Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского и водного хозяйства Республики Узбекистан

Ташкентский институт ирригации и мелиорации

Кафедра физики и химии

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

Сборник лабораторных работ по физике (оптика)

Ташкент - 2007

Данное методическое пособие рассмотрено на собрании научно-методического совета института от 13 июня 2007 года и рекомендовано к публикации.

В предлагаемом методическом пособии приведены описания 22 лабораторных работ по оптике, где освещены практические обосновании теорий физических явлений и законов, изучаемых в вышеуказанном разделе курса физики. Методическое пособие предназначается для студентов, обучающихся по линии бакалавриата.

Составители: Каримов Зокиржон Шукурович, д.х.н., профессор.

Илхамджанов Нигмат Акилджанович, к.ф.-м.н., доцент

Ахмеджанов Гулом, к.т.н., доцент

Бахронов Хаёт Нурович, к.х.н., ст. преподаватель.

Бекназарова Замира Формановна, ассистент

Рецензенты:

К. Абдурахмонов, Ташкентский университет информации и технологии, профессор кафедры «Физика».

М.М. Хафизов, профессор кафедры «Физика и химия» ТИИМ.

Ташкентский институт ирригации и мелиорации - 2007 г.



СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Лабораторная работа №1. Определение углового увеличения и поля зрения зрительной трубы

Лабораторная работа №2. Определение показателя преломления стекло при помощи микроскопа

Лабораторная работа №3. Определение показателя преломления жидкостей при помощи рефрактометра

Лабораторная работа №4. Определение показателя преломления призмы при помощи гониометра

Лабораторная работа №5. Определение фокусного расстояния выпуклой и вогнутой линзы по способу Бесселя

Лабораторная работа №6. Изучение законов фотометрии

Лабораторная работа №7. Определение ускорения силы тяжести методом качания кольца

Лабораторная работа №8. Определение коэффициента поглощения света водой с помощью фотоэлемента

Лабораторная работа №9. Определение концентрации растворов кoлopиметрическим методом

Лабораторная работа №10. Измерения длины волны света с помощью дифракционной решетки

Лабораторная работа №11. Измерение длины волны света с помощью отражательной дифракционной решетки

Лабораторная работа №12. Проверка закономерностей вращения плоскости поляризации с помощью сахарного раствора.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ЛИТЕРАТУРА



ПРЕДИСЛОВИЕ

Общий курс физики в вузе закладывает основы теоретической подготовки будущих инженеров. Изучение курса включает и лабораторный практикум по разделу «Геометрическая и физическая оптика». Выполнение лабораторных работ помогает студентам приобрести навыки в использовании измерительных приборов, глубже изучить те или иные физические явления.

Для оказания помощи студентам в подготовке к выполнению лабораторных работ были составлены настоящее методическое пособие, которое включают краткое теоретическое введение, методику выполнения работ, описание экспериментальной установки, таблица результатов и контрольные вопросы для самопроверки.



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Определение углового увеличения и поля зрения зрительной трубы

Цель работы: Ознакомление с оптическими системами, определение углового увеличения зрительной трубы.

Приборы и принадлежности: 1. Зрительная труба на штативе.

2. Вертикальная рейка с делениями (линейка).

Теоретическое введение

Угол зрения. Разрешающая способность глаза

Органом нашего зрения является глаз. Он представляет собой оптическую систему аналогичную линзе с оптической силой около 58,5 диоптрий (F=17,2 мм). Глаз должен одинаково хорошо видеть предметы, расположенные на разных расстояниях от него. Как бы не менялось расстояние d от предмета до глаза, на сетчатке должно получиться четкое изображение. Согласно формуле линзы это возможно лишь в том случае, если одновременно меняется фокусное расстояние F оптической системы.

(1)

Изменение оптической силы глаза D и его фокусного раcстояния проиcходит за счет изменения радиусов кривизны поверхности () хрусталика. Это явление называется аккомодацией. Величина изображения предмета на сетчатке определяется исключительно углом зрения с вершиной в оптическом центре глаза и с лучами, направленными на крайние точки предмета (рис. 1).

Рис. 1. Изображение предмета на сетчатке глаза

Угол зрения можно увеличить, приблизив предмет к глазу. Однако при этом усиливается напряжение цилиарной мышцы, и глаз устает. Особенно трудна аккомодация глаза, при котором угол зрения оказывается максимальным и глаз не устает.

Разрешающая способность глаза оценивается по минимальному углу зрения , под которым при хорошем освещении две точки видны отдельно.

Простейшим прибором, позволяющим увеличить угол зрения, является лупа короткофокусная линза, которую помещают между предметом и глазом так, как это показано на рис. 2.

С помощью невооруженного глаза мы рассматриваем небольшой предмет АВ=h, помещенный на расстоянии наилучшего зрения d=25 см, под углом зрения , тангенс которого . Если этот же предмет поместить вблизи фокуса лупы, то глаз будет его воспринимать под углом зрения , который определяется из условия , где F - фокусное расстояние линзы. В результате изображение авто предмета на сетчатке глаза вооруженного лупой окажется больше изображения, которое возникает на сетчатке невооруженного глаза. Нам будет казаться, что мы видим не маленький предмет , а большой .

Угловым увеличением лупы называется отношение тангенса угла , под которым предмет виден в лупу, к тангенсу угла под которым предмет виден невооруженным глазом на расстоянии наилучшего зрения. Но , а следовательно.

(2)

На практике применяются лупы, с фокусными расстояниями от 10 до I см. Это позволяет получить увеличения от 2,5 до 25 раз.

Для увеличения угла зрения при рассмотрении удаленных предметов применяются зрительные трубы. Зрительная труба представляет собой обычно телескопическую систему, у которой задний фокус объектива совмещается с передним фокусом окуляра.

Рассмотрим один из примеров телескопа, зрительную трубу Кеплера, которая представляет собой систему, состоящую в простейшем виде из двух линз L₁ и L₂ (рис. З.).



