Федеральное агентство по образованию

Хакасский государственный университет

им. Н.Ф. Катанова

Физика

(оптика и атомная физика)

Учебно-методический комплекс по дисциплине

для нефизических специальностей

Лабораторный практикум

Абакан

2006

Издается по рекомендации Методического совета

и по решению Редакционно-издательского совета

Хакасского государственного университета

им. Н.Ф. Катанова

Рецензенты:

О.Ю. Штрокирх, доцент кафедры общей и эксперимен-тальной физики Хакасского государственного университета им. Н.Ф.Катанова, кф-мн. М.Ф. Кузнецов, доцент кафедры математических и естественно-научных дисциплин Хакасского техниче-ского института – филиала Красноярского ГТУ, кф-мн.

Физика (оптика и атомная физика): учебно-методический комплекс по дисциплине для нефизических специальностей. Лабораторный практикум / сост. И.Т.Семенов. – Абакан, 2006. – 100 с.

Пособие является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Физика» для нефизических специальностей. Содержит описания 15 работ лабораторного практикума по геометрической, волновой, квантовой оптике и атомной физике. В описании каждой лабораторной работы подробно рассматриваются теоретические основы изучаемого явления, раскрывается методика и техника его экспериментального исследования, даются рекомендации по обработке и анализу полученных результатов, приводятся контрольные вопросы и список рекомендуемой учебной литературы.

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», «Математика», «Технология и предпринимательство», «Биология», «Биоэкология».

© «Хакасский государственный

университет им.Н.Ф.Катанова», 2006.

© И.Т.Семенов, составление, 2006.

Предисловие

В данном пособии обобщен многолетний опыт работы кафедры общей и экспериментальной физики Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова по организации и проведению лабораторного практикума по оптике и атомной физике со студентами, обучающимися по нефизическим специальностям.

Предлагаемые в практикуме лабораторные работы охватывают основные разделы оптики и атомной физики. При их выполнении студенты имеют возможность познакомиться с широким кругом разнообразных физических приборов, их устройством и практическим применением, а также закрепить навыки, полученные в других разделах курса физики, по обработке и анализу экспериментальных результатов, в том числе с использованием вычислительной техники.

В целях определенной синхронизации изучения отдельных разделов курса на лекциях и лабораторных занятиях рекомендуется лабораторные работы, описанные в пособии, группировать в 2 цикла:

1. Геометрическая и волновая оптика (раб. № 1 – 8).

2. Взаимодействие света с веществом (раб. № 9 – 15).

В процессе подготовки к лабораторной работе студент должен заранее познакомиться с ее описанием, изучить теорию исследуемого явления и подготовить бланк отчета. На бланке указываются название лабораторной работы, ее цели, перечень используемых приборов и принадлежностей, приводится схема экспериментальной установки. Записываются рабочие формулы с расшифровкой всех величин, входящих в них, чертится таблица измеряемых величин.

Перед проведением эксперимента студент должен получить допуск к работе. Для этого необходимо представить преподавателю подготовленный бланк отчета и ответить на контрольные вопросы по теории исследуемого явления, а также на вопросы, касающиеся содержания лабораторного эксперимента и технологии измерений.

Собрав установку, отрегулировав ее и показав при необходимости преподавателю, студент проводит измерения, занося их результаты на бланк отчета. В отчете должны быть приведены примеры расчета искомых величин, необходимые графики, оценки погрешностей измерений. В конце отчета формулируются выводы относительно выполнения целей работы, соответствия полученных экспериментальных результатов табличным данным или теоретическим оценкам. Окончательное оформление отчета по лабораторной работе студент может произвести в период внеаудиторной самостоятельной работы. Оформленный отчет должен быть представлен преподавателю на следующем занятии.

Лабораторная работа № 1 Определение показателей преломления жидкостей и твердых тел

Цель работы: ознакомление с методами измерения показателей преломления твердых тел и жидкостей, изучение устройства и принципа работы рефрактометра.

