где: - энергия падающего фотона;

A - работа выхода электрона;

- кинетическая энергия электрона

Рис. 1

Так как сила фототока прямо пропорциональна плотности потока лучистой энергии, падающей на фотоэлемент, то можно написать:

(2)

Откуда:

(3)

где: I₀ - сила фототока, при плотности падающего на фотоэлемент потока лучистой энергии;

I - сила фототока, при энергии W.

Заменяя в формуле (3) отношение сил фототоков, соответственно отношением числа делений шкалы люксометра, получим окончательное выражение расчетной формулы:

(4)

Коэффициент поглощения есть величина, обратная толщине слоя, при прохождении которого интенсивность света убывает в «е» раз (смотрим формулу (2)).

при

Графически уравнение представляет собой - прямую, проходящую через начало координат. Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс численно равен коэффициенту поглощения воды: ()

Рис. 2

Описание установки

Общий вид установки приводится на рис 3, в жидкость, коэффициент поглощения которой необходимо измерить из сосуда (I) через соединительные трубки подается в сосуд (2). Уровень жидкости в сосуде (2) определяется с помощью капиллярной, трубки (3), соединенной с сосудами. Источником света служит лампочка накаливания (4), помеченная в фокусе линзы (5).



Рис. 3. Общий вид установки

Пучок параллельных лучей падает на поверхность воды, пройдя воду, попадает на фотоэлемент (6), соединенный люксметром (7), по которому производятся отсчеты.

Порядок выполнения работы

1. Проверить вертикальность расположения осветителя (свет от лампочки должен падать на центральную часть дна банки).

2. Поддерживая напряжение на зажимах лампочки строго постоянным током, открыть фотоэлемент и записать показания гальванометра при отсутствии воды в банке.

3. Опыт повторить не менее трех раз. Найденное среднее значение для фотоэлемента, занести в таблицу (после каждого отсчета фотоэлемент необходимо закрывать).

4. Заполняя банку водой произвести отсчеты по люксометру при разных высотах водяного столба.

5. Повторить наблюдения при тех же высотах, при выливании воды из банки. Полученные средние значения для этих высот занести в таблицу.

6. Произвести соответствующие расчеты по формулам, построить график согласно (рис. 2.) и определить коэффициент поглощения воды.



Таблица

№ Наблюдений	d (cм)	Средние значения		k
		n0	N

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление поглощения света?

2. От чего зависит поглощение света средой?

3. Что называется коэффициентом поглощения?

4. Сформулируйте закон Бугера.



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8

Определение концентрации растворов koлоpиметрическим методом

Цель работы: Определение концентрации растворов колориметрическим методом.

Приборы и принадлежности:

1. Колориметр

2. Набор растворов различной концентрации

Теоретическое введение

Колориметрический анализ, позволяющий определить концентрацию растворов, основан на поглощении света окрашенным раствором. При прохождении электромагнитной волны через вещество, часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний электронов. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, возбуждаемых электронами; частично же она переходит в другие виды энергии (например, в энергию движения атомов, т.е. во внутреннюю энергию вещества).

Рис. 1

Таким образом, интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается, свет поглощается в веществе. Пусть через однородное вещество проходит пучок параллельных лучей (рис. 1), выделим в этом веществе бесконечно тонкий слой толщиной, ограниченный параллельными поверхностями, перпендикулярными к направлению распространения света.

Где: I_o- сила света, вошедшего в слой поглощающего вещества;

I - сила света, вышедшего из поглощающего вещества;

I_л- cила света, падающая на слой;

dI_л - величина, характеризующая уменьшение силы света, при прохождении слоя dh.

Уменьшение силы света пропорционально силе падающего света в толщине слоя:

(1)

В этом выражении k - постоянная, зависящая от свойств поглощающего вещества и называемая коэффициентом поглощения. Интегрируя уравнение (1) в переделах от k до h получим закон Бугера:

(2)

Опыт показывает, что при поглощении света веществами, растворенными в прозрачном растворителе, коэффициент поглощения, пропорционально концентрации раствора:

(3)

где: с - концентрация раствора;

х - постоянный коэффициент не зависящий от концентрации раствора.

Подставляя это значение « k» в формулу (2) получим:



(4)

Это выражение является уравнением закона поглощения и носит название закона Бугера и Бера. Эту формулу можно переписать в виде:

(5)

Пусть имеем 2 раствора с известной концентрацией С и неизвестной С_х. Меняя значение h для одного из растворов, можно добиться одинаковой оптической плотности:

(6)

откуда:

(7)

Таким образом, измерив h и h_x при известной С, можно определить искомую величину с_x .

Для получения точных результатов измерений колориметр снабжен набором из семи светофильтров. Применяя светофильтр, можно получить различие в интенсивностях окраски, заменить различием цветов. При использовании светофильтров, для измерений в колориметре толщины слоя, испытуемого раствора, меняют до тех пор, пока не будет достигнуть одинаковый свет (оттенок) обоих половин поля зрения.



Описание прибора

Колориметр (рис.2.) состоит из штатива (8), на котором крепятся осветитель (10), столика (14), стеклянных столбиков (4), фотометрической головки (18) с диском светофильтра (5). На столике (14) имеются пазы для направляющих оснований кювет (3) до определенного положения.

