3968
.pdf
21
На основании результатов эксперимента необходимо сделать и записать в отчет вывод по проделанной работе, в котором в соответствии с целью работы указывается:
1)какое явление наблюдалось при проведении эксперимента;
2)какая физическая величина и каким методом была измерена;
3)приводится доверительный интервал для искомой физической величины или делается вывод о выполнимости в условиях данной работы исследуемого фундаментального закона;
4)полученный экспериментальный результат сопоставляется с теоретической оценкой или с табличным значением;
5)указывается, ошибки измерения каких величин внесли основной вклад в погрешность измерения искомой физической величины.
Рекомендуем внимательно ознакомиться с образцом оформления лабораторной работы.
Образец оформления лабораторной работы
Лабораторная работа № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО СМЕЩЕНИЯ ЛУЧА ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПЛАСТИНЫ
Цель работы: ознакомиться с явлением интерференции света, определить методом полос равного наклона показатель преломления стекла и поперечное смещение изображения при прохождении света через плоскопараллельную пластину.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ
Интерференция света представляет собой сложение в пространстве двух или нескольких волн, в результате которого происходит усиление или ослабление колебаний. Необходимым условием интерференции света является согласованность колебаний – когерентность волн. Этому условию удовлетворяют монохроматические волны одинаковой частоты и одинаковой или близкой поляризации (т.е. их векторы E колеблются в одном или близких направлениях). Длиной когерентности называется наибольшее расстояние вдоль распространения волны, на котором колебания еще можно считать когерентными между собой.
Наблюдаемое на экране, фотопластинке и т.д. чередование темных и светлых участков, которое получается в результате интерференции, называ-
ется интерференционной картиной.
22
При интерференции не нарушается закон сохранения энергии. В среде без поглощения энергия складывающихся волн лишь перераспределяется в пространстве: в точках минимума энергия уменьшается, а в точках максимума увеличивается, но интегральная энергия по всему объему волны не изменяется.
Чтобы интерференционная картина была устойчива во времени, необходимо, чтобы разность фаз двух складывающихся волн не изменялась с течением времени. На практике наблюдение интерференции света обычных источников возможно, если с помощью какой-либо оптической системы разделить одну волну на две или несколько волн и сдвинуть их относительно друг друга.
После разделения волны проходят различные пути до точки наблюде-
ния, при этом их оптическая разность хода
L L2 L1 ,
где L1 и L2 – оптические пути, проходимые первой и второй волнами. Для
однородной среды оптический путь |
|
L nS , |
(1) |
где S – геометрический путь; n – показатель преломления среды, равный отношению скорости света c в вакууме к скорости света v в данном веществе
n c v . |
(2) |
Так как всегда c v , то n 1. Величина n |
зависит от длины волны |
света и свойств вещества. |
|
Из выражений (1) и (2) следует, что оптический путь – это расстояние, которое прошел бы свет в вакууме за то же время.
Если оптическая разность хода равна целому числу длин волн
L m |
(m 0,1, 2, ...), |
(3) |
то разность фаз складываемых волн равна 2m , и колебания, возбуждаемые обеими волнами в точке наблюдения, находятся в одинаковой фазе. Следовательно, выражение (3) является условием интерференционного максимума.
Если оптическая разность хода равна нечетному числу длин полуволн
L (2m 1) |
|
(m 0,1, 2, ...), |
(4) |
|
2 |
|
|
то разность фаз складываемых волн будет равна 2m 1 и колеба-
ния, возбуждаемые обеими волнами в той же точке, находятся в противофазах. Следовательно, формула (4) является условием интерференционного минимума.
23
Плоскопараллельная пластина – это оптическая система, которая обычно выполнена из однородной и изотропной среды (например, высококачественное оптическое стекло), ограничена двумя параллельными плоскостями, расстояние d между которыми называется толщиной пластины. Плоскопараллельные пластины дают мнимое изображение действительного предмета с линейным увеличением 1.
Рис. 1.
