ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра физики
Крахоткин В.И., Хащенко А.А.,
Афанасьев М. А., Афанасьева В. С.
ОПТИКА
методические указания к лабораторным работам
140400.62 – Электроэнергетика и электротехника
Ставрополь
2014
УДК 535(076)
ББК 22.34я7
О 627
Рецензенты
Кандидат технических наук, доцент Никитин П. В.
Кандидат физико-математических наук, доцент Копылова О. С.
Печатается по рекомендации
методической комиссии
Электроэнергетического факультета
(протокол № 1 от 5 сентября 2014 г.)
Крахоткин В.И., Хащенко А.А., Афанасьев М. А., Афанасьева В. С.
Методические указания к выполнению лабораторных работ по оптике. Учебное
пособие для студентов аграрных высших учебных заведений. – Ставрополь, 2014.
– 35 с.
УДК 535(076)
ББК 22.34я7
© Крахоткин В.И., Хащенко А.А., Афанасьев М. А., Афанасьева В. С.
2
Содержание
Введение…………………………………………………………...…………………..4
Работа 1. Определение фокусного расстояния и оптической силы
собирающей и рассеивающей линз …………………………………...6
Работа 2. Интерференция света…….……………………………………………….9
Работа 3. Дифракция света…………………………………………………………..13
Работа 4. Дифракционная решетка…………………………………………………17
Работа 5. Изучение фотоэффекта….……………………………………………….19
Работа 6. Определение длины световой волны с помощью
дифракционной решетки……………………………………………….22
Работа 7. Проверка закона Малюса………………………………………………25
Работа 8. Определение показателя преломления раствора
сахара и его концентрации в растворе с помощью
рефрактометра ИРФ - 22………………………………………………28
Работа 9. Определение постоянной Стефана – Больцмана
и постоянной Планка…………………………………………………..31
Литература…………………………………………………………………………..35
3
ВВЕДЕНИЕ
Предлагаемый лабораторный практикум по оптике предназначен для
студентов инженерных специальностей аграрных ВУЗов и содержит разделы,
соответствующие учебной программе: геометрическая оптика, волновые свойства
света, основные понятия квантовой оптики.
В настоящее время в аграрном производстве применяются современные
технологии (“высокие технологии”). В частности, используются методы
предпосевной обработки семян
электромагнитными полями, лазерным
излучением, ультразвуковыми волнами и т. д. Это требует от специалистов, а
также от студентов, аспирантов более глубоких знаний понятий
электромагнитной волны, светового когерентного излучения. Современные
студенты аграрных вузов должны научиться применять измерительную
аппаратуру, содержащую не только традиционные “естественные” источники
света (солнечный свет, лампы накаливания, ультрафиолетовые лампы и т. д.), но
и квантовые когерентные источники света – полупроводниковые и газовые
лазеры видимого диапазона длин волн.
Лабораторные работы настоящего пособия по своему содержанию и
количеству охватывают необходимую совокупность вопросов, понятий, терминов
по оптике, которые должны быть изучены студентами. Для облегчения
самостоятельной теоретической подготовки студентов к лабораторным занятиям
описание каждой работы содержит вводную теоретическую часть,
раскрывающую суть физических явлений, изучаемых в выполняемой работе.
Материал поясняется необходимыми математическими выкладками, конечными
формулами и иллюстрируется рисунками. Изложение ведется в системе СИ.
Практическая часть лабораторных работ выполняется на основе
сформулированных заданий и указаний, какими экспериментальными
результатами они должны заканчиваться. Акцентируется внимание студентов на
их умении грамотно обрабатывать результаты опытов, т. е. определять наиболее
достоверные значения измеряемых величин и погрешности их измерений. При
этом указывается на аналитические и графические способы обработки
результатов измерений. Каждая работа знакомит студентов с соответствующими
оптическими
приборами,
например:
сахариметром,
рефрактометром,
полупроводниковым лазером, дифракционной решеткой, поляризатором света,
фотоприемником и т. д., что расширяет их практический кругозор. Для
закрепления материала к каждой работе предлагаются задачи.
В приложении к настоящему пособию также даются таблицы
необходимых единиц измерения и значений оптических физических величин,
приводится перечень рекомендуемой литературы.
В целом, данное пособие ориентировано как на усвоение студентами
требуемого программой обучения объема теоретического материала по оптике,
так и развития у них навыков самостоятельного и грамотного проведения
экспериментальных оптических измерений.
4
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра физики
ОПТИКА
методические указания к лабораторным работам
140400.62 – Электроэнергетика и электротехника
Студента 2_курса _______группы
Электроэнергетического__факультета
______________________________
5
РАБОТА 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ И ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ
СОБИРАЮЩЕЙ И РАССЕИВАЮЩЕЙ ЛИНЗ
Цель работы: определение фокусного расстояния и оптической силы
собирающей и рассеивающей линз.
Принадлежности: оптическая скамья, собирающая и рассеивающая линзы.
Контрольные вопросы.
1. Что называется тонкой линзой?
2. Общая формула линзы.
3. Запишите формулу тонкой линзы.
3. Что называется оптической силой линзы?
4. С помощью каких лучей можно построить изображение предмета в линзе?
5. Как определяется оптическая сила системы линз?
6. Аберрации линз.
Выполнение работы.
В данной работе все измерения производятся на оптической скамье, вдоль
которой скользят рейтеры с линзой, экраном и осветителем. Отсчет расстояний
между деталями оптической скамьи производится по указателям на основании
рейтеров.
Задание 1. Определение фокусного расстояния собирающей линзы.
Способ 1. Фокусное расстояние тонкой собирающей линзы можно
1 1 1
определить из формулы линзы   , измеряя на опыте расстояния d и f.
F d f
В этом случае осветитель и экран помещают на некотором расстоянии
L  4F , при котором линза, помещенная между ними, дает два четких
изображения (увеличенное и уменьшенное). Измеряя d и f в каждом случае, по
формуле линзы определяют фокусное расстояние.
Способ 2. В описанном выше способе оказывается существенным, чтобы
Э
f2
d2
S
d1
Рис.1. Схема установки.
f1
S – источник света; Э – экран.
указатель на рейтере линзы соответствовал ее середине, что трудно осуществить
на опыте. Рассмотрим способ, при котором положение указателя не сказывается
на результате измерений.
Пусть, как и в первом случае L  4F , при этом на экране можно получить
два изображения предмета (рис.1) увеличенное ( d1 ,f1 ) и уменьшенное ( d 2 ,f 2 ).
Расстояние, на которое нужно при этом сместить линзу, обозначим через .
6
Из соображений симметрии ясно, что d1  f 2 , d 2  f1 . Поскольку L  d  f ,
а расстояние между двумя положениями линзы
 d1  d 2 .
1.1
1 1
1
Тогда f  L  d и подставляя в формулу линзы, получим:
 
