Лабораторный практикум часть 1(Физика)

-51-

для поиска объекта наблюдения и предварительной наводки зрительной трубы на него).

На рис. 40 приведена фотография телескопа. Отмечены органы управления. Которыми Вы будете непостредственно пользоваться при выполнении лабораторной работы.

Рисунок 40. Органы управления телескопа Veber 70070. A - винт фиксации азимута. Если этот винт ослаблен, то труба свободно поворачивается в горизонтальном

направлении, если затянут - труба зафиксирована; B - винт регулировки угла возвышения. Вращая этот винт, Вы можете менять угол возвышения трубы; C - ручка наводки на резкость

Порядок выполнения работы

В зависимости от ряда обстоятельств (время года, время суток, погода) вы будете наблюдать либо что-нибудь (по выбору преподавателя) на противоположном берегу Волги (он-то от нас никуда не денется), либо Луну или Солнце (очень интересно, но возможно только тогда, когда соответствующий объект виден за окном во время занятий – а это случается очень редко). В любом случае то, на что вы смотрите, мы будем называть объектом наблюдений.

При проведении наблюдений не следует прикасаться руками к стеклянным поверхностям (линзы) ни объектива, ни окуляра. Не следует также прижиматься глазом к окуляру – он рассчитан на то, что в него смотрят не «вплотную», а с некоторого (небольшого, конечно) расстояния. Если вы будете прижиматься к окуляру или прикасаться к телескопу во время наблюдения, он начнет качаться и объект наблюдения будет «скакать» по полю зрения (особенно при больших увеличениях).

Не следует (во избежание утомления глаз) слишком напрягать зрение – надо добиваться хорошей резкости при смотрении ненапряженным глазом за счет правильной фокусировки.

Если за окном виднеется Солнце, при проведении наблюдений следует проявлять крайнюю осторожность – не пользоваться видоискателем (на него у нас нет светофильтра) и пользоваться телескопом только со специальным солнечным фильтром. Наводку телескопа на Солнце может осуществлять только

-53-

Упражнение 2. Телескоп-рефлектор (зеркальный телескоп Ньютона)

Описание установки

Цель упражнения – поработать на зеркальном телескопе Ньютона. Этот телескоп гораздо лучше и гораздо сложнее телескопа Veber 70070. Его при всем желании нельзя назвать зрительной трубой – это именно телескоп, хотя и не профессионального уровня. Называется он телескопом Ньютона потому, что этот телескоп очень похож на первый в мире телескоп-рефлектор, который изготовил как раз Исаак Ньютон. Этот телескоп оказался очень удачен и именно за это (а вовсе не за три закона механики) Ньютона когда-то и избрали в члены Королевского общества (это – британская академия наук). Параметры нашего телескопа приведены в таблице:

К этой таблице следует добавить некоторые комментарии. Зеркальный телескоп Ньютона предназначен в первую очередь именно для астрономических наблюдений. Поэтому в нем используется экваториальная монтировка. Это означает, что перед наблюдениями телескоп должен быть ориентирован по Полярной звезде. После этого основание телескопа оказывается расположено «горизонтально», но не по отношению к нашей земной горизонтали, а по отношению к плоскости мирового экватора, то есть к плоскости,

-54-

перпендикулярной оси мира (направлению на Полярную Звезду). Теперь телескоп можно поворачивать «по горизонтали» и «по вертикали» относительно оси мира. Эта «горизонталь» называется прямым восхождением, а вертикаль – склонением. Это очень удобно для наблюдения за космическими объектами, видимое движение которых на 99,9% связано с вращением Земли вокруг своей оси и потому происходит по «небесной горизонтали» - меняется только прямое восхождение, но не склонение. Поэтому для удержания объекта наблюдения в поле зрения приходится вертеть только одну ручку – ручку прямого восхождения, что очень удобно.

Разумеется, с помощью телескопа можно наблюдать и объекты на поверхности Земли. В этом случае обратное («перевернутое») изображение очень неудобно и следует дополнительно к обычным окулярам использовать окуляр прямого изображения, переворачивающий перевернутое телескопом изображение еще раз и делающий его нормальным. Кстати, этот окуляр обеспечивает дополнительное увеличение изображения в полтора раза. Ориентировать телескоп по Полярной Звезде в этом случае тоже не следует – можно просто выставить основание телескопа горизонтально. В этом случае прямое восхождение становится просто азимутом, а склонение – просто высотой объекта над горизонтом.