Если плоскопараллельная пластина находится в воздухе, то расчет хода лучей через пластину (см. рис. 1а) даст
|
s1 d d n s1 d(n 1) n . |
s2 |
Продольное смещение изображения (кажущееся смещение предмета) определяется, как
|
|
n . |
(5) |
OO |
s2 s1 d(n 1) |
||
Поперечное смещение изображения равно (см. рис. 1б) |
|
||
|
|
n , |
(6) |
OO sin d(n 1) |
|||
где n – показатель преломления среды.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе изучается явление интерференции при отражении от плоскопараллельной пластины. С помощью полос равного наклона определяется показатель преломления стекла, а по нему продольное и поперечное смещение изображения простейшей оптической системы.
24
Рис. 2.
Принципиальная оптическая схема установки показана на рис. 2. Параллельный пучок света от лазера 1 проходит через линзу 2, задний фокус О которой расположен в плоскости экрана 3. Выйдя из отверстия в экране, расходящийся пучок света падает на стеклянную пластину 4. При этом часть света отражается от передней, а часть – от задней поверхностей пластины. Таким образом, осуществляется разделение исходного лазерного пучка на две когерентные волны. Встречаясь на экране, эти волны интерферируют между собой, и в результате образуется система полос равного наклона – концентрических светлых и темных колец с общим центром в точке О.
Большая длина когерентности лазерного излучения позволяет получить интерференцию при большой разности хода лучей, т.е. с использованием достаточно толстой пластины. Разность хода двух интерферирующих волн
L 2d |
|
|
, |
|
|
n 2 sin2 |
(7) |
||||
2 |
|
||||
где d – толщина пластинки; – угол падения лучей на пластину. |
|||||
Используя условие (4) минимума интерференции, из выражения (7) по- |
|||||
лучим условие наблюдения темных колец: |
|
||||
|
|
|
|
||
2d n2 sin 2 m , |
(8) |
||||
где целые числа m называются порядком интерференции. |
Для соседних |
||||
темных колец m отличается на единицу. |
|
||||
Из рис. 2 следует, что радиус m -го темного кольца на экране |
|||||
|
|
rm 2l tg , |
(9) |
||
где l – расстояние от экрана до пластины.
25
В условиях данного опыта rm l , |
d l |
и угол мал, поэтому мож- |
|||||
но считать, что sin tg и тогда соотношение (9) перепишем в виде |
|
||||||
|
sin |
2 |
|
|
|
|
|
2dn 1 |
|
|
m . |
(10) |
|||
|
|
2 |
|||||
|
2n |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
На основании выражений (9) и (10) получим
r 2 |
8n 2l 2 |
|
4n l 2 |
m . |
(11) |
|
|||||
m |
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
Из формулы (12) видим, что величина r |
2 линейно зависит от порядка |
||||
|
|
|
m |
|
|
интерференции m . Поэтому, если построить график зависимости r 2 |
от m , |
||||
|
|
|
|
m |
|
то угловой коэффициент k полученной прямой дает возможность определить множитель при m в уравнении (11)
k |
4n l 2 |
|
. |
(12) |
||
|
d |
|||||
|
|
|
|
|
||
Если известны величины l , d |
и длина волны , то из формулы (12) |
|||||
можно определить показатель преломления n материала пластины |
|
|||||
n |
kd |
. |
(13) |
|||
|
||||||
|
|
4 l 2 |
|
|
|
|
Для нахождения углового коэффициента k полученной прямой определите значения rm2 1 и rm2 2 для двух точек, лежащих на проведенной прямой, которые соответствуют кольцам с номерами m1 и m2 . Рассчитайте угловой коэффициент по формуле
|
r 2 |
r 2 |
|
|
k |
m 2 |
m1 |
. |
(15) |
|
|
|||
|
m2 |
m1 |
|
|
Продольное и поперечное смещение изображения рассчитывается из формульных выражений (5) и (6), в которых угол ε с учетом его малости оп-
ределяется как sin tg 2al .
Расчетные формулы
1. Показатель преломления стекла:
|
|
|
n |
kd |
, |
|
|
|
4 l 2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
r 2 |
r 2 |
|
|
|||
где k |
m 2 |
m1 |
– угловой коэффициент линейной зависимости r 2 |
от m , |
||
|
|
|||||
|
m2 |
m1 |
m |
|
||
|
|
|
||||
26
d – толщина пластины; λ=0,672 мкм – длина волны полупроводникового лазера (λ=0,632 мкм – длина волны гелий-неонового лазера); l – расстояние от пластины до экрана.