F d Ld
2
отсюда d  L  d  F  L  0 .
Решая
это
квадратное
уравнение,
найдем,
что
L  L2  4FL
L  L2  4FL
d1 
, d2 
.
2
2
Подставляя найденные значения d в 1.1 получим, что  L2  4FL .
Отсюда следует, что
L2  2
F
.
2.1
4L
Перемещая линзу между осветителем и экраном получите четкое
увеличенное изображение источника света. Перемещая линзу к экрану получите
четкое уменьшенное изображение источника и измерьте расстояние , на которое
смещается при этом линза.
По формуле 2.1 рассчитайте фокусное расстояние линзы. Зная фокусное
расстояние линзы определите ее оптическую силу.
Задание 2. Определение фокусного расстояния и оптической силы
рассеивающей линзы.
Если рассеивающую линзу расположить вплотную к собирающей, то
получится система линз. Оптическая сила системы линз Dсис  Dсоб  Dрас . Если
оптическая сила рассеивающей линзы по модулю меньше чем оптическая сила
собирающей линзы, то система линз будет иметь положительную оптическую
силу. Следовательно, фокусное расстояние системы линз может быть определено
способами, описанными в задании 1. Зная оптическую силу собирающей линзы и
системы линз можно найти оптическую силу и фокусное расстояние
рассеивающей линзы.
Таблица 1.
Линза
Изображение
, L,
d , f , F, D ,
F, D ,
F , D ,