Рис. 2

Столбики в своих оправах крепятся в пазах колодок, расположенных на пластине (1) и раздельно перемещающиеся при вращении маховичков (7) и (15). С каждым из столбиков связан нониус (16), соединенный с призмой (12). При перемещении столбика нониус дает отсчет по шкале (13). Призма предназначена для удобства подсчета по шкале. Нониус дает отсчет по шкале с точностью до 0,1 мм. В диске (5) помещены семь светофильтров и одно свободнее окошечко. Наводка окуляра на резкость, изображения линии раздела поля зрения, осуществляется вращением кольца с накаткой 21. В рабочем положении на прибор надевается кожух 6, предохраняющий от попадания в прибор света.

Выбор светофильтра

Для этого в кювет наливают растворы различной концентрации. Высоты слоев растворов устанавливают одинаковые. Затем, вращая диск со светофильтрами, отмечают тот светофильтр, для которого разница в яркости наиболее заметна.

Порядок выполнения работы

1. Известный (стандартный) раствор наливают в один из кюветов, например в левый, а исследуемый в другую. В кюветы опускают столбики.

2. Установив высоту слоя раствора с известной концентрацией, постоянным перемещением правого столбика, добиваются равенства яркостей полей сравнения. Производят отсчет по правой шкале и нониусу.

3. Установку на равенство яркостей повторяют не менее 3 раз и вычисляют среднее из полученных отсчетов.

4. Концентрацию исследуемого раствора вычисляют по формуле:

5. Определяют концентрацию не менее в 3-х различных растворах.

6. Результаты наблюдений записывают в таблицу.

Таблица

№	С концентрация известного раствора	h Показание по левому Нониуса	hx показание по правому Нониуса
I раствор II раствор III раствор

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон Бугера - Беера

2. Объясните сущность колориметрического метода

3. Что дает применение светофильтров в данной работе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №9

Измерения длины волны света с помощью дифракционной решетки

Цель работы: Ознакомить студента с методами наблюдения дифракции света и способом измерения длины световой волны.

Приборы и принадлежности:

1. Прибор для наблюдения спектров, с помощью дифракционной решетки

2. Осветитель

Теоретическое введение

Во многих оптических явлениях можно рассматривать свет как волновой процесс.

Принцип Гюйгенса дает возможность представить, как перемещается фронт световой волны и найти его «новое» положение по заданному «старому».

Формулируется он так: «Каждая точка фронта волны представляет собой точечным источником электромагнитных волн, явлением нового положения фронта волны. Линии, перпендикулярные фронту волны, являются лучами света».

Все точечные источники, расположенные на одном фронте волны являются когерентными источниками света, т.е. излучают сферические волны, имеющие одинаковую частоту и начальную фазу. Для таких волн через любую точку пространства можно провести поверхность, на которой они имеют одинаковую фазу, которая называется волновой поверхностью.

Принцип Гюйгенса применим не только для фронта волны, но и для любой волновой поверхности.

Для расчета интенсивности света в любой точке экрана, Френель предложил метод зон, который был назван «зоны Френеля».

Для этого волновая поверхность разбивается на участки или зоны так, чтобы волны, достигающие данной точки на экране, проходили от краев зоны пути, отличающиеся друг от друга по длине на

Где: - длина световой волны

При этом волны, идущие от вторичных источников, расположенные на краях зоны, придут в точку наблюдения в противоположенных фазах и погостят друг друга.

Поэтому, все излучения, идущие в точку наблюдения от соседних зон, гасят друг друга.

Необходимо, помнить, что разбивание волновой поверхности на зоны Френеля, будут разными для различных точек экрана.

Световые колебания различных точек экрана возбуждаются волнами, приходящими к экрану от различных точек волновой поверхности, которые накладываются друг на друга, создавая интерференционную картину.

Интерференционной картиной является устойчивый, результат положения двух (и более) систем поперечных волн, при котором в одних точках волнового поля амплитуда результатируюших колебаний резко уменьшается, а в других возрастает.

Для осуществления интерференции, накладывающиеся волны должны быть когерентными.

Уравнения двух когерентных плоских волн, распространяющиеся вдоль осей Х₁ и Х₂ имеют вид:

(1)

где: А₁ и А₂ - амплитуды колебание;

- циклическая частота;

k - волновое число ;

- начальные фазы

В некоторой точке экрана оси Х₁ и Х₂ пересекаются, и следовательно происходит наложение колебания, уравнения колебаний запишутся в виде:

(2)

В отличие от (1) в уравнении (2)

Y - функция, зависит только от одного переменного - «t».

Так как Х₁ и Х₂ уже не перемененные, а постоянные величины, то равные расстояния от источников света до той общей точки, в которой происходит наложение колебаний, то разность фаз складываемых колебаний равна:

(3)

Так как волны излучаются с одинаковой фазой, . Но это не изменит распределения освещенности интерференционной картины, а лишь незначительно сместит её вдоль экрана.

К тому же это условие: , всегда выполняется, так как источники света являются, как вторичными, лежащими на одной волновой поверхности. Учитывая это равенство, формулу (3) можно переписать в виде:

(4)



где: - геометрическая разность хода лучей.

Известно, что суммарная амплитуда достигает максимума при и минимума , где m=0,1,2,3,…

Тогда, с учетом (4), можно получить:

(5) (максимум)

(6) (минимум)

При взаимодействии света непрозрачными предметами, экранами, щелями, отверстиями и т.д. наблюдается дифракция света.