2.Поперечное смещение изображения:
d(n 1)
n ,
где sin tg |
|
a |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
2l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3. Формулы для расчета погрешностей n |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 l |
|
|
|
d |
|
|
|
r 2 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
; |
l |
|
|
; |
d |
|
|
; |
k |
|
|
|
m |
|
|
; |
|||
|
|
|
|
|
l |
d |
k m2 |
m1 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n= n. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
2 |
|
2 |
, |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
d |
k |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
Условия проведения эксперимента |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
l=590 мм; a=45 мм; d=19 мм; ε=0.038136; λ=6.32·10-4мм. |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Таблица результатов измерения |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
m |
|
D1, мм |
|
|
D2, мм |
|
|
|
|
r, мм |
|
|
|
r2, мм2 |
||||||||||
|
1 |
|
|
14 |
|
|
|
|
16 |
|
|
|
|
7.5 |
|
|
|
|
56.25 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
3 |
|
|
34 |
|
|
|
|
26 |
|
|
|
|
15 |
|
|
|
|
225 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
5 |
|
|
42 |
|
|
|
|
34 |
|
|
|
|
19 |
|
|
|
|
361 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
7 |
|
|
48 |
|
|
|
|
40 |
|
|
|
|
22 |
|
|
|
|
484 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
9 |
|
|
54 |
|
|
|
|
46 |
|
|
|
|
25 |
|
|
|
|
625 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Обработка результатов измерений |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
График зависимости r |
2 от m |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
27
k=71.094 мм2 n=1.534
Δk=6.667 мм2, ε=εk=0.094, Δn=0.144 OO‘=6.61 мм
ν=0.25 мм
Вывод:
1)Ознакомились с явлением интерференции света при отражении от плоскопараллельной пластины.
2)Определили показатель преломления стекла методом полос равного наклона: n=1.534+0.144 ; результаты эксперимента хорошо согласуются с табличным значением показателя преломления для стекла nтаб=1,52 .
3)Определили поперечное смещение изображения при прохождении света через плоскопараллельную пластину: ν=0,25 мм ; при визуальном наблюдении поперечное смещение не превышает 0,3 мм.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ РЕФЕРАТОВ
Поскольку лекции читаются не в полном объеме дисциплины, то студентам на самостоятельное изучение выносится ряд разделов. Преподаватель сообщает студентам содержание данных разделов и организует контроль знаний по заявленным темам. По результатам изучения приведенных тем студент составляет конспект или оформляет реферат. Темы заданий, вынесенных на самостоятельную работу, приводятся в таблице.
№ п/п |
Тема |
Номер источника |
|
|
|
1. |
Колориметрическая система XYZ”. |
1-2 осн. л., 3-4 доп. л., интернет-ист. |
|
|
|
2. |
Светодиоды. |
1-2 осн. л., 3-4 доп. л., интернет-ист. |
|
|
|
3. |
Человеческий глаз как оптическая сис- |
1-2 осн. л., 3-4 доп. л., интернет-ист. |
тема. |
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
Применение голографии. |
1-2 осн. л., 3-4 доп. л., интернет-ист. |
|
Применение лазерной техники при |
1-2 осн. л., 3-4 доп. л., интернет-ист. |
5.эксплуатации автомобиля и в сфере безопасности дорожного движения».
6. |
Светосигнальные приборы. |
1-2 осн. л., 3-4 доп. л., интернет-ист. |
|
|
|
7. |
Фотографическая оптика. |
1-2 осн. л., 3-4 доп. л., интернет-ист. |
|
|
|
8. |
Оптические инструменты, вооружаю- |
1-2 осн. л., 3-4 доп. л., интернет-ист. |
щие глаз. |
|
|
|
|
Подготовка рефератов направлена на развитие и закрепление у студентов навыков самостоятельного глубокого, творческого и всестороннего ана-
28
лиза научной, методической и другой литературы по актуальным проблемам дисциплины; на выработку навыков и умений грамотно и убедительно излагать материал, четко формулировать теоретические обобщения, выводы и практические рекомендации.
Рефераты должны отвечать высоким квалификационным требованиям в отношении научности содержания и оформления.