1
м м м м
м м
м м
м
м1
Собираю увеличенное
щая линза
уменьшенное
Система
линз
увеличенное
уменьшенное
Рассеива
ющая
линза
7
Решить задачи.
1. Отношение радиусов кривизны поверхностей стеклянной ( n  1,5 ) выпукловогнутой линзы равно 2. При каком радиусе выпуклой поверхности оптическая
сила линзы будет равна 10 дптр?
2. Фокусное расстояние собирающей стеклянной ( n  1,5 ) линзы в воздухе равно
10 см. Чему будет равно фокусное расстояние этой линзы в воде ( n  1,33 )?
3. Расстояние между предметом и экраном равно 80 см. Линза с фокусным
расстоянием 15 см, расположенная между предметом и экраном, дает
увеличенное изображение предмета. На какое расстояние следует переместить
линзу, чтобы получить четкое уменьшенное изображение предмета?
8
РАБОТА 2
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
Цель работы: изучение интерференции света от двух источников.
Оборудование: работа выполняется на компьютере.
Контрольные вопросы.
1. Что называется интерференцией света?
2. Какие волны называются когерентными?
3. Выведите условие наблюдения максимумов и минимумов при
интерференции.
4. Каким образом на практике получают когерентные волны?
5. Рассчитайте интерференционную картину от двух источников.
6. Как изменится интерференционная картина, если в опыте Юнга щели
осветить белым светом?
Введение
Интерференция света наблюдается при наложении двух или нескольких
световых пучков. Интенсивность света в области перекрытия пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах
интенсивность света больше, а в минимумам меньше суммы интенсивностей
пучков.
Исторически
первым
интерференционным опытом, получившим объяс- нение
на основе волновой теории был опыт Юнга. В
этом опыте свет от узкой щели S падал на
экран с двумя близко расположенными
щелями S1 и S2 . В об-ласти перекрытия
пучков,
исходящих
из
этих
щелей,
наблюдалась интерференционная картина в
виде чередующихся темных и светлых полос
(см. рис 1).
Расчеты показывают, что координату интерференционного максимума
можно определить по формуле
mL
,
xm 
d
где d - расстояние между щелями,
L - расстояние от щелей до экрана,
 - длина световой волны.
Ширина интерференционной полосы x  x m1  x m будет определяться по
формуле
L
x 
,
1.2
d
т.е. зависит от длины световой волны, расстояния между источниками света и
расстояния до экрана. В данной работе проводится проверка этого выражения.
9
Выполнение работы
1. Зарисовать схему опыта.
2. По формуле 1.2 используя данные своего варианта рассчитать ширину
интерфереционной полосы для трех различных значений длин волн.
Используя математическую модель проверить полученные результаты.
Результаты расчетов и измерений занести в таблицу 1.
Таблица вариантов 1.
Номер варианта

d
1
2
2
2,2
3
2,4
4
2,6
5
2,8
6
3,0
7
3,2
8
3,4
9
3,6
10
3,8
L
3
3
3,5
3,5
4,0
4,0
4,5
4,5
5
5
700
560
400
630
500
360
700
500
450
560
450
360
630
560
360
700
560
400
630
500
360
700
500
450
560
450
360
630
560
360
№№
d
L

Таблица 1.
Ширина полосы
Теория
Эксперимент
3. Используя данные своего варанта расссчитать ширину интерференционной
полосы для трех различных значений d . Проверить расчеты на
математической модели. Результаты измерений и расчетов занести в
таблицу 2.
10
Таблица вариантов 2.
Номер варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
L
3
3
3,5
3,5
4,0
4,0
4,5
4,5
5
5

700
630
560
500
450
400
360
400
450
500
2
3
4
2,5
3,5
4
3
3,5
5
2
4
5
2
2,8
3,6
2
3
4
2,5
3,5
4
3
3,5
5
2
4
5
2
2,8
3,6
d
№№

Таблица 2.
L
d
Ширина полосы
Теория
Эксперимент
Сделать вывод.
Решить задачи.
1. В опыте Юнга расстояние между щелями равно 1 мм, а расстояние от
щелей до экрана равно 3 м. Определить положение первой светлой полосы,
если щели осветить светом с длиной волны 0,5 мкм.
11
2. Радиус четвертого темного кольца Ньютона в отраженном свете равен 2
мм. Определить радиус кривизны поверхности линзы, если длина световой
волны равна 500 нм.
3. На поверхность линзы с показателем преломления 1,5 нанесена тонкая
пленка с показателем преломления 1,3. При какой наименьшей толщине
пленки произойдет максимальное ослабление отраженных лучей с длиной
волны 0,4 мкм?
12
РАБОТА 3
ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
Цель работы: изучение дифракции Френеля на круглом отверстии.
Оборудование: работа выполняется на компьютере.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Контрольные вопросы.
Что называется дифракцией волн? При каком условии она наблюдается?
Сформулируйте принцип Гюйгенса – Френеля.
Каким образом производится разбиение волнового фронта на зоны
Френеля?
Докажите закон прямолинейного распространения света.
Выведите формулу, определяющую радиусы зон Френеля.
От чего зависит вид дифракционной картины при дифракции на круглом
ответстии? На непрозрачном диске?
Введение
В самом общем смысле под дифракцией света понимается явление отклонения света от прямолинейного распространения при прохождении вблизи
препятствий.
Опыт показывает, что если на пути параллельного светового пуч-ка
расположить круглое отверстие, то на экране, расположенном достаточно да-леко
от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередую-щихся
темных и светлых колец.
Количественная теория дифракционных явлений была разработана Френелем. В основу своей теории Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив
его идеей об интерференции вторичных волн.
Рассмотрим в качестве примера задачу о прохождении плоской
монохроматической волны от удаленного источника через небольшое круглое отверстие радиуса r в непрозрачном экране (рис. 1). Точка наблюР дения Р находится на оси симметрии на
расстоянии L от препятствия. Для
облегчени
я расчетов
Френель
Рис. 1
предложил
разбить волновую поверхность падающей волны в
месте расположения препятствия на кольцевые
зоны, так чтобы расстояния от границ соседних зон
до точки наблюдения отличались бы на половину
длины волны  . Если смотреть на волновую
поверхность из точки наблюдения Р, то границы
зон Френеля будут представлять собой концентрические окружности (рис.2).
13
В этом случае радиусы зон Френеля зависят от длины световой волны  ,
расстояния от отверстия до экрана z и определяются по формуле
1.3
r  m  z  .
Целью данной работы является проверка этой формулы.
Выполнение работы.
1. Войти в программу.
2. Кнопками изменения параметров установить значения диаметра отвер-стия
D , длину волны  согласно своему варианту.
Таблица вариантов 1.
Номер варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
D
1,2
1,2
1,4
1,4
1,6
1,6
1,8
1,8
2,0
2,0

630
400
500
360
450
560
450
400
500
360
m
1-3
1-4
1-4
1-5
1-3
1-4
1-5
1-3
1-5
2-5
3. По формуле 1.3 рассчитайте на каком расстоянии от отверстия должен быть
расположен экран, чтобы были открыты первые m зон.
4. Расчеты проверить на компьютерной модели. Результаты расчетов и
измерений занести в таблицу 1. Сделать вывод.
Таблица 1.
№№ D

m
Расстояние до экрана z
теоретическое опытное
В центре картины
5. Установить значения параметров D и z согласно вашему варианту (см
таблицу 2). По формуле 1 рассчитать сколько первых зон Френеля будет
открыто для различных длин волн. Расчеты проверить на математической
модели. Результаты расчетов и измерений занести в таблицу 2. Сделать
вывод.
14
Таблица вариантов 2.
Номер варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
D
1,0
1,2
1,4
1,4
1,4
1,6
1,6
1,6
1,8
2,0
z
40
60
50
25
35
60
50
40
60
90

700
500
360
630
450
400
700
630
500
500
400
360
630
500
400
700
500
360
630
450
400
700
630
500
500
400
360
630
500
400
Таблица 2.
№№ D
z

Число зон Френеля m
теоретическое опытное
В центре картины
Сделать вывод.
Решить задачи.
1. На щель шириной 0,05 мм нормально падает свет с длиной волны 0,7 мкм.
Определить угол отклонения лучей, соответствующих первому
дифракционному максимуму.
15
2. На диафрагму с круглым отверстием радиусом 1,4 мм падает плоская волна
   0,7 мкм  . На каком минимальном расстоянии от отверстия должен
находиться экран, что в центре дифракционной картины наблюдалось
наиболее темное пятно?
3. На щель шириной 0,1 мм нормально падает свет с длиной волны 0,6 мкм.
Экран, на котором наблюдается дифракционная картина, расположен на
расстоянии 1 м от нее. Определить расстояние между первыми
дифракционными максимумами, расположенными по обе стороны от
центрального максимума.
16
РАБОТА 4
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА
Цель работы: изучение дифракции света на дифракционной решетке.
Оборудование: работа выполняется на компьютере.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы.
Дифракция Фраунгофера на бесконечной щели.
Условия наблюдения максимумов и минимумов.
Что называется периодом дифракционной решетки?
Как изменится дифракционная картина если решетку осветить белым
светом?
Почему в центре дифракционной картины всегда наблюдается максимум?
Введение
Важное практическое значение имеет дифракция света на дифракционной
решетке. Простейшая дифракционная решетка состоит из прозрачных участков,
разделенных непрозрачными промежутками. На решетку с помощью собирающей линзы направляют параллельный пучок лучей. Дифракционная картина
наблюдается
в
фокальной
плоскости
второй
собирающей линзы, установленной за решеткой (см.
рис 1).
В каждой точке Р на экране соберутся лучи, которые до линзы были параллельны между собой и
распространялись под определенным углом  к
направлению падающей волны. Для того, чтобы в
данной точке Р наблюдался дифракционный максимум,
разность хода волн, испущенных соседними щелями,
должна быть равна целому числу длин волн, т.е.
d sin   m ,
где d - постоянная дифракционной решетки,
m - целое число.
Это выражение определяет положение главных максимумов в дифракционной картине. Для малых углов справедливо соотношение sin    и тогда
m
.
1

d
Следует иметь ввиду, что в данном случае
имеет место многолучевая ин-терференция волн,
приходящих в данную точку Р от N щелей.
Поэтому между двумя главными максимумами
будет располагаться  N  1 дополнительных
минимума,
разделенных
дополнительными
максимумами, создающими весьма слабый фон. Чем
больше щелей имеет дифракционная решетка, тем
большее количество энергии пройдет через нее, тем больше минимумов
17
образуется между главными максимумами и, следовательно, более интенсивными
и более острыми будут максимумы (см. рис. 2).
Выполнение работы
1. Установить параметры решетки N и d согласно индивидуальному
варианту. Для указанных длин волн по формуле 1 рассчитать угол  под
которым наблюдается максимум первого  m  1 порядка. Результаты
расчетов проверить на математической модели. Результаты расчетов и
измерений занести в таблицу 1.
Таблица вариантов 1.
№№
Номер варианта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
100
100
100
100
100
8
8
8
8
8
N
50
20
100
20
50
100
100
50
20
50
d
600
580
560
540
600
560
570
600
590
570