Дифракция света - это отгибание волнами препятствий, размеры которых сравнимы с длиной волны.

Вблизи краев экрана или щели по принципу Гюйгенса, фронт волны искривляется и волны распространяются в области геометрической тени. Это явление имеет место и у краев больших экранов или щелей, но интенсивность волны, идущей в область геометрической тени, во много раз меньше интенсивностей волны, распространяющейся прямолинейно, поэтому практически они не наблюдаются.

В области тени освещенной искривленными лучами, наблюдается интерференционная картина, т.е. чередование светлых и темных полос, что связано с интерференций световых волн, поскольку их источники лежат на одной волновой поверхности и эти волны когерентны. Таким образом, дифракция света всегда сопровождается интерференцией дифрагированных волн. Рассмотрим дифракцию волн, на дифракционной решетке, где в=АВ - ширина щели.

Разобьем волновую поверхность в плоскости щели, на зоны Френеля, для данной точки экрана М. (напомним, что для другой точки экрана разбивание на зоны будет другим). Как указывалось, выше излучения двух смежных зон гасят друг друга, поэтому, если число зон четное, то в точке М будет наблюдаться минимум освещенности, а если нечетное, то получение одной зоны.

Из рис., видно, что разность хода лучей , идущих в данную точку, под углом равна =, где k--число зон, уместившиеся на щели. Тогда максимум освещенности будет наблюдаться при выполнении условии: , и минимум . При любом целом «n» ( n=0,1,2,3…) 2n-четное, а 2n+1 - нечетное.

Из рис., видно, что , тогда, условия максимума и минимума для одной щели можно записать в виде:

(7) - минимум

(8) - максимум

Если рядом расположить две одинаковые щели, то они создадут две совершенно одинаковые дифракционные картины, накладывающиеся друг на друга, т.к. щели являются когерентными источниками в резельтируюшейся картине на экране, считаемой будет интерференционная картина, с дополнительными максимумами и минимумами.

Множества одинаковых, тонких щелей, шириной «в», разделенных непрозрачными промежутками «а», представляют собой дифракционную решетку (рис.), где - период решетки. Если решетка длины имеет N щелей, то n = N/ число щелей на единицу длины и период решетки будет равен, тогда d=I/n. Каждая щель создает свою дифракционную картину. Кроме того, лучи от каждой щели, будучи когерентными, интерферируются между собой, создавая дополнительные максимумы и минимумы.

Главный максимум получиться, когда все лучи, складываясь, усиливают друг друга. Для этого разность хода (рис.), между соседними лучами, должна быть равна n, где n =0,1,2,3…, но . Следовательно, условие главных максимумов:

(9)

Между двумя главными максимумами расположены (N-1) минимумов и (N-2) побочных максимума, где N- число щелей в решетке. Интенсивностей побочных максимумов много меньше интенсивности главного максимума, что вызвано частичным гашением интерферирующих лучей, причем в этом процессе, участвуют одновременно лучи от всех щелей решетки. Интенсивности главных максимумов решетки в N раз больше интенсивности соответствующих максимумов щели, а ширина их в N раз меньше. Поэтому дифракционная картина от решетки существенно отличается от картины одной щели. При освещении решетки монохроматическим светом, она дает на экране несколько ярких, очень узких, линий на темном фоне, т.к. побочные максимумы практически не видны.

При освещении решетки белым светом, имеющий сплошной спектр, нулевой максимум, (т.е. соответствующий значению n = 0 в формуле (7)), расположенный на оси решетки, остается белым, а максимумы первого и второго порядка соответственно, превращаются в разноцветные спектральные полоски, причем красная часть спектра расположена ближе к нулевому максимуму, а фиолетовая - дальше от него.

Растягивание узкого максимума в спектр вызвано тем, что для разных длин волн белого света выполняется условия максимума. При разных углах дифракции и, следовательно, максимумы разных цветов оказываются смещенными по экрану, образуя спектр.

Описание прибора и метод работы

Прибор для наблюдения спектра изображен на рис 1.

Рис. 1

Он состоит из горизонтальной рейки 1 с делениями, по которой может перемещаться шкала 2 со щелью 3 в середине. На конце рейки в специальном держателе укреплена дифракционная решетка 4. Щель в шкале освещается специальным осветителем 5.

Спектры, даваемые дифракционной решеткой, видны на фоне шкалы, симметрично, относительно щели, С этой решеткой можно наблюдать спектры I-го и II-го порядков. По шкале 2 можно отсчитать координату максимума, для данной длины волны (данного цвета), в спектре первого и второго порядка. Затем, зная координату, определить угол дифракция , соответствующий данному максимуму согласно формуле (7), т.е.

=

где: d - постоянная решетки;

- угол дифракции;

n - порядковые спектра;

- длина волны

На рис. 2. изображена определение координат спектров.

Рис. 2. Определение координат спектров

На рис. 2 изображены шкала ВС, в точке А помещена дифракционная решетка и в точке О - щель.

Х₁ и Х'₁ - координаты наблюдаемого максимума для данного цвета (например красного) в спектрах 1-го порядка.

Х₂ и Х'₂ - координаты максимума того же цвета, но в спектрах 11-го порядка. ОА - расстояние от решетки до шкалы.

Порядок выполнения работы

1. Включить осветитель.

2. Установить расстояние от решетки до шкалы (ОА) - задается преподавателем.

