Лабораторный практикум по физике оптика

определенными углами (рис. 5). Затем кристалл распиливают по диагонали и склеивают канадским бальзамом. Канадский бальзам является оптически изотропной средой, его коэффициент преломления не зависит от направления и равен 1,550. Обыкновенный луч, дойдя до слоя канадского бальзама, испытывает полное внутреннее отражение, так как коэффициент

преломления исландского шпата для обыкновенного луча больше коэффициента преломления канадского бальзама. Угол падения на слой бальзама, благодаря правильно выбранному углу распила, оказывается больше предельного угла полного внутреннего отражения. Таким образом, обыкновенный луч отводится в сторону и поглощается оправой призмы Николя.

Необыкновенный луч свободно проходит через слой канадского бальзама, так как коэффициент преломления исландского шпата для него меньше коэффициента преломления канадского бальзама.

Благодаря тому, что призма Николя имеет форму скошенного параллелепипеда, она вызывает параллельное смещение падающих не ней лучей, что приводит к кругообразному перемещению выходящего из призмы луча при вращении призмы вокруг ее оси. От этого недостатка свободны преломляющие призмы, имеющие вид прямоугольных параллелепипедов, например призма Глазенбрука (рис.6).

Рис. 6.

Для получения двух лучей, линейно-поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, используют призму Волластона (рис.7). У призм Волластона, предназначенных для работы в видимой части спектра, составные призмы склеиваются

110

канадским бальзамом, а для работы в ультрафиолетовой части спектра – глицерином или касторовым маслом.

Поляризационные призмы используются в различных поляризационных приборах, фотометрах, спектрофотометрах, поляризационных микроскопах, эллипсометрах и т. п. Поляроидные пленки нашли широчайшее применение в изготовлении жидкокристаллических мониторов и телевизоров.

Рис. 7.

Вещества, обладающие свойством поворачивать плоскость поляризации света, проходящего через эти вещества, называются оптически активными. Примером оптически активных веществ является кристаллы кварца, скипидар, водный раствор сахара или глюкозы.

При прохождении линейно-поляризованного света через слой оптически активного вещества наблюдается поворот плоскости

поляризации света на некоторый угол α. Для растворов Ж.Б. Био установил, что угол поворота плоскости поляризации пропорционален толщине слоя и концентрации раствора оптически активного вещества

где c – концентрация раствора; – толщина слоя жидкости; α 0 - удельное вращение раствора данного вещества, численно равное

111

углу поворота плоскости поляризации слоем вещества толщиной 1 дм при концентрации c = 1г/см3 .

Экспериментальная часть

Задание №1.

Проверка закона Малюса.

Для проверки закона Малюса, необходимо установить линейную зависимость интенсивности света, прошедшего через анализатор, от квадрата косинуса угла между плоскостями анализатора и поляризатора. Для этого используется установка, схема которой изображена на рис. 8 (внешний вид представлен на рис. 9).

Рис. 8

112

Рис. 9

Обозначения на рис. 8 и 9: 1 – источник света с зеркальным отражателем и блоком питания; 2 – поляризатор; 3 - анализатор; 4

– фотоэлемент; 5 – микроамперметр.

Поляризатор и анализатор составляют единый блок. Анализатор может поворачиваться на угол 360°. Угол поворота можно измерять по имеющейся круговой шкале.

Порядок выполнения задания.

1.При включенном источнике света устанавливают шкалу на нуль и, вращая анализатор, добиваются максимального отброса стрелки прибора. В этом случае плоскости поляризации поляризатора и анализатора параллельны, то есть угол между ними 0°.

2.Вращая указатель шкалы поворота анализатора, снимают отсчеты по прибору через каждые 15° поворота анализатора. Отсчеты по прибору пропорциональны интенсивности света, прошедшего через анализатор и падающего на фотоэлемент. Полученные результаты заносятся в таблицу 1.

Таблица 1

113

3.По данным опыта строят график. Для этого горизонтальную ось разбивают от нуля до единицы через каждые 0,1 или 0,05. По ней откладывают значения cos2ϕ. Чтобы оцифровать вертикальную ось, замечают, какой наибольший выброс наблюдается на приборе и, исходя из этого, разбивают ее на подходящие интервалы. По этой оси откладывают значения тока.

4.После оцифровки осей наносят на график из таблицы все значения интенсивностей. Вследствие погрешностей измерений каждому квадрату косинуса будет соответствовать несколько значений тока, следовательно, будет насколько точек.

5.После нанесения всех точек проводят по линейке прямую линию, наиболее близкую ко всем точкам. Расположение точек вблизи прямой является подтверждением правильности произведенных измерений.

Задание №2.

Определение процентного содержания глюкозы в растворе при помощи сахариметра СУ-4 (рис. 10).

Рис. 10

Основными конструктивными узлами сахариметра являются: узел измерительной головки 2 и осветительный узел 9, соединенные между собой траверсой 6. Траверса крепится через стойку 17 к основанию 18. На траверсе укреплены: кюветное

114

отделение 5 для поляриметрических кювет и оправа 7 с поляризатором и полутеневой пластиной.

С лицевой стороны измерительной головки расположены лупа 1 для отсчета показаний по шкале и зрительная труба 20. С тыльной стороны измерительной головки находится винт механизма установки нониуса 3, служащий для смещения нулевого деления нониуса с нулевым делением шкалы с помощью съемного ключа 4.

Внижней части измерительной головки расположена рукоятка клинового компенсатора 19, вращением которой перемещают подвижный кварцевый клин и связанную с ним шкалу.

Восветительный узел входят: патрон с лампой, установка которого производится тремя винтами 10, и поворотная обойма 8 со светофильтром и диафрагмой.

На основании установлены кнопка 15 для включения осветителя и ручка резистора 16 для регулировки яркости поля зрения. Внутри основания вмонтирован понижающий трансформатор, а на его тыльной стороне находится винт заземления 11, вилка разъема 12 для подключения осветителя сахариметра к трансформатору и предохранитель 13.

Оптическая схема сахариметра СУ-4 приведена на рис. 11. Световой поток, идущий от источника света 1 через

светофильтр 2 или диафрагму 3 и конденсор 4,5, приходит через поляризатор 6. Затем световой поток проходит через полутеневую

Рис. 11

пластинку 7, разделяющую его на две половины линией раздела. При этом пластина рассчитана и установлена так, что плоскости поляризации обеих половин светового потока составляют одинаковые углы с плоскостью анализатора 12. Поэтому

115

анализатор пропускает равные по светосиле обе половины светового потока, и в поле зрения трубы, состоящей из объектива 13 и окуляра 14, установленной после анализатора, наблюдается две одинаковые по яркости половины поля, разделенные тонкой линией и называемые полями сравнения.

При установлении кюветы с раствором между поляризатором и анализатором нарушается равенство яркостей полей сравнения, так как исследуемый раствор поворачивает плоскость поляризации на угол, пропорциональный концентрации раствора. Для уравнивания яркостей полей сравнения в сахариметре СУ-4 применен клиновый компенсатор, состоящий из подвижного кварцевого клина левого вращения 10 и неподвижного контрклина правого вращения 11. Перемещением подвижного клина относительно контрклина устанавливают такую суммарную толщину клиньев, при которой компенсируется угол поворота плоскости поляризации раствором. При этом происходит уравнивание яркостей полей сравнения. Одновременно с подвижным клином перемещается шкала полей сравнения. По нулевому делению нониуса 18 фиксируется значение шкалы, соответствующее состоянию одинаковой яркости полей сравнения. Шкала и нониус наблюдаются через лупу 19 и освещаются через отражательную призму 15 и светофильтр 16. Для защиты от механических повреждений при установке кюветы с раствором полутеневой пластины и подвижного кварцевого клина используются защитные стекла 8 и 9.

