенная в правом пучке света при вращении связан­ного с ней барабана, меняет свою площадь, и тем самым меняет интенсивность светового потока, падающего на правый фотоэлемент. Раздвижная диафрагма 7 расположена в левом пучке и служит для ослабления интенсивности светового потока, падающего на левый фотоэлемент. Правый световой пучок яв­ляется измерительным, левый - компенсационным.

Внешний вид прибора изображен на рисунках 2 и 3.

В корпус прибора вмонтированы:

- узел светофильтров;

- узел кюветодержатель;

- измерительные диафрагмы с отчетными барабанами;

- узел зеркал и фотоэлементов;

- микроамперметр, усилитель и стабилизатор.

ХОД ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

Прежде всего, устанавливают "Электрический нуль" прибора. Для этого с помощью рукоятки 3 (рис. 2) световые пучки перекрывают шторкой. Рукояткой 6 (рис. 3) устанавливают стрел­ку микроамперметра на "0", после чего шторку открывают. Измерение производится при чувствительности электрической схемы 1-3 деления на 1 процент раскрытия измерительной диафрагмы. Чувствительность прибора определяется числом делений по шкале микроамперметра, на которые отклонится стрелка при раскрытии измерительной диафрагмы 1%.

В левом световом пучке на все время устанавливается кювета с растворителем. Если растворитель не окрашен, реко­мендуется в левый пучок ставить кювету с дистиллированной водой для того, чтобы исключить возможность разогревания лево­го фотоэлемента, теплом светового пучка.

В правый пучок света помещается кювета с исследуемым раствором. Правый барабан устанавливается на отсчет 100 по шкале коэффициента пропускания. Вращением левого измерительного барабана добиваются установки стрелки микроамперметра на "0".

Если левым измерительным барабаном установить "0" не удает­ся, то в правый световой пучок прибора устанавливают погло­титель, который обеспечит установку "0" левым барабаном. Затем поворотом рукоятки (4) в правом пучке кювета с раствором заменяется кюветой с растворителем, при этом происходит смещение стрелки микроамперметра, установленной на "0". Вращением правого измерительного барабана добиваются первоначального нулевого положения стрелки, подсчитывают по шкале первого барабана величину коэффициента пропуска­ния или оптической плотности раствора.

При определении концентрации вещества в растворе следует соблюдать следующую последовательность в работе:

- выбор светофильтра;

- выбор кюветы;

- построение градуировочной кривой для данного вещества;

- измерение оптической плотности исследуемого раствора и определение концентрации вещества в растворе.

Построение градуировочной кривой производится следующим образом. приготовляют ряд растворов данного вещества с известными концентрациями, охватывающими область возможных изменений концентраций этого вещества в исследуемом растворе.

Измеряют оптические плотности всех растворов и строят градуировочную кривую, откладывая по горизонтальной оси известные концентрации, а по вертикальной - соответствующие им значения оптической плотности.

По градуировочной кривой в дальнейшем определяют неизвестную концентрацию вещества в исследуемых растворах. Для этого раствор наливают в ту же кювету, для которой построена градуировочная кривая, и, включив тот же светофильтр, определяют оптическую плотность раствора. Затем по градуировочной кривой находят концентрацию, соответствующую измеренному значению оптической плотности.

1	2	3	4	5	6	7
10 %
15 %
20 %
х %

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Фотоколориметр, его устройство?

2. Определение оптической плотности и коэффициента пропускания?

3. Расскажите о поглощении света в веществе, каким законом это описывается?

4. В чем состоит фотоколориметрический метод определения концентрации и оптической плотности?