3. Смотря через решетку на шкалу, наблюдать дифракционные спектры. Наклоняя решетку вправо и влево за края, установить спектры в пределах шкалы.

4. Отсчитать по шкале координаты Х₁ и Х₁ для максимумов красного цвета в спектрах 1-го порядка (ближних от щели) справа (Х₁) и слева (Х₁) от щели. Затем аналогично найти Х₂ и Х₂ в спектрах 11-го порядка. Значения Х₁, Х₁, Х₂, Х₂ и Х₁ср^, Х₂ср записать в таблицу.

5. Повторить п. 4 для синего цвета.

6. Пункты 5 и 4 выполнить для трех расстояний ОА.

7. Угол можно найти по известной координате Хср^, и расстоянию ОА, по следующей формуле:

или

Найденные значения для разных Х и ОА подставляя в формулу (1) и определяем и вписывается в таблицу.

Таблица

№

Цвет

Порядок спектра

ОА

X

X'

Xср

tg

sin

ср

Контрольные вопросы

1. Почему дифракционная решетка дает более узкие и яркие максимумы, чем одна щель?

2. Почему дифракционная решетка разлагает белый свет в спектр?

3. На каких местах образуются спектры 1-го и 2-го порядков?

4. Написать условие максимума освещенности экрана.

5. Как зависят яркость и ширина максимума от числа щелей?

6. Зависеть ли угол дифракции от постоянной решетки и числа щелей?

7. Что называется постоянным решетки?

8. Что называется углом дифракции?



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10

Измерение длины волны света с помощью отражательной дифракционной решетки

Цель работы: Ознакомить студентов с принципами работы отражательной дифракционной решетки, показать возможность использования грампластинки в качестве отражательной дифракционной решетки и измерить длины волны света с её помощью.

Приборы и принадлежности:

1. Штатив с зажимом для грампластинки

2. Шкала

3. Источник света

Теоретическое введение

Отражательная дифракционная решетка изготавливается нанесением штрихов на полированную металлическую пластинку.

Неповрежденные зеркальные участки пластинки - площадки - являются вторичными когерентными источниками света. То, что сферические световые волны от вторичных источников света появляются в результате отражения света от металла, совершенно не влияет на процесс их взаимодействия. Образующая при этом дифракционная картина, будет точно пропускающей дифракционной решеткой и будет описываться теми же уравнениями. Особый интерес представляет - возможность использования отражательной дифракционной решетки при больших углах падения света на решетки.

При этом вторичные источники уже не будет находиться на одной волновой поверхности и между лучами, идущими от смежных отражающих площадок, возникает дополнительный фазовый сдвиг, который вызывает смещение дифракционного максимума.(рис.1)

На рис.1. показан ход лучей, падающих на две смежные площадки отражательной дифракционной решетки А и Б.

Расстояние А+В = d (1) - период или постоянная решетки.

1 и 2 -лучи, падающие на решетку, 3 и 4 отражены на ? - угол падения лучей. - угол дифракции, определяющий положение K- го дифракционного максимума (к = 0, 1,2,3).

АС - волновая поверхность падающих лучей, все её точки имеют одинаковую фазу. Отраженные лучи будут иметь различные фазы, т.к. они проходят пути разной длины.

Рис. 1. Ход лучей через дифракционной решётки

Разность фаз двух смежных а также 1 и 2, отраженных от смежных площадок А и В лучей будет равна:

(2)

Как следует из части А, описания и условия (7) «главный максимум» получится, когда все отраженные лучи складываясь, сливают друг друга. Для этого разность хода между смежными лучами должна быть равна , т.е.



(3)

где: k=0,1,2,3….

Сравнивая формул (2) и (3), получим:

(4)

Формула (4) является условием главного максимума для отражательной дифракционной решетки. Это условие можно упростить для случая, когда достаточно мало, при котором можно заменить

(5)

Это выполняется при d >>л и k4,5(6)

Условие (6) заведомо выполняется, когда в качестве отражательной дифракционной решетки используется грампластинки, когда отношение длины волны к периоду решетки, при их следующих значениях:

d = 0,2 мм =2х10^-4 м. и

=7,6х10^-7 м, отношение

Для таких значений и k < 4 5, условие (5) выполняется с точностью до четвертого знака.

Преобразуем (4), используя формулу для разности синусов двух углов:

(7)

При малых , приняв , можно , писать в виде

(8)

Сравнивая формул (4) и (8) видим, что разность хода лучей

= (9)

Из формул (8) и (9) видно, что условие главных максимумов для отражательной и пропускающей дифракционных решеток имеют одинаковый вид, что подчеркивает единство физического смысла этих формул и эквивалентность физических явлений в обоих случаях.

- эффективная постоянная, отражательной дифракционной решетки.

При больших углах ? = 90⁰ «d^?» становится очень малым. Этим объясняется возможность использования грампластинку в качестве дифракционной решетки. При нормальном падении лучей период решетки 0,25мм. Это очень много и дифракционная картина не видна. А при ? = 87⁰ или сos ? = 0,05233, и d^?= 0,25М0,0523=0,013 мм, что соответствует 77 штрихам на 1мм. Это уже близко к параметрам типовой учебной дифракционной пропускающей решетки, имеющей 100 штрихов на 1 мм.

Такая решетка дает четкую дифракционную картину, позволяющую определить «л» с точностью в несколько процентов.