520
500
480
460
480
500
480
520
470
450
440
400
380
360
360
420
360
400
390
370
Таблица 1.
№№
Угол дифрации 
d

теоретическое опытное
2. Установить значения параметров d и  согласно индивидуальному
варианту (см таблицу вариантов 2). Изменяя число штрихов в
дифракционной картине от минимального до максимального проследить
как изменяется дифракционная картина. Сделать вывод. Зарисовать
наблюдаемые картины.
Таблица вариантов 2.
d
1
20
2
50
3
100
Номер варианта
4
5
6
7
20
50
100
20

600
560
500
460
400
Сделать вывод.
18
360
420
8
50
9
100
10
50
520
480
580
РАБОТА 5
ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА
Цель работы: построение вольт-амперной характеристики, определение работы
выхода электронов из металла и красной границы фотоэффекта.
Оборудование: работа выполняется на компьютере.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные вопросы
Что называется фотоэффектом?
Сформулируйте основные законы фотоэффекта.
Запишите формулу Планка.
Запишите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
Объясните законы фотоэффекта на основе уравнения Эйнштейна.
Введение
Явление фотоэффекта, открытое Г.Герцем в 1887 году, состоит в
вырывании электронов с поверхности металлов под
действием света. Основные законы фотоэффекта
были
установлены
А.Г.Столетовым.
Схема
экспериментальной установки приведена на рисунке
1. К электродам трубки прикладывается некоторое
напряжение U , полярность которого можно
изменять. Один из электродов трубки осве-щался
монохроматическим излучением с длиной волны  ,
и при некотором неизменном световом потоке
снималась зависимость фототока I от приложенного
напряжения U . Типичные зависимости приведены на
рисунке 2.
Анализ
полученных
вольт-амперных
характеристик
позволил
установить
основные законы фотоэффекта:
 Число электронов, вырываемых с
поверхности металла, пропорционально
интенсивности света.
 Максимальная кинетическая энергия
фотоэлектронов
прямопропорциональна частоте излучения.
 Для каждого металла существует так
называемая красная граница фотоэффекта, т.е. минимаьная частота  min при
которой еще наблюдается фотоэффект.
Теоретическое объяснение законов фотоэффекта было дано А.Эйнштейном
на основе гипотезы М.Планка о прерывистом характере излучения света.
19
Согласно М.Планку свет излучается отдельными порциями, квантами, энергия
которых пропорциональна частоте излучения, т.е.
hc
1.5
E  h  ,

где - h  6,62 1034 Дж  с постоянная Планка. Применяя к процессу поглощения
энергии атомом закон сохранения энергии А.Эйнштейн получил уравнение
mv 2m
h  A в 
,
2.5
2
которое объясняет все законы фотоэффекта.
Из уравнения Эйнштейна следует, что работа выхода электронов из
металла
mv 2m
Aв  h   
.
3.5
2
При уменьшении частоты излучения кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается и при некотором значении  min становится равной нулю и,
следовательно,
hc
.
4.5
A в  h  min 
k
Для прекращения фототока к электродам необходимо приложить некоторое
задерживающее напряжение U з . В этом случае работа электрическо-го поля идет
на торможение электронов и
mv 2m
e  Uз 
.
5.5
2
Выполнение работы.
1. Войти в программу.
2. Используя кнопки изменения параметров установить интенсивность света и
длину волны излучения.
3. Изменяя напряжение на электродах записать значения анодного тока и
построить вольт-амперную характеристику.
4. Опыт повторить при другой длине волны.
5. По формуле 1.5 определить энергию падающего фотона.
6. Определив по графику задерживающее напряжение U з найти кинетическую энергию фотоэлектронов по формуле 5.5.
7. По формуле 3.5 определить работу выхода электронов из металла.
8. Зная работу выхода электронов из металла по формуле 4.5 определить
красную границу фотоэффекта  k .
9. Расчет проверить на компьютере. Сравнить полученные результаты.
20
Таблица вариантов
Р
1
0,4
2
0,5
3
0,6
Номер варианта
4
5
6
7
0,7
0,8
0,9
1,0