Рис. 3. Ход лучей в зрительной трубе

Линза , обращенная к наблюдаемому объекту, называется объективом. Она создает действительное уменьшенное обратное изображение А₁В₁, предмета АВ.

Это изображение является предметом по отношению к 2-ой линзе , которая называется окуляром и которая, действуя, как лупа дает мнимое увеличенное изображение по отношению к .

Для характеристики углового увеличения даваемого зрительной трубой, используется величина, называемая углом зрения (смотрите рассуждения выше). Углом зрения называется угол, под которым виден глазу, находящемуся в точке О, предмет или изображение предмета перпендикулярной оси ОХ (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Угол зрения , под которым виден глазу предмет

Отношение тангенса угла зрения, под которым видно изображение в трубу, к тангенсу угла зрения под которым виден предмет невооруженным глазом, называется угловым увеличением системы, т.е.

(3)

Спроецируем изображение l на плоскость предмета, при помощи центральной проекции с центром в точке 0, т.е. так, чтобы все точки изображения переместились вдоль лучей, соединяющих их с глазом наблюдателя. Спроецированное таким образом изображение, займет положение l .

Очевидно, что угол зрения, под которым видна эта проекция, есть , а её расстояние от глаза есть .

В этом случае

(4)

Если предмет представляет собой шкалу, длина одного деления у которой l_o, то спроецировав её изображение на ту же шкалу, получим изображение, длина деления которого будет l, причем l > l_o.

Если теперь выбрать такой отрезок шкалы, чтобы на нем разместилось W делений предмета и делений изображения, причем W> , получим тогда



(5)

Поле зрения оптической системы - часть пространства (или плоскости) изображаемая этой системой.

Величина поля зрения измеряется углом , под которым видны крайние точки видимой части предмета из центра входного зрачка (угловое поле), либо линейными размерами этой части предмета (линейное поле).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Поле зрения предмета

РР - входная зрачка;

А - центр входного зрачка;

- угловое поле зрения.

Описание установки

При нахождении увеличения зрительной трубы опытным путем, сравнивают величину предмета видимого невооруженным глазом, с величиной предмета, видимого в трубу.

Направляя ось зрительной трубы на шкалу и, передвигая окуляр, добиваются отчетливой видимости каких-либо делений шкалы. Затем смотрят правым глазом в трубу, фиксируя число увеличенных и одновременно число не увеличенных делений видимых невооруженным глазом (рис. 6).

Далее подсчитывают, сколько на одном в том же участке находится увеличенных и не увеличенных делений. Чем больше участок, на котором подсчитывается количества делений, тем точнее результат.

Пусть на одном и том же участке находится N увеличенных и не увеличенных делений. Если через и обозначены видимые величины одного деления для вооруженного и не вооруженного глаза, то можем написать:

,

Отсюда: (6)

Отношение двух видимых величин одного деления шкалы для вооруженного и невооруженного глаза есть увеличение зрительной трубы. Тогда можно написать формулу:

(7)

Находя из опыта N и n по формуле (7), вычисляет увеличение зрительной трубы и при этом, как было указано, чем больше , тем точнее результат.

Порядок выполнения работы

Фокусировка прибора, т.е. установка его на ясное видение изображения производится изменением расстояния между объективом в окуляре трубы, при помощи кремальеры, которая состоит из укрепленного на неподвижной части прибора зубчатого колеса, которое при вращении передвигает подвижную часть при помощи установленной на ней зубчатой рейки. В других конструкциях зрительной трубы фокусировка изображения производится при помощи специального винта, перемещающего окуляр.

1. Направить ось зрительной трубы на шкалу, перемещая окуляр добиться отчетливой видимости делений шкалы.

2. Смотреть правым глазом в трубу, а левым глазом мимо трубы на шкалу, и добиться одновременной видимости увеличенных и не увеличенных делений шкалы.

3. Незначительным изменением направления оси зрительной трубы добиться того, чтобы увеличенные и не увеличенные деления шкалы были расположены рядом.

4. Сосчитать сколько не увеличенных делений находится против одного, двух, трех я т.д. увеличенных делений.

5. По формуле (7) вычислить увеличение зрительной трубы при различных значениях (n= 1,2,3 …).

6. Результаты наблюдений и вычислений занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ опыта	ni	Ni
1
2
3

n - число увеличенных делений шкалы;

N_i - число не увеличенных делений шкалы;

- увеличение зрительной трубы при различных значениях;

- наиболее точное значение увеличения зрительной трубы, полученное при наибольшем значении.

Контрольные вопросы

1. Что называется угловым увеличением зрительной трубы и от чего оно зависит?

2. Какой расчетной формулой пользуются при опытном определении увеличения зрительной трубы?

3. Почему результат получается более точный при больших значениях числа увеличенных делений.



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Определение показателя преломления стекла при Помощи микроскопа

Цель работы: Определение показателя преломления стекла

Приборы и принадлежности:

1. Микроскоп

2. Стеклянная пластинка с двумя царапинами на противоположных гранях

3. Микрометр

Теоретическое введение

При переходе света из одной среды в другую возникают отраженный и преломленный лучи. Управляющие этими явлениями законы для оптики удобно формулировать, пользуясь понятием луча - нормали к волновой поверхности. Эти законы, известные еще из курса физики средней школы, таковы:

1. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности раздела, восстановленный к точке падения луча, лежат в одной плоскости, называемой плоскостью падения.

2. Угол падения равен углу отражения i₁. Эти углы расположены по разные стороны перпендикуляра

3. Луч падающий, преломленный и перпендикуляр к поверхности раздела, восстановленный к точке падения луча, лежат в одной плоскости - плоскости падения.

4. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления i^? (эти углы лежат по разные стороны перпендикуляра см. рис.1.) равно отношению скоростей волны в обеих средах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Ход лучей при переходе из одной среды в другую

Величина называется относительным показателем преломления среды.