Порядок выполнения задания

1.Произвести внешний осмотр сахариметра и проверить его укомплектованность. Заземлить прибор.

2.Установить ручку резистора 16 вращением против часовой стрелки до упора и включить шнур электропитания сахариметра в сеть. Включить кнопкой 15 осветитель.

3.Установить обойму 8 в положении «С» (светофильтр) и окуляр зрительной трубы на минимальную резкость изображения линии раздела полей сравнения.

4.Установить ручкой резистора такую яркость поля зрения, которая наименее утомляет зрение и при которой наиболее четко воспринимается разница в яркости полей сравнения,

116

если сместить нониус на одно деление с его нулевого положения.

5.Установить нулевое деление нониуса против деления шкалы, перемещая нониус юстировочным ключом при равной яркости полей сравнения. Проверить правильность совмещения нулевых делений шкалы и нониуса не менее шести раз. Среднее арифметическое из шести отсчетов по нониусу составляет нулевой отсчет. Если нулевой отсчет отличается от нуля не более чем на одно деление нониуса, нуль считается установленным правильно.

6.Установить кювету в кюветное отделение так, чтобы линия раздела делила поле зрение на две равные части.

7.Измерение проводится в следующей последовательности:

∙вращением рукоятки клинового компенсатора уравнять яркость полей сравнения;

∙произвести отсчет показаний по шкале и нониусу с точностью до 0,05°;

∙повторить уравнивание яркостей полей сравнения и отсчет

по шкале нониусу не менее шести раз.

8.Определить угол поворота плоскости поляризации раствором с известной концентрацией (данные получить у

лаборанта). По формуле (5) определить α 0 . Строго соблюдая последовательность измерений, выполнить аналогичные измерения с сахарным раствором неизвестной концентрации.

9.Пользуясь формулой (5), определить процентное содержание сахара в кювете с неизвестной концентрацией раствора.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается явление поляризации света?

2.Какой свет называется линейно поляризованным, эллиптически поляризованным, поляризованным по кругу?

3.Какие способы получения поляризованного света Вы знаете?

4.Чем объяснить, что турмалин как оптически анизотропное вещество не обладает свойством двойного лучепреломления?

117

5.В чем заключается необыкновенность необыкновенного луча?

6.Почему обыкновенный луч на границе шпат – бальзам испытывает полное внутреннее отражение?

7.Если не учитывать потерь на поглощение в поляризаторе и анализаторе, то во сколько раз уменьшится интенсивность света, вышедшего из анализатора, по сравнению с интенсивностью света, падающего на поляризатор?

8.Какие вещества называются оптически активными?

9.Какие меры предосторожности необходимо соблюдать при работе с электроприборами?

118

Лабораторная работа № 21

ИЗМЕРЕНИЕ ФУНКЦИИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ ПО СКОРОСТЯМ В ВАКУУМЕ.

Цель работы

Ознакомиться с элементами статистической физики на примере распределения Максвелла для термоэлектронов. Определить температуру катода вакуумного триода по функции распределения термоэлектронов по энергиям.

Основы теории

Рассмотрим поведение частиц идеального газа в отсутствие внешних силовых полей. Частиц газа много, поэтому их средняя концентрация по объему одинакова. У рассматриваемых частиц идеального газа встречаются частицы с самыми разнообразными значениями энергий, поэтому с точки зрения теории вероятности надо определить вероятности тех или иных значений энергии. Энергии молекул рассматриваются как непрерывные случайные величины. Их распределение характеризуется функцией

плотности вероятности f (E). Эта функция должна соответствовать следующим предположениям:

1.Пространство изотропно, т.е. все направления в пространстве равновероятны.

2.Движение по трем взаимно перпендикулярным осям независимо.

Идеальный газ моделируется электронным газом, который образуется при термоэлектронной эмиссии электронов с поверхности металла.

распределение описывается квантовой статистикой Ферми – Дирака.

распределение описывается классической статистикой Максвелла

– Больцмана.

119