Лабораторная по физике №5

30

Ознакомиться с описанием лабораторной работы, изучить в: [1] ÈÈ 126, 129, 130; [2] ÈÈ 32.1, 32.4; 3] ÈÈ 176, 180. Для выполнения работы студент должен знать: а) суть явления дифракции, виды дифракции; б) условие наблюдения максимумов и минимумов дифракции на щели; в) особенности наблюдения дифракции

вмонохроматическом и белом свете.

3.Выполнение работы

3.1. Описание лабораторной установки

Для определения характеристик дифракционной решетки используется установка, представленная на рис. 7.1.

В качестве источника света используется гелий-неоновый лазер типа ЛГН-208А, длина волны излучения – 632,8 нм, мощность – 10 мВт. Свет, излучаемый лазером, обладает высокой ко-

Рис. 7.1. Блок-схема лабораторной установки:

1 – осветительный прибор; 2 – дифракционная решетка; 3 – экран

герентностью, поэтому не требует дополнительных оптических устройств для наблюдения дифракции.

Свет от лазера 1 падает на решетку 2. Дифрагировавшие на решетке лучи создают дифракционную картину, изображение которой видно на экране. Расстояние x между центральным максимумом и максимумом k порядка измеряют по шкале экрана.

3.2. Методика измерений и расчёта

Дифракционная решетка – оптический прибор, представляющий собой совокупность большого числа параллельных щелей (штрихов), разделенных непрозрачными промежутками. Основное свойство дифракционной решетки – давать дифракционную картину, с помощью которой можно увидеть спектральный состав, падающего на нее света.

31

Условие возникновения главных дифракционных макси-

где d a b – период или постоянная дифракционной решетки; a – ширина щели; b – ширина непрозрачного промежутка между щелями решетки.

В фокальной плоскости линзы для лучей, не испытавших дифракции, наблюдается центральный яркий максимум нулевого порядка ( 0, k 0 ), вправо и влево от которого располагаются максимумы первого, второго и последующих порядков дифракции (рис. 7.1).

Выражение (7.1) позволяет рассчитать период дифракци-

Угол дифракции можно найти, зная расстояние от решетки до экрана L и измерив, расстояние x между двумя максимумами одного порядка m , т. е.

x

(7.3)

2L

Одной из основных характеристик дифракционной решетки является ее угловая дисперсия. Угловой дисперсией решетки называется величина приращения угла дифракции при изменении длины волны на единицу

вблизи данной длины волны. Формула для расчета угловой дисперсии имеет вид:

У решетки с большим периодом ширина спектра одного и того же порядка меньше, чем у решетки с меньшим периодом. Поэтому дисперсия в пределах одного и того же порядка почти не меняется.

32

Разрешающей способностью решетки принято называть способность решетки разделять линии, близкие по длине волны от до . Чем больше разрешающая способность решетки, тем выше ее способность разделять близкие по длине волны линии. Разрешающая способность дифракционной решетки R определяется порядком спектра k и полным числом штрихов решетки N :

3.3. Измерение основных характеристик дифракционной решетки

3.3.1.Включите лазер. Генерация лазера типа ЛГН-208А наступает практически мгновенно. Дифракционную картину следует наблюдать с внешней стороны шкалы, состоящей из ряда ярких и четких линий первого, второго и последующих порядков по обе стороны от центрального яркого максимума (k = 0).

3.3.2.Измерьте расстояние L между дифракционной решеткой и шкалой.

3.3.3.Измерьте расстояние x между максимумами интенсивности для первых четырех порядков по обе стороны от глав-

ного максимума: k 1, 2, 3, 4.

3.3.4. Рассчитайте tg x и определите угол .

L

3.3.5. Рассчитайте среднее значение угла для одинако-

вых порядков, например, 1 k 1 k 1 . 2

3.3.6. По формуле d k рассчитайте период решетки. sin

Результаты занести в табл. 7.1.

3.3.7. Найдите среднее значение постоянной решетки d и

оцените относительную погрешность измерений d .

d

3.3.8. Окончательный ответ должен быть представлен в виде d d d , где d – средняя абсолютная погрешность.

33

3.3.9. Зная период решетки, определить число штрихов на

1 мм ширины решетки по формуле n 1 . d

3.3.10.Определить число штрихов N n l решетки, где l – ширина решетки.

3.3.11.Рассчитать угловую дисперсию D решетки по фор-

муле (7.5).

3.3.12.По формуле (7.6) рассчитайте разрешающую способность R дифракционной решетки.

3.3.13.В держатель установите вторую решетку. Повторите

пп.3.3.2–3.3.11.

3.3.14.Данные измерений и расчетов занесите в табл. 7.1.

3.4.Сделать вывод об эффективности метода определения основных характеристик дифракционной решетки.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА

1. Цель работы

Экспериментальная проверка закона Малюса.

2. Подготовка к работе

Прочитать в учебниках следующие параграфы: 1] ÈÈ 134, 135; 2] È 34.1; [3] ÈÈ 190–191. Для выполнения работы студент

3.2.1.Изучить установку для проверки закона Малюса.

3.2.2.Вращая анализатор 3, определить по шкале миллиамперметра величину максимального отклонения стрелки. Это положение анализатора будет соответствовать углу 0, при кото-

ром направления плоскостей поляризации поляроидов совпадают.

35

3.2.3.Поворачивая анализатор на 10 , 20 и т. д. до 360 , измерить IА по прибору в делениях. Данные 37 измерений IА внести

втабл. 8.1.

3.2.4.Построить зависимость IА( ). Определить по графику

точки с максимальным и минимальным значением IА (в делениях), внести эти значения в табл. 8.1.

3.2.5. Определить степень поляризации света Р по формуле:

P Imax Imin , Imax Imin

где Imin IAmin I0 – интенсивность неполяризованного света, прошедшего через оба поляроида, Imax IAmax I0 – сумма интенсивностей поляризованного и неполяризованного света; I0 0

– ток через амперметр, при выключенной лампе накаливания.

Таблица 8.1 Результаты измерения интенсивности света

3.2.6. Проверить справедливость закона Малюса. Для этого построить зависимость (IА – IAmin ) = f(cos2 ).

3.2.7.Сделать вывод выполнимости закона Малюса.

9.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1.Что называют напряженностью электростатического

поля?

2.Сформулируйте принцип суперпозиции полей.

3.Что называют потенциалом электростатического поля?

36

4.Как графически изобразить электростатическое поле?

5.Как аналитически связаны напряженность и потенциал? Куда направлен вектор градиента потенциала?

6.Что называют потоком вектора Е ?

7.Сформулируйте теорему Остроградского – Гаусса.

8.Что такое сопротивление? От чего оно зависит и что определяет в цепи постоянного тока?

9.Каким образом, зная класс точности прибора найти абсолютную погрешность измерения?

10.Дан многопредельный амперметр на 30 мА, 150 мА и 300 мА. Класс точности прибора 0,2. Определите абсолютную погрешность прибора для каждого предела измерения.

11.Как записывается закон Ома в дифференциальной

форме?

12.Дайте понятие линии магнитной индукции, потока вектора магнитной индукции. Сформулируйте теорему Гаусса для магнитного поля.

13.Сформулируйте закон Био – Савара – Лапласа.

14.Что такое индуктивность? От чего она зависит и что определяет в цепи синусоидального тока?

15.Что такое активное, индуктивное и полное сопротивление в цепи переменного тока?

16.В чём заключается закон электромагнитной индукции

иявление самоиндукции?

17.Как влияет железный сердечник на величину индуктивности катушки?

18.Если напряжение на активном сопротивлении равно 20 В, а на последовательно включённой с ним катушке индуктивности – тоже 20 В, то каково напряжение, приложенное к данной цепи?

19.Что такое интерференция света и каковы условия ее наблюдения?

20.Какие источники света называются когерентными и какими способами их можно получить?

21.Что такое оптическая длина пути, геометрическая и оптическая разности хода интерфирирующих лучей?

37

22.Запишите условие максимума и минимума интенсивности света при интерференции.

23.Что такое ширина интерференционной полосы? От чего она зависит?

24.Как рассчитать ширину полосы в интерференционной картине от двух источников?

25.Будет ли наблюдаться интерференция в белом свете? Опишите ее особенности.

26.В чем суть явления дифракции?

27.Объясните особенности наблюдения дифракции Френеля? Дифракции Фраунгофера?

28.Запишите условия наблюдения максимумов и минимумов дифракции на щели, на решетке.

29.Для каких видов волн характерно явление дифракции?

30.Что понимается под угловой дисперсией дифракционной решетки?

31.Какой свет называется естественным, поляризованным, частично поляризованным?

32.Каким способом можно получить поляризованный

свет?

33.Как определяется степень поляризации света?

34.Как отличить естественный свет от поляризованного с помощью поляризатора?

35.Сформулируйте закон Малюса.

10.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Савельев, И. В. Курс общей физики : учеб. пособие : в 3 т. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., стереотип. – СПб. : Лань, 2007. – 496 с.

2.Детлаф, А. А. Курс физики : учеб. пособие для втузов

/А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. – 6-е изд., стереотип. – М. : Издат. центр šАкадемияŸ, 2007. – 720 с.

3.Трофимова, Т. И. Курс физики : учеб. пособие для инж.-техн. специальностей вузов. – 14-е изд., стереотип. – М. : Академия, 2007. – 560 с.

4.Сивухин, Д. В. Общий курс физики : учеб. пособие: для вузов : в 5 т. Т. III. Электричество. – 4-е изд., стереотип. – М.: Наука, 2007. – 560 с.

Составители

Дырдин Валерий Васильевич Елкин Иван Сергеевич

ФИЗИКА Электричество. Волновая оптика

Комплекс К-303.2.ИЭ

Методические указания по самостоятельной работе при подготовке к выполнению лабораторных работ по физике для студентов специальностей

080502 (ЭМ, ЭС, ЭХ, ЭГ)

Печатается в авторской редакции

Подписано в печать 29.04.2009. Формат 60Ó84/16.

Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч.-изд. л. 2,2. Тираж 146 экз. Заказ .

ГУ КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Типография ГУ КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.