Выбрав некоторую стандартную среду (в оптике - вакуум, характеризующийся наибольшей скоростью распространения света С) и введя величину абсолютного показателя преломления , можно записать закон преломления в удобном для запоминания виде:

n₁ sin i =n₂ sin i? или ,

где i и i? угол падения и преломления.

В настоящей работе опытным путем можно найти показатель преломления стекла по отношению к воздуху. Показатель преломления стекла, мы будем определять на основании кажущегося изменения толщины стеклянной пластинки, вследствие преломления света. Допустим, что на нижней грани стеклянной пластинки из точки А (рис. 2) идет очень узкий пучок лучей света, ось которого АО, как перпендикулярная к граням не изменяет своего направления при переходе из стекла в воздух. Все же остальные лучи пучка преломляются и отклоняются от перпендикуляра.

Если наблюдатель смотрит в точку А так, что зрачок его глаза попадает на осевой луч АО, то вместе с этим лучем в зрачок его глаза попадут соседние с ним лучи АВС и АВ₁С₁.

Эти лучи должны составлять очень малый угол с осевым лучем OА, так как площадь зрачка очень мала.

Согласно законам преломления лучи АВ и АВ_I испытывают преломление, как указано на рис. 2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Ход лучей при прохождении через стеклянную пластинку

Расстояние АO или Н является действительной толщиной пластинки, а расстояние A_IO кажущейся толщиной (h).

Показатель преломления стекла относительно воздуха равен

Так как i и i? очень малы, то можем синусы заменить тангенсами.

Из треугольников AОВ находим

или



Согласно закону преломления света, запишем:

Этой формулой и пользуются для определения показателя преломления стекла в данной работе.

Описание аппаратуры и метода измерений

Прибором для измерения толщины пластинки служит микрометр. Измерение толщины Н пластинки нужно произвести 10 раз, ограничиваясь той её частью, где нанесены штрихи. Результаты измерения величины Н заносятся в таблицу.

Прибором для точного измерения расстояния между положениями изображений верхнего и нижнего штриха служит измерительный микроскоп. При подготовке его выдвигают окуляр "Ок" так, чтобы движение 160 пришлось в уровень с краем остальной части микроскопа. В некоторых измерительных микроскопах такая установка уже произведена и закреплена наглухо.

Рис. 3. Общий вид микроскопа

Затем производят следующие «операции»:



1. Установка поля зрения

Поставив перед зеркалом L электрическую лампочку, поворачивают зеркало и лампу так, чтобы, глядя в окуляр, получить освещенность поля зрения сильной и равномерной. Если имеется конденсатор К, то регулируют его положение: специальным винтом.

2. Установка предмета

На столик S кладется стеклянная пластинка с крестообразно нанесенными на её верхней и нижней стороне двумя штрихами. Зажав пластинку двумя пружинящими держателями, опускают тубус винтом Р почти до соприкосновения с пластинкой и перемещают её так, чтобы место пересечения штрихов пришлось возможно точнее против центра объектива ОВ.

3. Фокусировка изображения 1предмета

Общий прием фокусировки заключается в следующем. Головку фокусированного винта вращают до тех пор, пока изображение, ставшее максимально резким не станет заметно ухудшаться. Тогда вращением винта в обратную сторону достигают прежней резкости изображения.

В данной работе нужно фокусировать край штриха, т.е. какую-нибудь мелкую деталь края царапины на стекле. Если фокусировать её середину, лежащую глубже, то ошибка в определении кажущегося поднятия изображения может достигнуть десятка микронов.

Порядок выполнения работы

1. Прежде всего, поворачивают микровинт М в сторону увеличения числа делений, замечают, что тубус при этом поднимается. После этого, подняв тубус винтом грубой наводки Р примерно на I см от пластинки, вывертывает микровинт до отказа так, чтобы при последующих измерениях путем вращения его в обратную сторону он мог бы поднять тубус соответственно максимально возможному числу оборотов (обычно 20-24). Тогда можно поручиться, что свободной длины микровинта хватит на фокусировку, нижнего и верхнего штриха, не прибегая к помощи винта грубой наводки Р.

2. Далее, пользуясь винтом Р, убеждаются, что в поле зрения последовательно появляются изображения сперва нижнего, потом верхнего штриха, что будет иметь место, если видимая точка пересечения штрихов была установлена достаточно точно под центром объектива. Если это условие не соблюдено, то улучшают центрировку штрихов приемом, указанным выше. Получив поочередно оба изображения, слегка перемещают пластинку, чтобы место пересечения штрихов пришлось посредине поля зрения.

3. Получив с помощью винта Р наиболее резкое изображение нижнего штриха, слегка опускают тубус тем же винтом. Тогда, если поднимать тубус микровинтом, то, как указывалось, запаса свободных оборотов последнего хватит для фокусировки изображения не только нижнего штриха, но и верхнего.

4. Сфокусировав нижний штрих микровинтом М, делают отсчет. При этом если против указателя на головке М стоит число делений n', в таблицу записывают Q-h' делений, где Q - общее число делений на головке, обычно равное 50. Далее, поворачивают головку микровинта в сторону увеличения числа делений до первого совпадения указателя с 50-м или то же самое с нулевым делением. Число полных оборотов головки М при этом равно нулю. Продолжая поворачивать головку в ту же сторону, следят за числом m его полных оборотов, заглядывая в окуляр, чтобы убедиться, не появилось ли изображение верхнего штриха в поле зрения. Когда это изображение появится и будет наведено в максимальную резкость, записывают и таблице целое число m полных оборотов головки М и число делений от последнего перехода через нуль до положения максимальной резкости изображения верхнего штриха пластинки производят 10 раз.

5. По формуле N = (Q-n?)+mQ+n?? находится число делений.