Приборы и принадлежности: рефрактометр Аббе, растворы сахара в воде различной концентрации, микроскоп, стеклянная пластинка, штангенциркуль, образец из оргстекла, транспортир.

Литература: [1], § 165, 185; [2], § 44 – 45; [3] , § 1, 43;

[4], § 5 – 6; [5], § 45 – 46.

В в е д е н и е

Известно, что при падении пучка света на границу раздела двух сред происходит частичное отражение и преломление лучей (рис. 1). Отражение света обусловлено тем, что входящая в диэлектрик электромагнитная волна возбуждает колебания заряженных частиц (прежде всего электронов) в атомах диэлектрика. Колебания заряженных частиц сопровождаются излучением вторичных волн. Вторичные электромагнитные волны и формируют отраженную волну.

Экспериментально установлены следующие закономерности в явлениях отражения и преломления света.

1. Лучи падающий, отраженный и преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.

2. У гол отражения β равен углу падения α (рис. 1).

Рис. 1

3. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления r не зависит от угла падения. Эта величина (n₂₁) является постоянной для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды относительно первой. Из волновой теории света следует, что относительный показатель преломления определяется отношением фазовых скоростей света в данных средах:

(1)

При этом нумерация сред производится в соответствии с направлением перехода луча света при преломлении.

Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления среды:

(2)

Здесь с – скорость света в вакууме, а v – фазовая скорость света в данной среде. Легко видеть, что относительный показатель преломления

(3)

где n₁ и n₂ - абсолютные показатели преломления для двух соприкасающихся сред. Среда, для которой абсолютный показатель преломления больше, называется оптически более плотной.

4. При отражении и преломлении частота света (ν) не изменяется. (Эта закономерность нарушается при больших интенсивностях световых пучков в экспериментах с мощными лазерами).

Заметим, что эти, экспериментально установленные закономерности, являются прямым следствием знаменитых уравнений Максвелла для электромагнитного поля.

Н а рис. 1 приведена ситуация, когда вторая среда является оптически более плотной (n₂ > n₁). В этом случае в соответствии с законом преломления угол преломления r меньше угла падения α. Если же n₂ < n₁, то угол преломления больше угла падения, и при некотором угле падения угол r становится равным (рис. 2).

Рис. 2 Рис. 3

В этих условиях, а также при всех α > α_пр преломленный луч отсутствует; имеет место полное внутреннее отражение пучка света от границы раздела сред. Это явление широко используется в оптических устройствах для изменения направления распространения световых пучков с помощью стеклянных призм. (Пример приведен на рис. 3). Вместе с тем оно лежит в основе построения линий связи, в которых информация передается с помощью света по специальному оптическому волокну.

Опыт показывает, что скорость распространения света в вакууме не зависит от его частоты ν (или длины волны λ₀). В любой же иной среде фазовая скорость света зависит от λ₀, причем эта зависимость может быть весьма сложной. Имеет место и соответствующая зависимость абсолютного показателя преломления среды от частоты световой волны. Явление получило название дисперсии света; впервые его детальное изучение провел в XVII веке И. Ньютон. Дисперсия является следствием взаимодействия электромагнитной волны, проходящей в среде, с заряженными частицами, входящими в состав атомов вещества. Вынужденные колебания этих частиц сопровождаются излучением вторичных волн, которые, складываясь с первичной волной, изменяют фазовую скорость её распространения.

Для стекла зависимость показателя преломления от длины волны в области видимого света является монотонной (рис. 4); при этом с уменьшением длины волны показатель преломления увеличивается – для фиолетовых лучей показатель преломления больше, чем для красных.

Рис. 4

Ярким примером проявления дисперсии света в стекле является опыт по разложению света в спектр при прохождении через трехгранную призму. Замечательное природное явление – радуга – является следствием того, что часть лучей солнечного света, входящих в капельку дождя, испытывает полное внутреннее отражение от задней поверхности капли, при этом на входе и выходе из капли лучи преломляются по разному, в зависимости от длины световой волны.

Явление дисперсии света находит многочисленные практические приложения. Вместе с тем, при построении оптических приборов оно создает серьёзные проблемы. Так, например, фокусное расстояние стеклянной линзы в фиолетовых лучах будет меньше, чем в красных. Отсюда исходят погрешности в изображении (аберрации), даваемые линзой. Преодоление этих погрешностей в микроскопах, зрительных трубах, телескопах и т.д. является сложной технической задачей.

Описание рефрактометра Аббе

Д ля определения показателей преломления веществ существуют различные приборы и методы. В данной работе для измерения показателей преломления жидкостей используется рефрактометр Аббе, действие которого основано на использовании явления полного внутреннего отражения. Исследуемая жидкость помещается в зазоре (около 0,1 мм) между гранями двух стеклянных прямоугольных призм (рис. 5). При измерениях используется один из двух методов: метод скользящего луча или метод полного отражения.

Рис. 5

При методе скользящего луча свет направляется через грань АВ призмы Р₁, проходит через матовую поверхность АС, через слой жидкости проникает в призму Р₂ и затем через грань ЕF выводится из призмы. В точке О на грани DE рассеянный свет падает под разными углами α₁ от 0 до 90˚. Углу падения α₁ = 90˚ (скользящий луч) соответствует предельный угол преломления r и, соответственно, наименьший угол β выхода луча из призмы Р₂. Если на пути лучей поставить собирающую линзу L, то в ее фокальной плоскости получится изображение, на котором будет видна резкая граница между светом и тенью. Положение ее будет зависеть от величины показателя преломления исследуемой жидкости.

Граница рассматривается через другую линзу (окуляр), которая совместно с L образует зрительную трубу, установленную на бесконечность. При измерениях окуляр перемещается до совпадения границы раздела света и тени с визирной линией и по шкале, видимой через окуляр, делается отсчет показателя преломления исследуемой жидкости.

При методе полного отражения свет вводится в рефрактометр через матовую грань DF призмы Р₂. Свет падает на грань DE под всевозможными углами. При углах падения α₂, больших некоторого предельного угла, возникает полное внутреннее отражение. Таким образом, и в этом случае в поле зрения трубы будет наблюдаться резкая граница между светом и тенью. Если при использовании первого способа правая часть поля зрения была темная, то во втором способе она будет иметь бόльшую освещенность. Вторым способом можно измерять показатель преломления и непрозрачных тел.

При освещении призмы рефрактометра белым светом граница раздела будет размыта и окрашена в различные цвета (в силу зависимости показателя преломления от длины волны). Чтобы получить резкое изображение границы, перед объективом зрительной трубы помещается компенсатор, состоящий из специально изготовленных призм. Настройка компенсатора на резкое изображение границы раздела производится поворотом специальной рукоятки расположенной слева от окуляра.

В оправе призм сделана камера, через которую может прокачиваться жидкость для поддержания постоянной температуры. Подача жидкости осуществляется через штуцеры.

О способе измерения показателей преломления

прозрачных твердых тел

Измерение показателя преломления стекла в данной работе производится с помощью микроскопа. Метод основан на кажущемся уменьшении толщины прозрачного слоя вследствие преломления световых лучей.

Рассмотрим поведение двух лучей, выходящих из точки А перпендикулярно грани плоскопараллельной пластинки (луч 1 на рис. 6) и под углом к ней (луч 2). При выходе из пластинки луч 2 образует угол преломления r бόльший, чем угол падения α.

Рис .6

Если смотреть в направлении, противоположном лучу 2, то мы увидим изображение точки А в точке А′, и толщина пластинки будет казаться равной ОА′. Из рисунка видно, что отношение

, (4)

где n – показатель преломления стекла. При малых углах α и r cosr cosα 1 и

. (5)

Измерив кажущуюся толщину пластинки (в данной работе это делается с помощью микроскопа) и ее действительную толщину d₀ , по формуле (5) можно определить показатель преломления стекла.