FP_Opt_i_at_f_2
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
КАФЕДРА ФИЗИКИ
ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ
«ОПТИКА И АТОМНАЯ ФИЗИКА»
ВЛАДИКАВКАЗ 2009
1
Составители:
Проф. Созаев В.А. Доц. Агаев В.В. Доц. Касумов Ю.Н. Доц. Метревели С.Г. Доц. Сочилина И.Н.
Доц. Старосельцева С.П. Доц. Фетисова В.М. Доц. Чугуева З.И.
Доц. Яблочкина Г.И. Ст. преп. Манукянц А.Р. Ст. преп. Трегуб А.И. Асс. Гетоева Е.Ю.
Асс. Граневский С.Л.
Издательство «Терек» СКГМИ, 2009
2
Содержание
Лабораторная работа № 3.1
Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа……...4
Лабораторная работа № 3.3
Определение увеличения микроскопа
Лабораторная работа № 3.4
Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона……10
Лабораторная работа № 3.5
Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки……………………….……………………..……………18
Лабораторная работа № 3.6
Изучение поляризации света. Проверка закона Малюса………….................25
Лабораторная работа № 3.7
Определение концентрации раствора сахара поляриметром………….…….33
Лабораторная работа № 3.8
Определение постоянной Стефана-Больцмана при помощи оптического пирометра………………………………………………….……..38
Лабораторная работа № 3.9
Изучение внешнего фотоэффекта……………………………………..…..…..46
Лабораторная работа № 3.10
Изучение сериальных закономерностей в спектре излучения атомарного водорода и определение постоянной Ридберга……….…….…..53
Лабораторная работа № 3.21
Определение фокусных расстояний линз методом Бесселя………….
Лабораторная работа № 3.22
Определение фокусных расстояний и положений главных плоскостей двухлинзовой оптической системы………………………………………………….
Лабораторная работа № 3.23
Моделирование оптических приборов и определение их увеличения…………
Лабораторная работа № 3.24
3
Измерение угла клина по интерференционной картине полос равной толщины…………………………………
Лабораторная работа № 3.25
Определение расстояний между щелями в опыте Юнга……….
Лабораторная работа № 3.26
Исследование закона Малюса и прохождения поляризованного света через фазовую пластинку……………………………….
Лабораторная работа № 3.27
Исследование дисперсии оптического стекла……………………….
Лабораторная работа № 3.28
Определение основных характеристик дифракционной решетки………
Лабораторная работа № 3.29
Исследование спектров поглощения и пропускания…………………..
Лабораторная работа № 3.30
Исследование явлений дифракции и поляризации света………..
4
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В различных прозрачных средах свет распространяется с различными скоростями, меньшими скорости света в вакууме. Скорость распространения световых волн в среде по теории Максвелла определяется формулой
|
|
с |
, |
|
|
|
|
||
|
|
|||
где с - скорость света в вакууме, - диэлектрическая проницаемость среды,- магнитная проницаемость среды.
Среда, во всех точках которой скорость распространения света одинакова, называется оптически однородной. В такой среде свет распространяется прямолинейно с постоянной скоростью. Если среда неоднородна, то в различных областях скорость света различна, а
прямолинейность световых лучей нарушается. |
|
|
||
|
|
Простейшей |
неоднородностью |
|
|
|
является плоская граница раздела двух |
||
i |
' |
разнородных сред (например, воздуха и |
||
|
стекла), в которых свет распространяется со |
|||
|
|
|||
|
υ1 |
скоростями, равными соответственно υ1 и |
||
|
υ2 |
υ2. На рис.1 показано, что луч 1, падающий |
||
|
из первой среды под углом i, на границе |
|||
|
|
|||
|
|
раздела раздваивается на отраженный |
луч |
|
|
|
2, идущий в той же среде с той же |
||
|
|
скоростью υ1, и преломленный луч 3, |
||
|
|
распространяющийся со скоростью υ2 |
во |
|
|
|
второй среде (в стекле). |
|
|
Законы отражения света:
1.Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.
2.Угол отражения равен углу падения: i' = i
Законы преломления света:
5
1. Луч падающий, преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред
|
|
sini |
const n |
|
(1) |
|||
|
|
|
21 |
|||||
|
|
sinr |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||
Величина n21 называется относительным показателем преломления |
||||||||
второй среды относительно первой. Он равен |
|
|
||||||
|
|
n 21 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Относительным |
показателем |
преломления n21 второй |
среды |
|||||
относительно первой |
называется отношение скоростей света υ 1 |
и υ 2 |
||||||
соответственно в первой и во второй средах (физический смысл относительного показателя преломления).
Показатель преломления среды относительно вакуума называется
абсолютным. Он равен: |
|
|
|
|
|
n |
с |
|
(4) |
|
|
|||
|
|
|
||
где с - скорость света в вакууме, |
υ - скорость света в среде. |
|
||
Абсолютный показатель |
преломления показывает, во сколько |
раз |
||
скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде. Относительный показатель преломления можно выразить через
абсолютные показатели n1 и n2 двух сред: |
|
||||||
|
|
n |
|
|
n2 |
, |
(5) |
|
|
|
|
||||
|
|
21 |
|
n1 |
|||
|
|
|
|
|
|
||
|
В таблице приводятся абсолютные показатели преломления некоторых |
||||||
веществ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вещество |
Показатель |
|
|
Вещество |
Показатель |
|
|
|
преломления |
|
|
|
|
преломления |
|
воздух |
1,003 |
стекло (крон) |
1,515 |
|||
|
вода |
1,333 |
стекло (флинт) |
1,752 |
|||
|
спирт этил. |
1,362 |
алмаз |
2,420 |
|||
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
6
Для определения показателей преломления веществ существуют различные методы. Одним из них является метод определения показателя преломления стекла с помощью микроскопа. В основе метода лежит кажущееся уменьшение толщины пластинки из стекла
вследствие преломления
световых лучей, проходящих
в стекле при рассматривании
пластинки нормально к ее
поверхности. В точку А,
находящуюся на нижней
грани пластинки, падает луч
света ОА, под углом i к нормали .
Преломившись в точке А, а затем в точке В, он выходит из пластинки под тем же
углом i. Наблюдателю кажется, что рассматриваемый луч исходит не из точки А, а из точки D , т.е. толщина пластинки кажется равной СD. Из рис.5 видно, что кажущаяся толщина СD = h меньше истинной, т.е. действительной ее толщины АС=H.
Установим связь между показателем преломления стекла n, толщиной стеклянной пластинки H и величиной кажущейся толщины пластинки h.
Показатель преломления стекла относительно воздуха
n |
cт |
sin i |
(6) |
|
sin r |
|
|
|
|
|
|
Для лучей, близких к |
нормально падающим, |
углы падения и |
|
преломления малы, тогда синусы можно заменить тангенсами и (6) переписать:
|
|
n |
|
|
sin i |
|
tgi |
|
|
|
(7) |
|
|
cт |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
sin r |
tgr |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Из треугольников AВC и DBC следует |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
tgi |
BC , tgr BC |
|
|
(8) |
|||||
|
|
|
|
CD |
CA |
|
|
|
|||
Подставим (8) в (7) , получим: |
|
|
|
|
|
||||||
n |
cт |
BC AC AC H |
или n |
cт |
H |
(9) |
|||||
|
CD BC |
CD h |
|
|
h |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||
Т.о., зная толщину пластинки H и ее кажущуюся толщину h, можно определить показатель преломления стекла.
ОПИСАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ
Микроскоп с микрометрическим винтом, стеклянные пластинки со
7
штрихами на обеих поверхностях.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
2 
1 
3
Определение кажущейся толщины пластинки производится с помощью микроскопа, снабженного микрометрическим винтом для точного измерения перемещения тубуса.
1. Устанавливают осветительное зеркальце 3 микроскопа так, чтобы поле зрения было хорошо освещено.
1.На предметный столик 1 кладется пластинка 2, на верхней и нижней поверхности которой нанесены параллельные метки, расположенные взаимно перпендикулярно.
2.Сначала микроскоп фокусируется на верхние метки, после чего записывается показание индикатора микрометрического винта. Затем микроскоп фокусируется на нижние метки и записывается новое показание индикатора. Разность показаний индикатора равна кажущейся толщине h.
3.Измеряется при помощи микрометрического винта истинная толщина стекла H.
4.По формуле: n Hh вычисляется показатель преломления стекла.
№ |
толщина Н, мм |
перемещение |
показатель |
п/ |
|
h, мм |
преломления n |
п |
|
|
|
1. |
|
|
|
2. |
|
|
|
3. |
|
|
|
8
Средн.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
Относительную ошибку определяют по формуле: п Н h ,
п Н h
где ∆Н и ∆h - цена деления микрометра.
Абсолютная ошибка: п 
п
, где 
п
- среднее значение п, найденное из трех измерений
п
п1 п2 п3
3
Истинное значение: пист 
п
п
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Законы преломления и отражения света.
2.Физический смысл абсолютного и относительного показателей преломления.
3.В каком случае относительный показатель преломления больше единицы, меньше единицы? Приведите примеры.
4.Вывод рабочей формулы.
5.Методика выполнения работы.
ЛИТЕРАТУРА
1.И.В.Савельев. Курс общей физики, т.2. М., «Наука» 1978, с.314-315.
2.Т.И.Трофимова. Курс физики, М., «Высшая школа», 2002г., с.316-319.
3.Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. М., «Высшая школа»,
1970.
4.Курс физики под ред. проф. Лозовского В.Н. Санкт-Петербург, 2001г.,
т.2.
9
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ МИКРОСКОПА
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Простейший микроскоп состоит из короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра, основной частью которых являются линзы.
Линзами называются прозрачные тела, ограниченные сферическими поверхностями. Чаще всего линзы бывают стеклянные с очень тщательно отполированными поверхностями, одна из поверхностей может быть плоской.
По оптическим свойствам линзы делятся на собирающие и рассеивающие, а по своей форме – на выпуклые и вогнутые (рис. 1).
Рис. 1.
Основными элементами линзы являются оптическая ось, оптический центр О, фокус F. (рис. 2).
оптическая ось 
|
Лучи, падающие на линзу параллельно |
|
главной оптической оси, собираются в |
|
главном фокусе линзы. Фокус бывает |
|
действительный (если в нем пересекаются |
|
лучи) и мнимый (если в нем пересекаются |
Рис. 2. |
продолжения лучей). У линзы два фокуса (по |
|
обе стороны от линзы). |
Построение изображения в собирающей линзе
Изображение предмета в линзах строят с помощью 3-х лучей:
1.луч, идущий через главный фокус F, после преломления в линзе идет параллельно главной оптической оси.
2.луч, идущий параллельно главной оптической оси, после преломления
влинзе идет через главный фокус F.
3.луч, идущий через оптический центр линзы, не преломляется.
Для построения изображения достаточно двух лучей из перечисленных
трех.
Изображения бывают:
1.действительные и мнимые;
2.увеличенные и уменьшенные;
10