N - соответствующее кажущейся толщине пластинки. Цена деления головки микровинта (указывается на приборе и обычно =0,002 мм) показывает, сколько смещается тубус по вертикали при повороте на I деление. Тогда кажущаяся толщина пластинки будет:

6. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

7. Рассчитать относительную, абсолютную ошибки и окончательный результат:

n = (n_cp ± Дh)

Таблица

№	Толщина пластинке	Смещение тубуса	Кажущаяся толщина
		Нижний штрих	Верхний штрих
	H	Hcp	ДH	Q-n'	m	n”	N	h	hcp	Дh
1
2
3

Контрольные вопросы

1. Что называется показателем преломления?

2. Какое различие между абсолютным и относительным показателями преломления?

3. Какой физический смысл имеет показатель преломления по волновой теории?

4. Доказать, что показатель преломления равен отношению действительной толщины пластинки и кажущейся при перпендикулярном к пластине луче зрения.



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

Определение показателя преломления жидкостей при помощи рефрактометра

Цель работы: Определения показателей преломления жидкостей различной концентрации

Приборы и принадлежности:

1. Рефрактометр ИР5-22

2. Раствор сахара с различными концентрациями и оплавленная стеклянная палочка к ним

3. Дистиллированная вода в колбе

4. Чистые тряпочки

Теоретическое введение

При переходе света из одной среды в другую возникают отраженные и преломленные лучи (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Прохождение луча из одной среды в другую

Запишем закон преломления в виде



(1)

где n₁ > n₂ абсолютные показатели преломления первой и второй среды

i - угол падения;

i' -угол преломления.

Из (I) видно, что при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, луч удаляется от нормали к поверхности (рис. 1). Увеличение угла падения i сопровождается более быстрым ростом угла преломления i' и по достижении углом значения предельного угла:

i_пред = аrcsin (2)

Угол, определяемый формулой (2) называется предельным углом.

Если свет падает на границу двух сред под углом большим i_пред происходит полное внутреннее отражение (рис. 2)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Полное отражение

Явление в целом получил название полного внутреннего отражения света. Оно имеет место только при падении света на границу раздела из среды с большим показателем преломления, или, как говорят, оптически более плотной.

Следует учесть, что энергия падающего луча распределяется между отраженным и преломленным лучами. При увеличении угла падения интенсивность отраженного луча растет, интенсивность преломленного луча убывает, обращаясь в нуль при предельном угле. При углах падения, заключенных в пределах от i_пред до , световая волна проникает во вторую среду на расстояние порядка длины волны и затем возвращается в первую среду. Это явление и называется полным внутренним отражением,

Описание установки

Рефрактометром называется прибор для измерения показателя преломления твердых, жидких и газообразных тел. Все измерения на приборе проводят при белом свете. Показатель преломления прозрачных жидкостей определяют в проходящем свете. Несколько капель исследуемой жидкости помещают между двумя гранями призм I и II (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид рефрактометра

Призмы изготовлены из тяжелого стекла (флинт), показатель преломления которого больше 1,70. Грань АВ верхней осветительной призмы матовая и служит для освещения рассеянным светом жидкости, нанесенной тонким слоем в узкий зазор между призмами. Свет, рассеянный матовой гранью верхней призмы, проходит плоскопараллельный слой исследуемой жидкости и падает на диагональную грань нижней призмы (3) под различными углами, в пределах от 0° до 90°.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Определение показателя преломления прозрачных жидкостей в проходящем свете

Пучок света, угол падения которого равен 90°, называется скользящим пучком. Так как показатель преломления призмы больше чем показатель преломления жидкости, скользящий световой пучок RS, преломляясь на границе жидкость-стекло пойдет в нижней призме под предельным углом преломления MST. Преломление светового пучка RS в точке О подчинено закону

(3)

где: n_ж - показатель преломления исследуемой жидкости;

n_cт - показатель преломления стекла, из которого сделаны призмы;

r - угол преломления в нижней призме.

В точке Т где выходит световой пучок из призмы имеем:

(4)



где: r' - угол падения пучка в точке Т на грань призмы АС;

i - предельный угол выхода пучка света из призмы.

Пучок света ТЕ делит поле зрения на две части, так как представляет собой границу распространения света, прошедшего призму со стороны наименьших углов i.

Преломляющий угол призмы:

(5)

Из соотношений (3) и (5) получим формулу, связывающую искомый показатель преломления n_ж с предельным углом i:

Граница раздела, видимая в поле зрения, окрашена вследствие дисперсии. Для устранения окраски, в оптическую часть прибора введен компенсатор, состоящий из двух призм прямого зрения, могущих вращаться во взаимно противоположных направлениях. Винтом, расположенным на корпусе прибора, справа от наблюдателя, вращают призмы компенсатора до полного устранения окраски границы раздела. Призмы, таким образом, образуют оптическую систему с переменной дисперсией. Оптическая схема прибора изображена на (рис. 5).

Рис. 5. Оптическая схема прибора



Свет отраженный от зеркала I, направляется в осветительную призму 2, проходит через тонкий слой исследуемой жидкости и измерительную призму 3, затем через защитное стекло 4 и компенсатор с маховичком 5, попадает в объектив 6, проходит через призму полного внутреннего отражения 7, попадает в пластину с крестом 8 и через окуляр 9, попадает в глаз наблюдателя. По шкале отсчитывается значение показателя преломления.

Порядок выполнения работы

1. Поднять верхнюю призму рефрактометра и протереть призмы тряпочкой, сначала смоченной дистиллированной водой, а затем сухой;

2. Протереть таким же образом оплавленный конец стеклянной палочки;

3. При помощи стеклянной палочки, ввести одну или несколько капель дистиллированной воды на поверхность нижней призмы 1 (рис. 4), (не царапая её палочкой) и опустить верхнюю призму;

4. Поворотом зеркала 2, добиваются наилучшей освещенности поля зрения и устанавливают в окуляре 3 не отчетливую видимость;

5. Вращая маховичок компенсатора 5, добиваются уничтожения окраски граничной линии;

6. С помощью маховичка компенсатора 5, точно устанавливают перекрестье на границе светлого и темного полей и производят отсчет по шкале, пользуясь лупой 7. Цена наименьшего деления шкалы 6 равна 0,001 (четвертый знак после запятой оценивается на глаз).