400
420
440
500
520
540
560
450
460
550
580
560
520
400
420
440
400
550
560
410
U
3,0
2,5
2,0
1,5
1.0
0,5
I
Вольт-амперная характеристика.
Расчеты.
Сделать вывод.
21
0
8
0,9
9
0,8
10
0,7
Таблица 2
-0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0
РАБОТА 6.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ
ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ
Цель работы: изучение явления дифракции и определение длины световой
волны.
Принадлежности: Дифракционная решетка, лазер, оптическая скамья.
Контрольные вопросы
1. Принцип Гюйгенса – Френеля.
2. Дифракция света.
3. Вывод условия наблюдения максимумов и минимумов при дифракции от
одной щели.
4. Докажите закон прямолинейного распространения света.
Введение
В данной работе лазерное излучение падает на дифракционную решетку
( d  0,02 мм ). Дифракционная картина наблюдается на экране, удаленном от
решетки на расстояние равное L . Расстояние L подбирается так, чтобы
выполнялось условие приближения дифракции Фраунгофера.
На экране наблюдается ряд дифракционных максимумов в виде пятен,
убывающих по интенсивности от центра к периферии. Дифракционный угол m
определяет расстояние x m между центральным (нулевым) максимумом и
x
m  ным максимумом. Для малых углов выполняется условие sin     m и
L
тогда из формулы дифракционной решетки d  sin   m  можно получить, что

xm  d
.
mL
1.6
Ширину дифракционного максимума X 0 можно оценить с помощью
X
L
формулы 0 
, где N - число щелей дифракционной решетки. Отсюда
2 Nd
N
22
2  L
.
X0  d
2.6
Выполнение работы.
Закрепить на экране лист чистой бумаги.
Измерить расстояние L от дифракционной решетки до экрана.
Включить лазер.
На листе бумаги зарисовать пятна дифракционных максимумов.
Измерить расстояние между центральным максимумом и максимумами
1, 2, 3, 4 – порядков. Рассчитать длину световой волны. Сравнить
полученный результат с теоретическим значением.
5. Измерить ширину центрального максимума и определите число щелей
дифракционной решетки. Результаты измерений и расчетов занести в
таблицу.
1.
2.
3.
4.
Таблица 1.
Порядок, m
Вправо
xm
Влево

xm
1.
2.
3.
4.
Сделать вывод.
23

Решить задачи.
1. На дифракционную решетку падает нормально белый свет. Постоянная
дифракционной решетки равна 2 мкм. Определить наибольший порядок
дифракционного максимума для красного    0,7мкм  и фиолетового
   0,41мкм  света.
2. На дифракционную решетку падает белый свет. На какую длину волны в
спектре третьего порядка накладывается красная    670 нм  линия в
спектре второго порядка?
3. Дифракционная решетка отклоняет спектр третьего порядка на угол 30 .
На какой угол она отклонит спектр четвертого порядка?
24
РАБОТА 7
ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА
Цель работы: изучение явления поляризации света и проверка закона
Малюса.
Оборудование: оптическая скамья, полупроводниковый лазер, поляризатор
и анализатор, фотоприемное устройство с измерителем мощности лазерного
излучения.
Контрольные вопросы.
1. Что называется естественным светом?
2. Какой свет называется поляризованным?
3. Поляризация света при отражении. Закон Брюстера.
4. Двойное лучепреломление. Дихроизм. Николь.
5. Закон Малюса.
Выполнение работы
Общая оптическая схема установки представлена на рисунке 1 и включает:
1 – полупроводниковый лазер, 2 – поляризатор, 3 – анализатор, закрепленный во
вращающейся
оправе
с
1
2
3
4
измерительным лимбом угла
поворота, 4 - фотоприемное
устройство с измерителем
1. Схема установки
мощности
лазерного
излучения.
Включить установку. Вращая анализатор, снимите зависимость показаний
измерителя мощности излучения от угла поворота  анализатора. Результаты
измерений занести в таблицу 1.
Таблица 1.

0
10
20
30
40
I1
I2
I3
I4
I
I Im
cos2 
25
50
60
70
80
90
Постройте график зависимости
I
 f  cos 2  .
Im
Расчеты.
Сделайте вывод.
26
Решить задачи.
1. Два николя расположены так, что угол между их главными плоскостями
составляет 60 . Определить во сколько раз уменьшится интенсивность
естественного света при прохождении через оба николя. Коэффициент
поглощения света в николе равен 0,05.
2. Угол преломления света в жидкости равен 35 . Определить показатель
преломления жидкости, если известно, что отраженный луч максимально
поляризован.
3. Угол между главными плоскостями николей равен 50 . Естественный свет,
проходя через такую систему, ослабляется в 4 раза.
Определить
коэффициент поглощения света в николях.
27
РАБОТА 8
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ РАСТВОРА САХАРА И
ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ В РАСТВОРЕ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА
ИРФ - 22
Цель работы: изучение зависимости показателя преломления раствора
сахара от его концентрации.
Принадлежности: рефрактометр ИРФ – 22, набор растворов различной
концентрации.
Контрольные вопросы
1. Законы отражения света.
2. Законы преломления света. Показатель преломления.
3. Полное отражение. Предельный угол полного отражения.
4. Ход лучей в треугольной призме. Световоды.
Выполнение работы
Рефрактометр используется для быстрого
преломления жидкостей, взятых в небольших
преломления которых лежит в пределах 1,3 – 1,7.
определения
количествах,
показателя
показатель
Оптическая схема интерферометра приведена на рисунке 1.
9
8
1
2
4
5
6
7
3
Рис. 1. Ход лучей в рефрактометре. 1- зеркало; 2 – осветительная призма;
3 – измерительная призма; 4 – защитное стекло; 5 – компенсатор
дисперсии; 6 – объектив; 7 – призма полного отражения; 8 – пластинка с
перекрестьем; 9 – окуляр.
Свет, отразившись от зеркала 1, проходит осветительную призму 2, тонкий
слой жидкости и измерительную призму 3. Затем через защитное стекло 4 и
компенсатор дисперсии 5 попадает в объектив 6, проходит через призму полного
отражения 7, пластинку с перекрестьем 8 и через окуляр зрительной трубы 9
попадает в глаз наблюдателя. Шкала прибора освещается с помощью зеркала и
проецируется системой призм в фокальной плоскости окуляра, так, что в поле
зрения одновременно видны граница света и тени, перекрестье и шкала. Для
нахождения границы раздела света и тени и совмещения ее с перекрестьем
измерительную головку можно вращать вокруг горизонтальной оси с помощью
винта, находящегося на лицевой панели прибора.
28
1. Расположить осветитель так, чтобы свет падал на зеркало подсветки
шкалы и на грань осветительной призмы. Вращая окуляр, фокусируют шкалу и
визирное перекрестье.
2. Отвести вверх верхнюю часть измерительной головки с осветительной
призмой и нанести на полированную грань измерительной призмы 2 – 3 капли
дистиллированной воды. После этого ставят осветительную призму на место.
Исследуемая жидкость должна занимать весь зазор между гранями призм.
3. Вращая ручку поворота измерительной головки, добиваются появления в
поле зрения границы светлого и темного полей. Окраска границы раздела
устраняется компенсатором.
4. Совместить границу раздела с перекрестьем и записать соответствующие
этой наводке отсчеты по шкале концентраций и показателя преломления.
5. Затем производят измерения концентрации и показателя преломления
всех растворов известной концентрации и построить график зависимости
показателя преломления от концентрации сахара.
6. Определить показатель преломления раствора неизвестной концентрации
и по графику определить его концентрацию.
Расчеты.
29
Решить задачи.
1. Луч света выходит из скипидара в воздух. Предельный угол полного
отражения для этого луча равен 42,5 . Определить показатель
преломления скипидара.
2. Человек с лодки рассматривает предмет, лежащий на дне водоема.
Определить его глубину, если при определении «на глаз» по
вертикальному направлению глубина водоема кажется равной 1,5 м.
3. Предельный угол полного отражения на границе стекло – жидкость равен
65 . Определить показатель преломления жидкости, если показатель
преломления стекла равен 1,5.
30
РАБОТА 9
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА И
ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА
Цель работы: знакомство с оптическими методами измерения температуры
и определение постоянной Стефана – Больцмана и постоянной Планка.
Принадлежности: пирометр с исчезающей нитью, источник тока, лампа
накаливания, регулятор напряжения однофазный.
Контрольные вопросы
1. Что называется тепловым излучением? Его свойства.
2. Что называется потоком излучения?
3. Что такое энергетическая светимость?
4. Что такое абсолютно черное тело?
5. Правило Прево. Закон Кирхгофа.
6. Закон Стефана – Больцмана.
7. Закон смещения Вина.
8. Формула Планка.
9. Оптическая пирометрия.
Введение
В настоящей работе определяется яркостная температура. Для этой цели
используется пирометр с исчезающей нитью. Принципиальная схема прибора
изображена на рисунке 1. С помощью объектива 5 изображение светящейся
поверхности исследуемого тела совмещается с плоскостью нити накала
фотометрической лампы 4. Нить и изображение тела рассматриваются через
окуляр 1 и светофильтр 3, пропускающий свет с длиной волны  0 = 660 нм.
Яркость нити можно регулировать путем изменения идущего по ней тока с
помощью реостата, рачка которого
5
4
3
2
1
выведена в виде кольца 2 вокруг
окуляра.
При измерениях ток через
нить подбирается так, чтобы она не
была видно на фоне поверхности
исследуемого тела, т.е. чтобы
спектральные
плотности
излучательности
нити
и
А
исследуемого тела были равны для
К
монохроматического света с длиной
Рис. 1. Принципиальная схема пирометра: 1- окуляр, волны  .
0
2- кольцо реостата, 3 – светофильтр, 4 –
фотометрическая лампа, 5 – объектив.
Шкала амперметра пирометра
предварительно градуируется по излучению абсолютно черного тела. Поэтому с
помощью такого пирометра можно определить яркостную температуру тела.
31
Если излучение происходит в среде, температура которой T0 , то поток
энергии, излучаемой телом в единицу времени вследствие излучения, будет равен


P1      S  T 4  T04 ,
1.9
где Т – температура тела, S – площадь его поверхности.
В качестве теплового излучателя в данной работе берется вольфрамовая
нить лампочки накаливания, нагреваемая электрическим током. Для поддержания
температуры нити постоянной к ней подводится мощность P  U  I . Часть этой
мощности отводится в виде тепла, вследствие теплопроводности среды, а
остальная компенсирует излучаемую мощность. И поэтому мы можем записать
P2    U  I ,
2.9
где  - коэффициент, учитывающий потери энергии на теплопроводность.
Приравнивая правые части выражений 1.9 и 2.9 можно получить:
  U  I      S  T 4  T04  ,
3 .9
где U – напряжение на лампе, I – сила тока в ней, Т – температура нити,
измеренная пирометром (яркостная температура).
В данной задаче, как показывает опыт, можно считать, что    и тогда из
выражения 3.9 можно найти

UI
,
S  T 4  T04 
4.9
где Т – яркостная температура,
Т 0 - комнатная температура,
S – площадь нити накаливания лампы,
U и I – напряжение на лампе и сила тока в ней.
Зная постоянную Стефана – Больцмана  и постоянную Больцмана k
можно определить постоянную Планка
h  k3
где c  3 108
22  k
,
15c2  
м
- скорость света в вакууме,
с
k  1,38 1023 Дж К - постоянная Больцмана.
Выполнение работы.
Включить установку в сеть и подать на лампу напряжение 60 – 80 В.
32
5.9
Сфокусировать изображение нити накала фотометрической лампы.
Убедиться в том, что изображение нити фотометрической лампы накладывается
на изображение нити накаливания исследуемой лампы.
Нажав кнопку К и вращая кольцо пирометра подобрать ток в
фотометрической лампе так, чтобы ее изображение исчезало бы на фоне нити
исследуемой лампы.
По шкале пирометра определить яркостную температуру нити накаливания
лампы. Результаты измерений занести в таблицу 1.
Изменив напряжение на лампе, повторяют измерения не менее трех раз.
Таблица 1.
2
U, B
I, A
h, Дж  с
№ Т0 , К
Т, К
Вт
S, м
, 2 4
м К
№
м2
1.
2.
3.
1. По формуле 4.9 рассчитать постоянную Стефана – Больцмана, а затем по
формуле 5.9 постоянную Планка.
2. Найти среднее значение постоянной Стефана – Больцмана и постоянной
Планка. Рассчитать погрешность измерения.
33
Решить задачи.
1. Длина волны, на которую приходится максимум энергетической
светимости абсолютно черного тела, равна 0,58 мкм. Определить
энергетическую светимость тела.
2. Поток излучения абсолютно черного тела равен 10 кВт, максимум
спектральной плотности энергетической светимости приходится на длину
волны равную 0,8 мкм. Определить площадь излучающей поверхности.
3. Определить коэффициент серости тела, для которого температура,
измеренная радиационным пирометром равна 1400 К, тогда как истинная
температура тела равна 3200 К.
34
Литература
1. ЭБС «Университетская библиотека ONLINE»:
Пронин, Б. В. Физика:
учебник. - М.: Издательство РГАУ-МСХА, 2012. – 445 с.
2. ЭБС «Университетская библиотека ONLINE»:
Никеров, В. А. Физика.
Современный курс: учебник. - М.: Дашков и Ко, 2012. – 452 с.
3. ЭБС «Университетская библиотека ONLINE»: Курбачев, Ю. Ф. Физика:
учеб. пособие. - М.: Евразийский открытый институт, 2011. – 216 с.
4. Трофимова, Т.И. Физика: учебник для студентов вузов по техн. направлениям
подготовки /Т.И. Трофимова. - М.: Академия, 2012. – 320 с.
5. Трофимова, Т.И. Курс физики. Задачи и решения: учеб. пособие для
студентов вузов по техн. направлениям и специальностям /Т.И. Трофимова, А.В.
Фирсов. – 4-е изд., испр. – М.: Академия, 2011. – 592 с. [и предыдущие издания]
6. Стародубцева, Г. П. Оптика и строение атома : учеб. пособие для студентов
вузов по направлению 110300 - "Агроинженерия" / Г. П. Стародубцева, В. И.
Крахоткин ; СтГАУ. - Ставрополь : АГРУС, 2007. - 172 с. - (Гр. МСХ РФ).
35