Телескоп снабжен двумя сменными окулярами (см. рис. 41) – PL25 с фокусным расстоянием 25 мм и PL6,5 с фокусным расстоянием 6,5 мм. С учетом того, что фокусное расстояние объектива равно 800 мм, получается увеличение или 800/25=32, или 800/6,5=123. Если этого увеличения не хватает, то можно воспользоваться линзой Барлоу. Это – рассеивающая линза, вставляемая между объективом и окуляром. Она как бы ослабляет объектив (то есть увеличивает его фокусное расстояние) и таким образом приводит к росту увеличения нашего телескопа в два раза – в результате с окуляром PL25 получается увеличение 64 (вместо 32), а с окуляром PL6,5 - 246 (вместо 123). Какое увеличение когда применять – зависит от объекта и условий наблюдения. Конечно, большее увеличение вроде бы всегда лучше меньшего, но только на первый взгляд. С ростом увеличения неизбежно уменьшается поле зрения и резко возрастают проблемы с наводкой трубы на объект наблюдения и с удержанием этого объекта в поле зрения.

-56-

Телескоп является трубой Кеплера и потому дает обратное (перевернутое) изображение. Если Вам нужно-таки прямое изображение – следует воспользоваться окуляром прямого зрения (см. рис. 41).

На рис. 42 и 43 приведено изображение телескопа Ньютона. Вам потребуются регуляторы склонения и прямого восхождения (для наводки на объект, см. рис. 42) и ручка наводки на резкость (см. рис. 43).

Рисунок 43. Общий вид телескопа Ньютона. 1 - окуляр, 2 - видоискатель, 3 - ручка наводки на резкость

Порядок выполнения работы

В зависимости от ряда обстоятельств (время года, время суток, погода) вы будете наблюдать либо что-нибудь (по выбору преподавателя) на противоположном берегу Волги (он-то от нас никуда не денется), либо Луну или Солнце (очень интересно, но возможно только тогда, когда соответствующий объект виден за окном во время занятий – а это случается очень редко). В любом случае то, на что вы смотрите, мы будем называть объектом наблюдений.

При проведении наблюдений не следует прикасаться руками к стеклянным поверхностям (линзы) ни объектива, ни окуляра. Не следует также прижиматься глазом к окуляру – он рассчитан на то, что в него смотрят не «вплотную», а с некоторого (небольшого, конечно) расстояния. Если вы будете прижиматься к окуляру или прикасаться к телескопу во время наблюдения, он начнет качаться и объект наблюдения будет «скакать» по полю зрения (особенно при больших увеличениях).

Не следует (во избежание утомления глаз) слишком напрягать зрение – надо добиваться хорошей резкости при смотрении ненапряженным глазом за счет правильной фокусировки.

Если за окном виднеется Солнце, при проведении наблюдений следует проявлять крайнюю осторожность – не пользоваться видоискателем (на него у нас

-58-

11.Кто изобрел первый телескоп?

12.Кто такой Галилей? Каков его вклад в оптику?

13.Как устроена труба Галилея? Как найти ее увеличение? Каковы ее достоинства и недостатки?

14.Кто такой Кеплер? Каков его вклад в оптику?

15.Как устроена труба Кеплера? Как найти ее увеличение? Каковы ее достоинства и недостатки?

16.Что такое телескоп-рефрактор? Кто изготовил первый телескопрефрактор?

17.Что такое телескоп-рефлектор? Кто изготовил первый телескопрефлектор?

18.Кто такой Ньютон? Каков его вклад в оптику?

19.Как Ньютон объяснял законы геометрической оптики?

20.Какой точки зрения на оптические явления придерживался Ньютон – волновой или корпускулярной?

21.Что такое предельный угол разрешения телескопа?

22.Какие факторы ограничивают разрешающую способность телескопа? 23.Что такое сферические аберрации? Как с ними можно бороться? 24.Что такое хроматические аберрации? Как с ними можно бороться? 25.Что такое волновые аберрации? Как с ними можно бороться?