7. Так как показатель преломления дистиллированной воды при комнатной температуре можно считать равным - 1,333, то ошибка шкалы на отсчет показателя преломления находится по формуле:



8. Поднять верхнюю призму, вытереть (досуха) поверхности призм, ввести на их поверхность одну или несколько капель сахарного раствора из колбы №1 и как указано в пунктах - 4, 5, 6 найти показатель преломления без поправки;

9. Таким же путем (после каждого отсчета, протирая призмы тряпочками, смоченными дистиллированной водой и сухой), найти показатели преломления растворов сахара 2, 3, 4 (без поправки);

10. Принимая, что при отсчете показателя преломления допускается ошибка (пункт 7), найти показатели преломления растворов сахара с поправкой по формулам:

Контрольные вопросы

1. Что называется абсолютным и относительным показателем преломления?

2. Объясните принцип действия рефрактометра.

3. В чем заключается явление полного отражения?

4. Что называется предельным углом ?



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Определение показателя преломления призмы при помощи гониометра

Цель работы: Определение показателя преломления материала призмы

Прибора и принадлежности:

1. Гониометр

2. Призма

3. Осветитель

Теоретическое введение

В работах (51, 52) был рассмотрен вопрос о преломлении световых лучей, при падении на границу раздела двух сред с различными показателями преломления. На основе принципа Гюйгенса был установлен закон преломления:

(1)

В настоящей работе мы рассмотрим применение закона преломления для случая прохождения света через трехгранную оптическую призму (рис. 1). Луч L падает на грань призмы АС так, что он испытывает преломление на этой грани в плоскости сечения призмы ABC. Затем он второй раз преломляется на грани АВ и выходит из призмы, испытав после двух преломлений отклонение от первоначального направления на угол . Величина этого угла связана с углом падения i₁, углом преломления i₂ и углом А, при вершине сечения призмы соотношением:

д= i₁ + i₂ -А (2)

При симметричном ходе лучей через призму, когда луч L отсекает с обеих сторон призмы, равные отрезки от вершины угла А, угол - имеет наименьшее значение, а углы i и i₂ - равны между собой т.е.:

В таком случае из (1) получим:

(3)

или

где:

Следовательно:

(4)

Но, как видно из рисунка:

Тогда соотношение (4) примет вид:

(5)



(6)

При наименьшем угле отклонения , удовлетворяющем условию (6), призма дает наименьшее искажение проходящих через нее световых пучков, т.е. оптическое изображение при этом обладает наименьшими погрешностями (аберрациями).

Если синус угла А - мал, то синус угла - также мал, поэтому синусы можно заменить углами, и мы будем иметь:

(7)

Такая призма называется клином.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Ход лучей в призме

Таким образом, если известна величина угла, при вершине призмы А,

то определение величины показателя преломления для каждой световой волны n (), сводится к измерению соответствующего угла . Следует помнить, что показатель преломления зависит от длины световой волны. Чем больше , тем меньше n. Зависимость показателя преломления от длины световой волны называется дисперсией. Для нормальной дисперсии:

Описание установки

Как показывают выше приведенные выводы, для определения показателя преломления призмы нужно опытным путем найти преломляющий луч, угол призмы "А" и угол наименьшего отклонения луча.

Для определения этих углов служит гониометр (рис. 2):

Рис. 2. Внешний вид гониометра

1 - спектральная щель;

2 - стойка коллиматора;

3 - коллиматор;

4 - алидада;

5 - микрометрический винт алидады;

6 - зажимный винт алидады;

7 - маховичок оптического микрометра;

8 - маховичок фокусировки трубы 4;

9 - столик;

10 - зажимный винт столика;

11 -микрометрический винт столика;

12 - зрительная труба;

13 - окуляр зрительной трубы;

14 - окуляр отсчетного устройства.

Для выполнения измерений, преломляющая призма закрепляется на столике 9, поворот которого можно осуществлять грубо - рукой, при освобожденном зажимном винте столика 10 и точно с помощью микрометрического винта II (при этом зажимный вант столика 10 должен быть повернут без особого усилия по часовой стрелке до упора). При зажатом винте 10 должны быть исключены попытки вращения столика рукой. Алидада 4, вместе со зрительной трубой 12, может вращаться относительно столика с призмой. Вращение её также может осуществляться грубо - рукой, при освобожденном зажимном винте алидады 6 и точно с помощью микрометрического ванта алидады 5, при зафиксированном положении зажимного винта 6.

Спектр осветителя рассматривается через окуляр зрительной трубы 13, а отсчеты углов делаются по шкалам наблюдаемым в окуляре отсчетного устройства 14.

Поле зрения окуляра отсчетного устройства (приведено на рис. 3), в левом, горизонтально расположенном окне, наблюдаются изображения диаметрально противоположных участков лимба 2 в 3, оцифровкой через I⁰ и вертикальный индекс 4, для отсчета градусов. Цена деления лимба равна 20'.

В правом вертикально расположенной окне наблюдаются деления шкал оптического микрометра - шкалы единиц минут 6 и секунд 7, а также горизонтальный индекс для отсчета единиц минут и секунд (рис. 3), соответствует произвольному, не компенсированному положению лимба. Для того, чтобы снять отсчет, необходимо повернуть маховичок 7 (рис. 3), оптического микрометра настолько, чтобы верхние и нижние изображения штрихов лимба в левом окне точно совместились (рис. 3).

Правила пользования нониусом лимба

При отсчете число градусов будет равно ближайшей левой, от вертикального индекса - цифре 4 (рис.3). Это число в данном случае равно 315°. Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между верхней оцифровкой, соответствующей отсчитанному числу градусов, с нижней оцифровкой, отличающейся от верхней на 180°. В данном случае оно равно 40^?. Число единиц минута отсчитывается по шкале единиц (рис.3.), которое показывает 6 минут 7 секунда, соответствующая 5^?37?. По рис. 3 показание положений угол 315°45^?З7?.

Порядок выполнения работы

1. Включить осветитель в сеть, установить окуляр трубы Е на отчетливую видимость нити;

2. Установить зрительную трубу так, чтобы в трубу видно было изображение щели коллиматора, совместить нить с изображением щели и сделать нулевой (начальный) отсчет по нониусу (m_o);

3. Поставить на столик гониометра призму так, чтобы лучи из коллиматора падали на одну из граней найденного преломляющего угла призмы и установить зрительную трубу так, чтобы в трубу было видно изображение щели, проходящей через призму;

4. Добившись такого положения призмы, совместить поворотом зрительной трубы нить с изображением щели с желтой частью спектра и сделать отсчет по нониусу (3);

5. Опыт повторить не менее трех раз и взять среднее значение

где: - среднее значение отсчета для белых лучей;

6. По разности отсчетов найти величину угла наименьшего отклонения для белых лучей () и записать в таблицу;

7. Вставляя поочередно в осветитель прилагаемые фильтры, найти указанным способом углы наименьшего отклонения для цветных лучей;

8. Пользуясь формулой (6), вычислить показатели преломления цветных и белых лучей, результаты записать в таблицу;

9. Построить график зависимости n от ;

10. Найти угол полной дисперсии для данной призмы (D=) (D=);

Таблица

№	А	mo	m		N	D		n

Контрольные вопросы

1. Какой угол призмы называют преломляющим? Какой угол отклонения призмы?

2. Когда угол отклонения имеет наименьшее значение? Какпрактически его определяют?

3. Назовите расчетную формулу для определения показателя преломления призмы.

4. Как зависит показатель преломления от длины волны?

5. Опишите устройство гониометра и правило пользования нониусом.



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Определение фокусного расстояния выпуклой и вогнутой линзы по способу Бесселя

Цель работы: Практическая проверка способа Бесселя по определению фокусного расстояния линзы, а также ознакомление студентов с основными положениями теории тонкой линзы.

Приборы принадлежности: 1.Оптическая скамья с ползушками, на которых устанавливаются экран в рамки для линз.

2.Специальный кожух со стрелкой электрической лампочкой.

3. Две линзы (выпуклая я вогнутая).

Теоретическое введение

Линза - это стеклянное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями. На рис. 1 изображены поперечные сечения двояковыпуклой (а) и двояковогнутой (б) сферических линз (в), R₁ R₂ и R₃ R_4- - радиусы сфер.

Прямая Z^?Z, проходящая через центры кривизны поверхностей, образующих линзу называется главной оптической осью линзы.

В данной работе рассматривается тонкая линза, толщина которой пренебрежимо мала, по сравнению с радиусами кривизны линзы (рис..)



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Тонкая линза

У тонкой линзы имеется точка 0, обладающая следующим свойством: проходящие через неё лучи практически не преломляются линзой. Эту точку называют оптическим центром линзы. Она лежит на пересечении главной оптической оси со средним сечением линзы. Любая прямая, проходящая под углом к главной оптической оси через оптический центр линзы, называется побочной оптической осью. Луч, идущий вдоль оптической оси (главной или побочной), носит название центрального луча.

Линзу можно представить как совокупность множества призмы (рис. 3). Тогда становится очевидным, что выпуклая линза отклоняет лучи к оптической оси, а вогнутая - от оптической оси, поэтому выпуклая линза называется собирающей, а вогнутая рассеивающей (рис. 3). При этом предполагается, что оптическая плотность среды, окружающая линзу, меньше оптической плотности линзы.

Рис. 3



Определение фокуса линзы

Рис. 4. Собирающая и рассеивающая линзы

Фокусом собирающей линзы называется точка, в которой после преломления собираются все лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

Точки F' и F лежащие по обе стороны от линзы, называются, соответственно, передним и задним фокусами линзы. Расстояние между оптическим центром линзы и её фокусом (OF) называется фокусным расстоянием линзы. Плоскости Q и Q' проходящие через фокусы перпендикулярно главной оптической оси, носят название фокальных плоскостей.

В отличие от собирающей линзы, рассеивающая линза имеет меньшие фокусы. В мнимом фокусе воображаемые продолжения лучей сходятся (после преломления), падающих на рассеивающую линзу параллельно главной оптической оси (рис. 4).

Из элементарной теории линзы известна формула тонкой линзы:

(1)

где: а - расстояние от предмета до линзы;

b - расстояние от изображения до линзы;

f - фокусное расстояние линзы;

Формула (I) остается справедливой и для рассеивающей линзы, только в этом случае расстояния f и b следует считать отрицательными:

(1а)

Измерив опытным путем расстояния можно было бы найти, пользуясь формулой (1а), фокусное расстояние выпуклой линзы. Однако чтобы избежать измерений расстояний от линзы ввиду неопределенности начальной точки отсчета, Бессель несколько изменил указанный способ определения фокусного расстояния.

Сущность метода Бесселя состоит в следующем: на оптической скамье устанавливают плоский, освещенный предмет и экран, на достаточно большом расстоянии друг от друга. Расстояние между предметом и экраном (L) должно быть больше учетверенного фокусного расстояния линзы, так как при и b = 2f, следовательно:

На той же оптической скамье, между предметом и экраном, на ползушке в рамке устанавливается выпуклая линза. Перемещением линзы в области, более близкой к предмету, чем к экрану, добиваются отчетливого увеличенного изображения предмета на экране. Отмечают положение ползушки с линзой на оптической скамье. Затем перемещением линзы в область, более близкой к экрану, чем к предмету, получают на экране уменьшенное изображение предмета; фиксируют новое положение ползушки. Подсчитывают расстояние между положениями линзы при переходе от увеличенного изображения к уменьшенному (r). Зная L и r можно найти фокусное расстояние выпуклой линзы.

На рис.4. показано расположение предмета экрана линзы в обоих случаях.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Расположение предмета экрана и линзы для двух случаев

а) получение увеличенного изображения;

б) получение уменьшенного изображения.

На рис. 4. показаны:

А - предмет;

В - экран;

С - линза;

L - расстояние между предметом и экраном;

r - раcстояние между положениями линзы при переходе от увеличенного изображения к уменьшенному;

а₁ и а₂- отсчета на оптической скамье при I и II положениях линзы.

Из формулы линзы (1) можно определить:

или (2)

Выразим теперь расстояния а и b через L и r. Из (рис.4.) видно, что:

а₁ + b₁=L и а₂ + b₂ = L.

Учитывая то что а₁= b₂ и а₂ = b₁ , а также b₁- b₂ = r и а₂ - а₁ = r.

И на основании вышеизложенного, получим:

(3)

(4)

Обобщая эти формулы можно записать:

, (5)

Подставляя значения а и b в формулу (2), получим формулу для определения фокусного расстояния выпуклой линзы:

(6)

Формула (6) является расчетной формулой, которой пользуются при определении фокусного расстояния линзы по способу Бесселя, этим же способом определяется фокусное расстояние системы двух тонких линз.

Для определения фокусного расстояния вогнутой линзы используют соотношение: оптическая сила системы двух тонких соприкасающихся линз равна сумме оптических сил составляющих линз, т.е.:

D_1,2 = D₁+D₂ (7)

или

(8),

где: f_1,2 - фокусное расстояние системы двух соприкасающихся линз;

f₁ - фокусное расстояние одной из системы линз, например, выпуклой;

f₂ - фокусное расстояние другой линзы, например, вогнутой.

Отсюда:

(9)

Определив из опыта фокусное расстояние выпуклой линзы f₁, а также фокусное расстояние сиcтемы двух линз f_1,2, по формуле (9) можно найти фокусное расстояние вогнутой линзы f₂.

Порядок выполнения работы

1. Установить ползушки, со светящимся предметом (стрелкой), достаточно далеко от экрана так, чтобы при помощи выпуклой линзы можно было получить на экране отчетливое изображение предмета (стрелки).

2. Измерить расстояние L между предметом (стрелкой) и экраном.

3. Установить рамку с выпуклой линзой на ползушке. Перемещая ползушку с линзой по оптической скамье, получить на экране отчетливое изображение предмета (стрелки), при этом линза должна находиться ближе к предмету (стрелке), чем к экрану.

4. Отметить по шкале оптической скамьи положение ползушки с линзой n₁.

5. Перемещением ползушки с линзой ближе к экрану, добиться получения на экране отчетливого уменьшенного изображения предмета (стрелки).

6. Отметить новое положение ползушки на оптической скамье - n₂.

7. Вычислить расстояние r , на которое перемещается линза при переходе от увеличенного изображения предмета к уменьшенному:

r = n₂ - n₁

8. По формуле (1) нужно вычислить фокусное расстояние выпуклой линзы f:

9. Проделать опыт не менее трех раз при разных расстояниях, вычислить для каждого случая фокусное расстояние выпуклой линзы, затем найти среднее значение f_cр.

10. Приложить к выпуклой линзе вогнутую линзу и для полученной системы определить фокусное расстояние f_1,2. Проделать опыт не менее трех раз при других расстояниях L . Найти среднее значение f_1,2 .

11. По средним значениям f_1ср и f_{2 ср} используя формулу (9) определить фокусное расстояние вогнутой линзы f₂.

Таблица 1

№	L	N1	N2	r	f1	f1cр
1
2
3



Таблица 2

№	L	n1	n2	r	f12	f1 cр	f
1
2
3

Контрольные вопросы

1. Что называется линзой? Какие бывают линзы?

2. Что называется фокусом линзы? Какая плоскость называется фокальной?

3. Какой фокус называется мнимым или действительным?

4. Что называется оптической силой линзы и её единицы измерения?

5. В чем заключается способ Бесселя? Вывести расчетную формулу

для фокусного расстояния по способу Бесселя.

угловой зрительный преломление фотометрия



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

Изучение законов фотометрии

Цель работы: Опытное подтверждение основных законов фотометрии.

Приборы и принадлежности:

1. Прибор для изучения законов фотометрии

2. Микроамперметр

3. Источник постоянного тока

4. Лампочки 6,3 в.

Теоретическое введение

Фотометрией называется область оптики, в которой рассматриваются измерения энергии, переносимой электромагнитными волнами оптического диапазона, к которому относятся инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, и видимый свет.

В более узком смысле под фотометрией понимают световые измерения, т.е. оценку видимого излучения, в соответствии с его действием на глаз. Для характеристики этого действия; вводятся световые величины, отличающиеся от энергетических и характеризующих полную энергию электромагнитных волн всего оптического диапазона.

Перечислим фотометрические величины, характеризующие источник света:

1) Световой поток Ф испускаемых источником: это есть лучистый поток Р, спектральная плотность которого в каждом монохроматическом участке умножена на .

Так как за пределами видимого спектра (от =0,38 до = 0,7 мкм) чувствительность глаза равна нулю, то световой поток равен:

Отношение: показывает, сколько люменов светового потока соответствует лучистому потоку 1Вт. Для монохроматического излучения длины волны Вт лучистого потока равен 682 Кл люменов светового потока.

2) Световая энергия, излучаемая источником за время, измеряется в люмен-секундах (лм·с):

где: Ф_ср - среднее значение светового потока за время t.

3) Светимость поверхности источника - отношение излучаемого светового потока к светящейся площади (собственной или отраженной светом) поверхности (в лм /м²).

4) Сила света источника в данном направлении есть отношение светового потока dФ, испускаемого им в этом направлении внутрь телесного угла , к величине этого угла:

;



Сила света измеряется в канделах (ранее эта единица силы света называлась «свечей») «Кандела» - сила света испускаемого с площади 1/600000 м² сечения полного излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101 325 П.

5) Освещенность поверхности - отношение светового потока, равномерно распределенного по этой поверхности к её площади (измеряется в люксах 1 лк = 1 лм/м²).

6) Количество освещения - произведение освещенности на время освещения (измеряется в лк•с).

;

Описание установки

Прибор состоит из горизонтально расположенного корпуса, закрепленного на двух стойках (1) (рис. 1). Корпус состоит из двух частей: камеры (2), внутри которой вмонтирован селеновый фотоэлемент из разъемного цилиндра (3).

На торцевой части камеры помещены две клеммы (4), к которым подведены выводы от фотоэлемента. К этим же клеммам присоединяется микроамперметр или гальванометр. При помощи рукоятки (5), фотоэлемент можно вращать вокруг оси с максимальным углом поворота, равным 90°. Шкала (6), укрепленная на цилиндрической части камеры, служит для измерения угла поворота фотоэлемента.

Рис. 1. Внешний вид прибора

В нижней части откидной крышки цилиндра укреплена еще одна шкала (7) с сантиметровыми делениями, предназначенная для линейных измерений. Нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного слоя фотоэлемента. Внутри цилиндра имеются несколько защитных ребер, которые предохраняют фотоэлемент от отраженных лучей. К прибору прилагаются:

а) стойка с собирающей линзой F =15 см;

б) стойка с лампочкой в 3,5 в.;б) гальванометр типа M I22;

г) диафрагмы с матовым стеклом площадью отверстий 9 см², 6 см², 3 cм².

Высота стойки лампочки такова, что волосок накала лампочки находится на геометрической оси корпуса в пределах длины шкалы.

Порядок выполнения работы

Опыт 1: Зависимость освещенности от расстояния до источника света

Собирают прибор и соединяют клеммы фотоэлемента с микроамперметром, а лампочку - с источником тока, как показано на (рис. 1). Рукоятка должна находиться на нуле угломерной шкалы. При трех различных положениях лампочки, записывают показания микроамперметра, соответствующие указанным положениям лампочки. Результаты измерений записывают в таблицу.

Таблица

№	Расстояние от лампочки до фотоэлемента в см. r	Показания микроамперметра Е
1
2
3

Если учесть, что сила фототока пропорциональна освещенности фотоэлемента, то можно показание микроамперметра использовать как величину освещенности. Из закона освещенности:

; ; ;

; ; .

Пользуясь значениями расстояний лампочки от фотоэлемента и показаниями микроамперметра, вычислите эти отношения. И если эти отношения близки по числовым значениям, то закон освещенности:

-удовлетворяет действительности.

Опыт 2: Зависимость освещенности от угла падения лучей (Е=Е₀ cosб)

Прибор собирают так же, как и в опыте I. Рукоятку фотоэлемента ставят на нуль шкалы угломера и при неизменных положениях лампочки и линзы записывают показания микроамперметра (при различных углах положения фотоэлемента начиная с 0).

Показания микроамперметра при 0° принять за Е_0. Освещенность при различных углах вычислить по формуле Е = Е₀ cosб Сравнить результаты с показаниями микроамперметра при соответствующих углах.

Таблица

№	Показание угломера	Показание микроамперметра	Значение косинуса при данных углах	Е=Е0 cosб
1
2
3

Контрольные вопросы

1. Что такое сила света?

2. Что такое световой поток?

3. Что такое освещенность?

4. Зависимость освещенности от угла падения лучей на освещаемую поверхность?

5. Единицы измерения фотометрических величин?



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 7

Определение коэффициента поглощения света водой с помощью фотоэлемента

Цель работы: Определение коэффициента поглощения дистиллированной воды.

Приборы и принадлежности:

1. Источник света

2. Люксометр

3. Сосуды

Теоретическое введение

Свет, проходя через любую среду, в той или иной мере в ней поглощается. Обычно поглощение носит селективный характер, т.е. свет различных длин волн поглощается различно.

Наиболее сильным поглощением обладают проводники, чем выше проводимость проводника, тем сильнее в нем поглощение света. Диэлектрики поглощают свет значительно слабее.

Поглощенная телом световая энергия расходуется на возбуждение электронов как связанных с атомами (у диэлектриков), так и свободных у проводников. При этом одна часть лучистой энергии превращается в другие виды энергии (обычно в тепловую), а другая рассеивается средой.

Явление превращения лучистой энергии в другие виды энергий, при прохождении света через среду, называется поглощением света.

Убывание плотности потока лучистой энергии в однородной среде при прохождении через слой конечной толщины подчиняется закону Бугера:

(1)

где: W₀ - плотность потока энергии в начале слоя (при =0) (вт/cм²) (рис.1.);

W- плотность потока энергии, прошедшего через слой вещества, толщиною (вт/cм²);

d - толщина слоя (см);

k - коэффициент поглощения, зависящий от рода вещества и длины волны (см^-1 );

- основание натуральных логарифмов.

Этот закон показывает, что поглощение света идет очень быстро, с увеличением толщины слоя и тем больше, чем больше коэффициент поглощения среды.

В данной работе определяется коэффициент поглощения дистиллированной воды. Источником света служит электрическая лампочка накачивания, расположенная в фокусе линзы, а приемником селеновый фотоэлемент. Так как источник света не монохроматический, то найденное значение для (К), будет являться усредненным для всей видимой части спектра.

Для определения коэффициента поглощения необходимо оценить величину плотности потока света, падающего на слой вещества и прошедшего через него. Это осуществляется с помощью фотоэлемента, работа которого основана на явлении фотоэффекта. Фотоэлектрическим эффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Как показал Эйнштейн, согласно закону сохранения энергии, энергия падающего фотона затрачивается на работу выхода электрона и оставшаяся часть превращается в кинетическую энергию вырванного электрона:

...