С другой стороны

;

Описание установки и ход работы

Отсюда (10)

Ниже приводится устройство установки по определению длины волны светового луча при помощи отражательной дифракционной решетки

Рис. 2. Устройство установки

Грампластинка помещается в зажиме штатива так, чтобы звуковые канавки были перпендикулярны лучам, падающим на неё от источника света «S», который помещен вблизи нулевого деления шкалы 1.

Z - расстояние от шкалы до грампластинки.

Глаза размещается несколько ниже грампластинки так, чтобы в неё попадали лучи света от источника S, отраженные грампластинкой. При этом глаза будут видеть дифракционную картину проектирующиеся на шкалу.

На рис. 2. точками S₀ и S' обозначены дифракционные максимумы нулевого и первого порядка соответственно. Далее по шкале, возможно будет виден и максимум второго порядка S''.

В точке S₀ видно белое изображение источника света, т.к. в максимуме нулевого порядка условие максимума выполняется одновременно для всех длин волн, которые, складываясь, дают белый свет.

Вблизи точки S наблюдается разноцветная полоска- спектр вызванный тем, что для разных длин волн условия максимума выполняется в разных точках шкалы.

Согласно формуле (4)



(10)

Следовательно, условие максимума можно записать в виде:

(11)

где: d - постоянная отражательной решетки (в данном случае расстояние между звуковыми канавками грампластинки);

- угол падения лучей на решетку или

_к - угол к вертикали, под которым наблюдается к - максимум

К - порядок спектра 0,1,2,3 и т.д.

длина световой волны.

Ниже приводится порядок выполнения работы.

1. Подключите источник питания к лампочке установленной ниже от нулевого значения шкалы на 30-40 см.

2. Установите горизонтально грампластинку на штатив, расположенный на расстоянии «z» от шкалы.

3. Наблюдайте отраженных лучей с нижней стороны грампластинки.

4. Отмечайте среднюю точку «О» в спектре и снимайте данные высоты «h» от точки «О» до изображения.

5. Определите величины высоты h', h^”_, h^”” и т.д. соответствующие к различным цветам спектра.

6. Согласно рис.2 по формулам: (при к = 0);

(при к = 1);

(при к = 2);

Определяется углы и т.д.

Вычисляя косинусы этих углов подставляется в формулу (10).

7. С помощью окуляра микроскопа определяется постоянная решетки «d» (или спросите величину у лаборанта).

8. Подставляя значения порядкового номера «К» и «d», вычисляется по формуле (10) длина волны света для каждого цвета.

Контрольные вопросы:

1. Чем отличается спектр полученный дифракционной решеткой от спектра получаемый от одной щели?

2. Почему разлагает дифракционная решетка белого луча?

3. При выполнении какого условия можно использовать грампластинки в качестве дифракционной решетки?



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №11

Проверка закономерностей вращения плоскости поляризации с помощью сахарного раствора

Цель работы: Определение взаимосвязи между углом вращения плоскости и поляризации с раствором сахара различной концентрации.

Приборы и принадлежности:

1. Полутеневой поляриметр.

2. Трубки - кюветы, с растворами сахара разной концентрации.

3. Источник света (Осветитель).

Теоретическая часть

Световая волна - поперечная волна. Световые лучи являются поправлением распространения поперечных электромагнитных колебаний с длиной волны (0,4 0,75)10 м.

Поляризованным светом называются свет, в котором направления колебаний светового вектора упорядочены каким-либо образом.

Плоскополяризованный свет можно получить из естественного колебания, с помощью приборов, называемых поляризатороми. Эти приборы свободно пропускают колебания, параллельные плоскости, которую мы будем называть плоскостью поляризатора, и полностью задерживают колебания, перпендикулярные к его плоскости.

Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды А₀ и интенсивности I₀ (рис. 1)



Плоскость поляризатора

A

A₀

Рис. 1. Прибор для получения плоско поляризованных лучей света

Сквозь прибор проходят составляющия колебания, с амплитудой:

где: - угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора.

Следовательно, интенсивность прошедшего света «I» определяется выражением:

I=I₀cos² (1)

Соотношение (1) носит название закон Малюса. Поставим на пути естественного луча два поляризатора, плоскости которых образуют угол . Из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет, интенсивность которого «I₀» составит половину интенсивности естественного света I_ест. Согласно закону Малюса, из второго поляризатора выйдет свет интенсивности

I₀cos². Таким образом, интенсивность света, прошедшего через два поляризатора, равна:

(2)

Максимальная интенсивность, равная: , получается при =0 (поляризаторы параллельны). При: интенсивность равна нулю - скрашенные поляризаторы, света не пропускают.

Рассмотрим вращение плоскости поляризации. Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации, проходящей через их плоскополяризованный свет. К числу таких веществ, принадлежат кристаллические тела, чистые жидкости и растворы оптически активных веществ, в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.). В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе «» и концентрации активного вещества «С»:

(3)

где: - величина, называемая удельной постоянной вращения

В зависимости от направления вращения плоскости поляризации, оптически активные вещества подразделяются на: правовращающие и левовращающие. Направление вращения (относительно луча), не зависит от направления луча. Поэтому, если луч, прошедший через оптически активные кристаллы, вдоль оптической оси, отразить зеркалом их зависимость, пройти через кристаллы ещё раз в обратном направлении, то восстанавливается первоначальное положение плоскости поляризации.

Все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях - правовращающей и левовращающей. Существуют правовращающий и левовращающий сахар, растворы сахара и т.д.

Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить активное вещество, например прозрачную кювету с раствором сахара, то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть один из поляризаторов на угол , определяемый выражением (3). Используя это выражение, зная удельную постоянную вращения «», данного вещества и длину «», можно, измерив угол поворота «», определить концентрацию раствора «С». Отсюда следует, что угол поворота «» прямо пропорционален концентрации раствора «С», т.е.:

(4)

Задачей данной лабораторной работы является проверка этих формул.

Описание устройства и их принцип работы

Рис 2. Схематическое устройство полутеневого поляриметра

Основные оптические детали прибора собраны внутри светозащитной трубы «8», имеющей откидную крышку для установки кюветы с раствором «4» внутрь прибора.

1. призма Николя - поляризатор

2. светофильтр

3. разрезная кварцевая пластина

4. призма Николя - анализатор

5. вращающаяся шкала

6. Объектив

Назначении поляризатора и вращении плоскости поляризации, сказаны в теоретической части работы.

Светофильтр 2 необходим для получения монохроматического света, т.к. зависит от и при освещении белым светом точная установка прибора невозможна, т.к. она оказывается разной для разных . Пластина 3 позволяет повысить точность измерений угла поворота плоскости поляризации, раствором. Как указано выше, начальная установка прибора (без раствора) производится по минимуму света, прошедшего через систему поляризатор - анализатор. Однако человеческий глаз плохо фиксирует минимум освещенности поля зрения. Гораздо лучше он отвечает равенства освещенности двух смежных полей. Использовать это свойство глазам позволяет пластина 3. Она состоит из 3-х хорошо пришлифованных друг к другу кварцевых пластин, одинаковой толщины. См. (рис. 2.)

Пластина I сделана из левовращающего кварца, а 2- правовращающего. Т.к. они равной толщины, то поворачивают плоскость поляризации света одинаково, но на разные стороны.

На рис. 3. указана ориентация плоскости поляризации лучей, прошедших разные части пластины 3 из рисунка 2. - указывает направление плоскости поляризации света до пластины 3; а Р₁ и Р₂ - света, прошедшего участки I и II соответственно; Вектор Р_а указывает ориентацию анализатора 5. Согласно закону Малюса, при отсутствии пластины 3 наблюдали бы полное затемнение поля зрения. Но глаз этот момент не может уловить, т.к. небольшое просветление поля зрения поворота Р_а (при вращении анализатора) глаз не улавливает.

Естественный свет o' 2 о'

Поляризованный свет P1 P2 Pa o O

Рис. 3. Прохождение света через кристаллы турмалина

При наличии пластины 3 освещенность всех трех полей не будет минимальной, т.к. угол между Р_а и Р₁ , определяющий освещенности крайних полей (10) будет 90⁰-г.

Таким образом, по закону Малюса:

,

а также:

,

где: I_I - интенсивность света, прошедшая через крайние поля пластины 3 (I);

I_II - интенсивность света, прошедшая среднее поле пластины 3 (II).

Т.к.:

то: I_I = I_II

и мы видим равенство освещенностей всех трех полей, в то время, когда наблюдалась бы минимальная освещенность всего поля, при отсутствии пластины 3 (рис.2).

По вращающейся шкале 6 фиксируется положение анализатора 5.

Имеющиеся нониусные шкалы, позволяют отсчитывать угол с точностью до 0,1.

Объектив 7 перемешается вперед и назад, таким образом устанавливая объектив отчетливо, можно наблюдать три поля разной освещенности.

Порядок выполнения работы

1. Проверить отсутствие кювета с раствором внутри прибора. При наличии кювета вынуть ее.

2. Включить осветитель.

3. Глядя в объектив и перемещая его вперед - назад, получить четкое изображение трех полей.

4. Вращая поворотную шкалу, добиться равенства освещенности всех 3-х полей, при их общей небольшой освещенности.

5. Сделать отсчет угла по шкале с точностью до 0,1⁰.

6. Поместить кювет внутрь прибора и перемещая объектив,

восстановить резкость поля зрения.

7. Вращая шкалу вновь, добиться равенства освещенностей полей.

8. Сделать отсчет угла по шкале.

9. Пункты 6-8 повторить для всех 3-х кюветов.

10. Данные измерений занести в таблицу измерений угол поворота плоскости поляризации c раствором сахара в 1-м кювете.

Также определяем:



и

Концентрации растворов в кюветах указывает преподаватель или лаборант. Т.к.:

то:

; ; ;

N кюветы	С				i ? k	i ? k

Контрольные вопросы:

1. Какие вещества называется оптически активными?

2. В чем состоит закон Малюса?

3. В чем состоит закон Био?

4. Что такое удельное вращение раствора?

5. Для чего используется в приборе светофильтр?

6. Какова функция разрезной кварцевой пластины?

7. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации света в растворе?



ЛИТЕРАТУРА

1. И.В. Савельев Курс общей физики, II, III том, 1984 г.

2. Г.А. Зисман и О.М. Тодес Курс общей физики, III - том.

3. Б.М. Яворский и А.А. Детлаф Курс физики, III том.