Темы рефератов, как правило, посвящены рассмотрению одной проблемы. Объем реферата может быть от 5 до 10 страниц машинописного текста (список литературы и приложения в объем не входят).
Текстовая часть работы состоит из введения, основной части и заключения.
Во введении студент кратко обосновывает актуальность избранной темы реферата, раскрывает конкретные цели и задачи, которые он собирается решить в ходе своего небольшого исследования.
Восновной части подробно раскрывается содержание вопроса (вопросов) темы.
Взаключении кратко должны быть сформулированы полученные результаты исследования и даны выводы. Кроме того, заключение может включать предложения автора, в том числе и по дальнейшему изучению заинтересовавшей его проблемы.
Всписок литературы студент включает только те документы, которые он использовал при написании реферата.
Вприложении (приложениях) к реферату могут выноситься таблицы, графики, схемы и другие вспомогательные материалы, на которые имеются ссылки в тексте реферата.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДГОТОВКЕ
КЭКЗАМЕНУ
Впериод подготовки к экзамену студенты вновь обращаются к пройденному учебному материалу. При этом они не только закрепляют полученные знания, но и получают новые.
Литература для подготовки к экзамену рекомендуется преподавателем либо указана в учебно-методическом комплексе. Для полноты учебной информации и ее сравнения лучше использовать не менее двух учебников. Студент вправе сам придерживаться любой из представленных в учебниках точек зрения по спорной проблеме (в том числе отличной от преподавательской), но при условии достаточной научной аргументации.
Основным источником подготовки к экзамену является конспект лекций, где учебный материал дается в систематизированном виде, основные
29
положения его детализируются, подкрепляются современными фактами и информацией, которые в силу новизны не вошли в опубликованные печатные источники. В ходе подготовки к экзамену студентам необходимо обращать внимание не только на уровень запоминания, но и на степень понимания излагаемых проблем.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Изучение дисциплины следует начинать с проработки данных методических указаний по самостоятельной работе, особое внимание уделяя целям и задачам, структуре и содержанию курса.
Студентам рекомендуется получить в библиотеке ВГЛТУ учебную литературу по дисциплине, необходимую для эффективной работы на всех видах аудиторных занятий, а также для самостоятельной работы по изучению дисциплины.
Успешное освоение курса предполагает активное, творческое участие студента путем планомерной, повседневной работы.
Библиографический список
Основная литература
1.Трофимова, Т.И.. Оптика и атомная физика: Теория. Задачи и решения: Учеб. пособие для втузов / Т.И. Трофимова. – 2-е изд., испр. – М.: Высш.
шк., 2003. – 288 с.
2.Шредер Г. Техническая оптика [Текст] / Г. Шредер, Х. Трайбер; пер. с нем. Р. Е. Ильинского. - М. : Техносфера, 2006. - 424 с.
Дополнительная литература
3.Прикладная оптика [Текст] : рек. УМО по образованию в обл. приборостроения и оптотехники в качестве учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений / Л. Г. Бебчук, Ю. В. Богачев, Н. П. Заказнов, Б. М. Комраков, Л. И. Михайловская, Б. А. Шапочкин; под ред. Н. П. Заказнова. - Изд. 2- е, стер. - СПб.; М.; Краснодар : Лань, 2007. - 320 с.
4.Физика. Волновая оптика [Электронный ресурс] : лаб. практикум / И. П. Бирюкова, А. М. Бомбин, В. Н. Бородин, В. А. Григорьев, Н. А. Саврасова, В. В. Саушкин, Д. А. Сибирко; ВГЛТА. - Воронеж, 2014. – 36 с.- ЭБС ВГЛТУ.
Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети
30
«Интернет»
Для освоения дисциплины необходимы следующие ресурсы информа- ци-онно-телекоммуникационной сети «Интернет»:
1.Основы оптики и светотехники (основная литература) http://znanium.com/
2.Свободная энциклопедия https://ru.wikipedia.org/
3.Словари, определения http://dic.academic.ru/
4.Интересные факты http://www.twirpx.com/file/210424/
5.Электронный ресурс библиотеки ФГБОУ ВО «ВГЛТУ»: http://www.vglta.vrn.ru/BiblSite/index.htm