26.Что такое азимутальный угол?

27.Что такое полярный угол?

28.Что такое прямое восхождение?

29.Что такое склонение?

30.Что такое ось мира?

31.Чем отличается альт-азимутальная монтировка телескопа от экваториальной? Какая лучше?

32.Что такое оборачивающая призма? Как работает? Зачем используется?

33.Что такое линза Барлоу?

34.Кто открыл спутники Юпитера?

35.Кто открыл пятна на Солнце?

-59-

Лабораторная работа № 5

Поляризация света. Спин микрочастицы.

Введение

Известно, что свет – это электромагнитная волна, а электромагнитные волны поперечны. Поэтому два световых луча могут отличаться не только направлением распространения, интенсивностью и цветом (частотой), но и поляризацией – то есть направлением колебаний электрического вектора. Явление двулучепреломления исландского шпата, связанное (как мы сейчас понимаем) именно с поляризацией света, впервые было открыты еще Бартолином1 в 1670 году и изучалось Гюйгенсом2 в 1690 году.

Рисунок 44. Христиан Гюйгенс

Впрочем, объяснить это явление Гюйгенс не смог. Не смог сделать это и Малюс3, введший в 1808 году термин «поляризация». Ясное понимание «смысла

1Бартолин, Каспар (1655—1738), с 1677 г. профессор физики в Копенгагене (но читал и анатомию), в 1678 года - доктор медицины. С 1675 по 1701 гг. усиленно занимался изучением анатомии, физиологии и физики.

2Гюйгенс (Хейгенс) (Huygens) Христиан (1629-95), нидерландский ученый. В 1665-81 работал в Париже. Изобрел (1657) маятниковые часы со спусковым механизмом, дал их теорию, установил законы колебаний физического маятника, заложил основы теории удара. Создал (1678, опубликовал 1690) волновую теорию света, объяснил двойное лучепреломление. Совместно с Р. Гуком установил постоянные точки термометра. Усовершенствовал телескоп; сконструировал окуляр, названный его именем. Открыл кольцо у Сатурна и его спутник Титан. Автор одного из первых трудов по теории вероятностей (1657).

3Малюс Этьенн Луи (Malus) (23 июня 1775, Париж — 23 февраля 1812, там же) — французский ученый-физик, член Парижской академии наук (1810), исследователь поляризации света. Э.Л. Малюс окончил Политехническую школу в Париже (1796), служил в инженерных

-60-

происходящего» было достигнуто только в 1816 году, когда Юнг1 и Френель2 высказали догадку о поперечности световых волн, после которой «все встало на свои места». По современным представлениям, поляризация электромагнитных волн связана с моментом импульса (спином) фотонов, являющихся квантами электромагнитного поля. С момента импульса мы и начнем.

Рисунок 45. Томас Юнг

войсках; в чине капитана принимал участие в Египетской кампании (1798), а также в сооружении Страсбургских укреплений (1806-1807). По возвращении в Париж он с 1811 года был директором учебной части в Политехнической школе. В 1808 году Малюс открыл поляризацию света при отражении от прозрачных тел, а в 1811 (независимо от Ж. Б. Био и одновременно с ним) — при преломлении. Ученый приписывал «частицам» света «полюсы» и называл поляризованными лучи, в которых ориентация этих частиц одинакова. В 1810 году он сформулировал закон изменения интенсивности поляризованного света, прошедшего через анализатор (закон Малюса).

1Юнг (Янг) (Young) Томас (1773-1829), английский ученый, один из основоположников волновой теории света. Сформулировал принцип интерференции (1801), высказал идею о поперечности световых волн (1817). Объяснил аккомодацию глаза, разработал теорию цветного зрения. Ввел характеристику упругости (модуль Юнга). Труды по акустике, астрономии, расшифровке египетских иероглифов.

2Френель (Fresnel) Огюстен Жан (1788-1827), французский физик, один из основоположников волновой оптики. Создал (1818) теорию дифракции света, положив в основу принцип Гюйгенса и интерференцию волн (принцип Гюйгенса — Френеля). Доказал (1821) поперечность световых волн, объяснил поляризацию света (первая теория кристаллооптических явлений). Создал зеркала и линзы, названные его именем.