ПРИЛОЖЕНИЕ

Некоторые астрономические величины

Наименование	Величина (среднее значение)
Радиус Земли	6.37 106 м
Масса Земли	5.98 1024 кг
Радиус Солнца	6.95 108 м
Масса Солнца	1.98 1030 кг
Масса Луны	7.35 1022 кг
Радиус Луны	1.74 106 м
Расстояние от центра Земли до центра Солнца	1.49 1011 м
Расстояние от центра Земли до центра Луны	3.84 108 м
Период обращение Луны вокруг Земли	27.3 сут.=2.36106 с

Свойства некоторых твердых тел

Вещество	Плотность кг/м3	Температура плавления, 0С	Удельная теплоемкость	Удельная теплота плавления, ж/кг	Температурный коэффициент линейного расширения, град-1
			Ж/кг•/ град.	Ккал / кг•град
Алюминий	2600	659	896	0,214	3,22105	2,310-5
Железо	7900	1530	500	0,119	2,72105	1,210-5
Латунь	8400	900	386	0,092	-	1,9х10-5
Лед	900	0	2100	0,5	3,35105	-
Медь	8600	1100	395	0,094	1,76105	1,610-5
Олово	7200	232	230	0,055	5,86104	2,710-5
Платина	21400	1770	117	0,028	1,13105	0,8910-5
Пробка	200		2050	0,49	-
Свинец	11300	327	126	0,03	2,26104	2,910-5
Серебро	10500	960	234	0,056	8,8104	1,910-5
Сталь	7700	1300	460	0,11	-	1,0610-5
Цинк	7000	420	391	0,093	1,17105	2,910-5



Свойства некоторых жидкостей

Вещество	Плотность кг/м3	Удельная теплоемкость (200С)	Поверхностное натяжение (200С), Н/м
		Ж/кг•град	Кал/г.град
Бензол	880	1720	0,41	0,03
Вода	1000	4190	1	0,073
Глицерин	1200	2430	0,58	0,064
Касторовое масло	900	1800	0,43	0,035
Керосин	800	2140	0,051	0,03
Ртуть	13600	138	0,033	0,5
Спирт	790	2510	0,6	0,02

Свойства упругости некоторых твердых тел

Вещество	Предел прочности, Н/м	Модуль Юнга, Н/м2
Алюминий	1,1 108	6,9 1010
Железо	2,94 108	19,6 1010
Медь	2,45 108	11,8 1010
Свинец	0,2 108	1,57 1010
Серебро	2,9 108	7,4 1010
Сталь	7,85 108	21,6 1010

