optics

Министерство образования и науки Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет

Кафедра общей и теоретической физики

535 (07) О-627

А.Е. Гришкевич, Г.П. Пызин, Т.Н.Хоменко, А.Е. Чудаков

ОПТИКА

Учебное пособие к выполнению лабораторных работ

Под редакцией В.П. Бескачко

Челябинск Издательство ЮУрГУ

2008

УДК 535 (075.8)

О-627

Одобрено объединенным научно-методическим советом университета

по физике.

Рецензенты:

Н.Д .Кундикова, А.Е. Коренченко

Оптика: Учебное пособие к выполнению лабораторных работ / O-627 А.Е. Гришкевич, Т.Н.Хоменко, В.Г.Речкалов, А.Е.Чудаков; под ред.

В.П. Бескачко. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. – 60 с.

Учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки к выполнению лабораторных работ и составлению отчета по работе. Даны описания установок, методов измерений и рекомендации по представлению и обработке результатов физического эксперимента. Внимание студентов обращается на физические основы и анализ условий эксперимента, извлечение из опыта информации о физических явлениях и их закономерностях. Приведены вопросы для контроля знаний при подготовке к работе.

УДК 535 (075.8)

O-627

Издательство ЮУрГУ, 2008

2

3

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

1. К самостоятельному выполнению лабораторных работ студент может приступить после прохождения инструктажа по проведению лабораторных работ и усвоения безопасных методов их выполнения (о чем студент расписывается в журнале по технике безопасности).

2. Перед выполнением работы необходимо тщательно изучить описание лабораторной работы.

3.Работы следует выполнять на исправных установках.

4.Измерительные приборы и инструмент необходимо использовать только по их прямому назначению.

5.Включать приборы и лабораторные установки можно лишь после разрешения преподавателя.

6.Не следует допускать прямого попадания светового луча в глаза, особенно при использовании ртутной лампы.

ПРАВИЛА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1.Данные измерений и расчетов следует записывать четко и кратко

взаранее подготовленные таблицы.

2. Точность измерений и расчетов должна соответствовать цели опыта.

3.В каждом опыте необходимо устранять возможные систематические погрешности, оценивать случайные погрешности и точность результата измерений.

4.Результаты каждого эксперимента следует проанализировать и

сделать выводы.

Библиографический список

Основной

1.Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.– М.: Высш. школа,

1989. – 608 с.

2.Трофимова, Т.И. Курс физики / Трофимова Т.И. – М.: Высшая школа, 1994. –

542с.

3.Методические указания к обработке результатов лабораторных изме-

рений. – Челябинск: ЧПИ, 1982.– 48 с. (Шифр 530 (07) П 752).

Дополнительный

4.Грановский, В.А. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях / В.А. Грановский, Т.Н. Сирая – Л.: Энергоатомиздат, 1990.– 288 с.

5.Шелест, А.Е. Микрокалькуляторы в физике / А.Е.Шелест.– М.: Наука, 1988.–

272с.

4

ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Каждый студент оформляет отчет по индивидуальным опытным данным. Отчет выполняется в соответствии со стандартом СТП ЧПИ 05-87 "Лабораторные работы. Общие требования к оформлению отчета", который имеется в отделе нормативно-технической документации библиотеки.

Титульный лист оформляют так, как показано на образце.

ЮУрГУ Кафедра общей и теоретической физики

Отчет

по лабораторной работе N 3 Исследование зависимости показателя преломления

воздуха от давления с помощью интерферометра

ММ-223

Лебедев М.С. (Ф.И.О. студента, в именительном падеже)

12.09.2007. (дата выполнения работы, а не отчета)

Отчет содержит следующие разделы.

1.ЦЕЛЬ работы (дана в описании каждой работы или занятия).

2.СХЕМА УСТАНОВКИ принципиальная, с необходимыми пояснениями.

3.ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ с пояснением величин.

4.ОПЫТНЫЕ ДАННЫЕ (в таблицах).

5.ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ.

6.ГРАФИКИ, построенные на миллиметровой бумаге.

7.ВЫВОД - это краткое заключение о результатах работы.

Вывод включает в себя основные результаты измерений и их анализ:

1)сравнение опытных зависимостей (графиков) с теоретическими,

2)сравнение полученных экспериментальных значений с табличными,

3)сопоставление их расхождений с точностью измерений,

4)анализ метода измерений и установки.

5

Работа № 1 ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА

ЦЕЛЬ: исследовать зависимость оптической силы линзы и коэффициента преломления стекла от длины волны исследуемого света

ОБОРУДОВАНИЕ: источник света, набор светофильтров, исследуемая линза, экран, слайд, линейка.

В в е д е н и е

Дисперсия света – зависимость показателя преломления света в веществе от длины волны света. Следствие дисперсии света – разложение в спектр пучка белого света при прохождении его сквозь призму и один из серьезных недостатков оптических систем – хроматизм положения изображения (рис. 1).

фиол

красн

белый

свет

краcн

Рис. 1 Это значит, что нехроматический пучок имеет совокупность фокусов, рас-

положенных вдоль оптической оси. Или, другими словами, линза дает ряд четких изображений предмета, расположенных на разных расстояниях от линзы, если изображения предмета получают в нехроматическом свете.

Оптическая сила тонкой линзы связана с показателем преломления n материала из которого изготовлена линза и радиусами кривизны R1 и R2 поверхностей линзы (рис. 2).

n

Рис. 2 Таким образом, определяя экспериментально оптическую силу линзы для

различных частей оптического спектра, можно исследовать зависимость от показателя преломления длины волн ( дисперсию света).

6

Оптическую силу линзы достаточно просто рассчитать по положению изображения H, получаемого с помощью линзы (рис. 3) от предмета h.

О п и с а н и е у с т а н о в к и

Оптическая система установки изображена на рис. 4

ОС

ОС – оптическая скамья с нанесенной на ней шкалой, БС – источник белого света, Ф – обойма с набором светофильтров, П – предмет, Л – исследуемая линза, Э – экран.

Если на оптической скамье расположить на определенном расстоянии d (больше F) от линзы предмет, то перемещая экран вдоль скамьи можно получит его четкое изображение.

П о р я д о к в ы п о л н е н и я р а б о т ы

1.Установите исследуемую линзу на оптическую скамью и закрепите ее.

Втаблицу записать значения радиусов кривизны поверхностей линзы и длин волн, пропускаемых светофильтрами.

2.Установите в рабочее положение один из светофильтров (например, красный). Перемещая экран вдоль оптической скамьи подберите такое его по-

ложение, при котором получается самое четкое изображение предмета.

Примечание: особенно уделите внимание тому, чтобы плоскость экрана и предмета были перпендикулярны оптической оси линзы.

3.Зафиксируйте их положение и измерьте расстояния d и f1 (см. рис. 3) с возможно большей точностью. Результаты запишите в таблицу.

7

4.Не меняя положение предмета и линзы (перемещается только экран), получите четкое изображение предмета с зеленым и синим светофильтрами. Для каждого фильтра измерьте расстояния fi и запишите его в таблицу.

5.Не меняя положение предмета и линзы, проведите еще дважды измерeния (пункт 3) с каждым, из имеющихся в наборе, фильтром и занесите результаты измерения расстояния fi от линзы до экрана в таблицу.

6. Для каждого светофильтра рассчитайте оптическую силу линзы

D d1 1f , найдите его среднее значение Dср .

Сделайте вывод.

7. Рассчитайте по формуле 1 показатель преломления стекла n для каждого фильтра, постройте график зависимости показателя преломления от длины волны.

Сделайте вывод.

8

Работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ

С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

ЦЕЛЬ: ознакомление с явлением интерференции, условием образования полос равной толщины (колец Ньютона) и с практическим использованием явления интерференции.

ОБОРУДОВАНИЕ: микроскоп, линза, стеклянная пластина, осветитель, набор светофильтров.

В в е д е н и е

Свет представляет собой электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом как цветовое ощущение. Человеческий глаз воспринимает электромагнитные волны в интервале длин волн от 400 до 700 нм. Обычно, кроме видимой части спектра, в понятие свет включают две примыкающие области спектра электромагнитных волн – инфракрасную и ультрафиолетовую.

Плоская электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль оси x, описывается уравнениями

Е = Е0 cos ( t – kx ); Н = Н0 cos ( t – kx ),

где Е0 и Н0 – амплитуды напряженности электрического и магнитного полей, ( t – kx) – фаза волны, – циклическая частота, k – волновое число (k=2 / ), – длина волны.

Поскольку физиологическое, фотохимическое и фотоэлектрическое действия света вызываются колебаниями электрического поля, то принято рассматри-

вать колебания вектора, E , который называют световым.

При наложении двух или нескольких световых волн друг на друга наблюдается усиление света в одних точках пространства и ослабление в других. Это

постоянную разность фаз. Для получения контрастной интерференционной картины необходимо также, чтобы их интенсивности были соизмеримы и плоскости

колебаний вектора E совпадали.

Когерентные волны получают путем разделения на две части волны, излучаемой одним источником. Эти волны, прежде чем попадут в данную точку пространства, проходят различные расстояния (или одинаковое, но в средах с различными показателями преломления), поэтому между ними возникает постоянная разность фаз, и они дают интерференционную картину. Квадрат амплитуды Е0 результирующего колебания, полученного при наложении 2-х волн,

E02 E012 E022 2E01E02 cos( 2 1) .

Интенсивность результирующей волны, пропорциональная квадрату амплиту-

ды:

I I1 I2 2I1I2 cos( 2 1)

9

и зависит от разности фаз колебаний ( 2– 1).

Если разность фаз в данной точке пространства равна четному числу , то в этом месте происходит усиление колебаний (максимум освещенности), если же разность фаз равна нечетному числу , то будет наблюдаться ослабление колебаний (минимум освещенности).

Оптическая разность хода лучей у связана с разностью фаз соотношением

где m = 0, 1, 2, 3, ... – порядок максимума (минимума).

М е т о д и з м е р е н и й

Один из способов получения интерференционной картины был предложен И.Ньютоном. На стеклянную пластину помещают стеклянную линзу с большим радиусом кривизны R (рис.1). Между ними образуется тонкая воздушная прослойка переменной толщины d (оптический клин). На плоскую грань линзы направляют нормально монохроматический свет; луч, отражаясь от верхней и от нижней граней клина, разделяется на два когерентных луча.

R2=(R – d)2 + r2

а)

Рис. 1. Линза и пластина для получения колец Ньютона: a – идеальный случай; б и в – реальные случаи

Оптическая разность хода этих лучей

где n – показатель преломления среды, заполняющей пространство между линзой и стеклянной пластиной.

10