Значение тригонометрических функций

Угол	Sin	tg	сtg	cos	угол
0	0	0		1	90
1	0,0175	0,0175	57,29	0,9998	89
2	0,0349	0,0349	28,64	0,9994	88
3	0,0524	0,0524	19,08	0,9986	87
4	0,0698	0,0699	14,3	0,9976	86
5	0,0872	0,0875	11,43	0,9962	85
6	0,1045	0,1051	9,514	0,9945	84
7	0,1219	0,1228	8,144	0,9925	83
8	0,1392	0,1405	7,115	0,9908	82
9	0,1564	0,1584	6,314	0,9877	81
10	0,1736	0,1763	5,671	0,9848	80
11	0,1908	0,1944	5,145	0,9816	79
12	0,2079	0,2126	4,705	0,9781	78
13	0,225	0,3209	4,331	0,9744	77
14	0,2419	0,2498	4,011	0,9703	76
15	0,2588	0,2679	3,732	0,9659	75
16	0,2756	0,2867	3,487	0,9613	74
17	0,2924	0,3057	3,271	0,9563	73
18	0,309	0,3249	3,078	0,9511	72
19	0,3256	0,3443	2,904	0,9455	71
20	0,342	0,364	2,747	0,9397	70
21	0,3584	0,3839	2,805	0,9336	69
22	0,3746	0,404	2,475	0,9272	68
23	0,3997	0,4245	2,356	0,9205	67
24	0,4067	0,4452	2,246	0,9135	66
25	0,4226	0,4463	2,145	0,9063	65
26	0,4384	0,4877	2,05	0,8988	64
27	0,454	0,5065	1,163	0,891	Страница:  1   2  методичка "Основы физики (оптика)" скачать Подобные документы Оптическая физика Определение фокусных расстояний собирающих и рассеивающих линз, увеличения и оптической длины трубы микроскопа, показателя преломления и средней дисперсии жидкости, силы света лампочки накаливания и ее светового поля. Изучение законов фотометрии. методичка [1023,5 K], добавлен 17.05.2010 Исследование дисперсионных свойств стеклянной призмы в области видимого света спектрометром ГС-5 Спектрометрический способ, способ преломления при помощи спектрометра (гониометра). Показатели преломления вещества призмы. Угол наименьшего отклонения и показатели преломления стеклянной призмы. Определение дисперсии, разрешающей силы стеклянной призмы. лабораторная работа [75,7 K], добавлен 15.02.2010 Оптические свойства материалов и методы их изучения Измерение показателя преломления для плоско-параллельной пластинки. Измерение показателя преломления трехгранной призмы с помощью 4-х иголок. Изучение светопропускающих качеств разных материалов с помощью фотоэлемента. Определение увеличения микроскопа. методичка [1009,3 K], добавлен 22.06.2015 Постановка опытов по геометрической оптике с использованием призмы в средней школе Воззрения древних мыслителей о природе света на простейших наблюдениях явлений природы. Элементы призмы и оптические материалы. Демонстрация влияния показателей преломления света материала призмы и окружающей среды на явление преломления света в призме. курсовая работа [229,3 K], добавлен 26.04.2011 Изучение зрительной трубы Определение увеличения зрительной трубы. Определение поля зрения оптической трубы. Определение разрешающей способности оптических систем. Предел разрешения. Определение предела разрешения глаза, систем зрительная труба – глаз. лабораторная работа [212,8 K], добавлен 09.03.2007 Оптика. Световые явления. Законы отражения и преломления света Определение оптики. Квантовые свойства света и связанные с ними дифракционные явления. Законы распространения световой энергии. Классические законы излучения, распространения и взаимодействия световых волн с веществом. Явления преломления и поглощения. презентация [1,3 M], добавлен 02.10.2014 Основы оптики Определение показателя преломления стекла. Определение радиуса кривизны линзы по кольцам Ньютона. Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки. Экспериментальная проверка закона Малюса. Зависимость силы фототока от освещенности. методичка [3,9 M], добавлен 04.01.2012 Свет. Основные светотехнические величины и единицы Особенности физики света и волновых явлений. Анализ некоторых наблюдений человека за свойствами света. Сущность законов геометрической оптики (прямолинейное распространение света, законы отражения и преломления света), основные светотехнические величины. курсовая работа [2,1 M], добавлен 13.10.2012 Измерение длины световой волны с помощью бипризмы Френеля Проведение измерения длины световой волны с помощью бипризмы Френеля. Определение расстояний между мнимыми источниками света и расчет пути светового излучения от мнимых источников до фокальной плоскости микроскопа. Расчет ширины интерференционных полос. лабораторная работа [273,5 K], добавлен 14.12.2013 Определение показателя преломления твердых тел с помощью микроскопа Ознакомление с методами измерения показателя преломления с помощью микроскопа. Вычисление погрешности измерений для пластинок из обычного стекла и оргстекла. Угол отражения луча. Эффективность определения коэффициента преломления для твердого тела. лабораторная работа [134,3 K], добавлен 28.03.2014 Геометрическая оптика и дисперсия света Длины световых волн. Закон прямолинейного распространения света. Относительные показатели преломления. Явление полного внутреннего отражения для построения световодов. Вектор плотности потока энергии. Фазовая и групповая скорости монохроматической волны. реферат [893,5 K], добавлен 20.03.2014 Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки Изучение дифракции света на одномерной решетке и определение ее периода. Образование вторичных лучей по принципу Гюйгенса-Френеля. Расположение главных максимумов относительно центрального. Измерение среднеарифметического значения длины световой волны. лабораторная работа [67,1 K], добавлен 25.11.2010 Оптика История развития, основные понятия и законы геометрической оптики. Элементы призмы и оптические материалы. Демонстрационные опыты с использованием: стеклянной призмы с преломляющим углом 90º; пустотелой стеклянной призмы, и заполненной воздухом. курсовая работа [610,8 K], добавлен 20.03.2011 Волны. Геометрическая оптика Рассмотрение шкалы электромагнитных волн. Закон прямолинейного распространения света, независимости световых пучков, отражения и преломления света. Понятие и свойства линзы, определение оптической силы. Особенности построения изображения в линзах. презентация [1,2 M], добавлен 28.07.2015 Определение частотной дисперсии стеклянной призмы с помощью гониометра Электронная, классическая теория частотной дисперсии. Монохроматическая волна, коэффициент затухания, преломления. Экспериментальная установка: гониометр-спектрометр, коллиматор. Измерение угла между гранями с помощью автоколлиматора, методом отражения. лабораторная работа [111,8 K], добавлен 15.02.2010 Определение длины волны света с помощью дифракционной решетки Волновые и квантовые аспекты теории света. Теоретические вопросы интерференции и дифракции. Оценка технических возможностей спектральных приборов, дифракционной решетки. Методика определения длины волны света по спектру от дифракционной решетки. методичка [211,1 K], добавлен 30.04.2014 Оптика и оптические явления в природе Что такое оптика? Ее виды и роль в развитии современной физики. Явления, связанные с отражением света. Зависимость коэффициента отражения от угла падения света. Защитные стёкла. Явления, связанные с преломлением света. Радуга, мираж, полярные сияния. реферат [3,1 M], добавлен 01.06.2010 Экспериментальное исследование светового поля источника видимого излучения Устройство фотометрической головки. Световой поток и мощность источника света. Определение силы света, яркости. Принцип фотометрии. Сравнение освещенности двух поверхностей, создаваемой исследуемыми источниками света. лабораторная работа [53,2 K], добавлен 07.03.2007 Интерференция света в тонких плёнках Сущность закона преломления света. Условие максимума и минимума интерференции. Соотношение для напряженностей падающей и отраженной волны. Определение скорости уменьшения толщины пленки. Сущность оптической длины пути и оптической разности хода. контрольная работа [68,4 K], добавлен 24.10.2013 Геометрическая оптика Первые представления о природе света и теория зрительных лучей Евклида. Анализ законов геометрической оптики методом Гюйгенса и выведение законов отражения и преломления. Физический смысл показателя преломления и явление полного внутреннего отражения. презентация [493,3 K], добавлен 07.09.2010 Другие документы, подобные "Основы физики (оптика)" главная рубрики по алфавиту вернуться в начало страницы вернуться к началу текста вернуться к подобным работам Рубрики По алфавиту Закачать файл Заказать работу весь список подобных работ скачать работу можно здесь сколько стоит заказать работу? Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу. © 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены