Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 11 из 14)
16. Найти альбедо ламбертова образца, как отношение мощности рассеянного поверхностью света к произведению освещенности экрана на площадь маски.
17. Учитывая отклонение кривой от закона Ламберта, вычислить методическую погрешность измерения альбедо.
Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие материалы:
1. Титульный лист (см. Приложение А).
2. Цель и задачу работы.
3. Краткое изложение теории матового экрана (как правило, в том объеме, в котором это необходимо для уверенного ответа на контрольные вопросы).
4. Оптическую схему лабораторной установки с расшифровкой ее элементов.
5. Протокол измерений, подписанный преподавателем еще при выполнении лабораторной работы и содержащий:
- результаты измерения освещенности экрана,
- результаты измерения мощности рассеянного экраном света при вариации угла разворота экрана,
- экспериментальные графики зависимости мощности рассеянного света от угла разворота экрана.
6. Формулу аппроксимирующей функции и выкладки, к этой формуле приводящие.
7. Теоретическую кривую зависимости мощности рассеянного света от угла разворота экрана (можно на графике п. 5).
8. Подробные выкладки с результатами вычисления альбедо.
9. Подробные выкладки с результатами оценки систематической погрешности измерения альбедо.
10. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин:
- рассогласования экспериментальной и теоретической кривых;
- возникновения систематической погрешности измерения.
Лабораторная работа № 12
ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД
Цель работы: изучение закономерностей передачи света с помощью волоконного световода.
Задача работы: экспериментально определить числовую апертуру и материалы световода.
Техника безопасности
При выполнении работы студент может столкнуться со следующими опасными и вредными производственными факторами:
- сетевое переменное напряжение (220 В, 50 Гц);
- повышенный уровень яркости излучателя;
- значительная масса отдельных составных частей лабораторной установки.
Отсюда вытекают следующие требования техники безопасности при выполнении лабораторной работы:
- подключение (отключение) электрических устройств к сети должно производиться только в присутствии преподавателя или лаборанта;
- запрещается заглядывать в выходное окно лазера при включенном питании и совать в его пучок блестящие предметы;
- не допускается перемещение установки, разборка и нештатное использование ее элементов: а) падение некоторых из них может серьезно повредить руки/ноги не только собственные, но и соседа; б) разбитое при падении стекло можно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.
Лабораторная установка
Внешний вид и устройство установки для исследования работы волоконного световода иллюстрируются ее фотографией на рис. 12.
Рис. 12. Лабораторная установка для исследования волоконного световода.
 |
Асимметричный нониус. Юстировка пучка на входное окно световода.
Здесь: 1 – излучатель полупроводникового лазера HLDPM10-650-3 (мощность излучения » 3 мВт и сечение пучка » 1´2 мм), – см. Приложение С;
2 – источник питания полупроводникового лазера;
3 – волоконный световод;
4 – гониометр для измерения угла поворота световода, в том числе а) стол поворотный (360°), б) крепление световода к поворотному столу, в) два устройства отсчета угла поворота стола (10' с нониусом). Лупа для наблюдения показаний гониометра на фотографии не показана;
5 – измеритель мощности оптического излучения, в том числе а) входное окно диаметром 10 мм с разъемом для крепления световода, б) цифровое табло для отсчета значений мощности засветки входного окна в относительных единицах, в) выключатель питания, г) переключатель постоянной времени измерений (при работе должен быть установлен в положение 1 с), д) четыре выключателя для селекции потребного спектрального диапазона, устанавливаемого преподавателем, – см. Приложение С;
6 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;
7 – рельс.
Измеритель мощности излучения может работать и от встроенного источника питания (аккумулятора), и от внешнего (сетевого адаптера). Последний на фотографии не показан.
Теория изучаемого явления
Основные теоретические положения и все необходимые для выполнения лабораторной работы теоретические выкладки обобщены в следующих учебниках:
[1] на стр. 386…387; [2] на стр. 188…189.
[13] на стр. 482…488 и 898…899; [14] на стр. 18…21 и 145…148; [15] на стр. 21 и 163…166.
Контрольные вопросы
1. Явление полного внутреннего отражения. Опыт Мандельштама-Зелени.
2. Как определяется предельный угол падения?
3. Оптоволокно: устройство и принцип действия.
4. Разновидности оптоволокна и волоконные световоды.
5. Параметры волоконных световодов.
6. Почему при засветке входной апертуры световода протяженным источником на выходе получается кольцо?
7. Как зависит числовая апертура световода от свойств его материалов? Выведите формулу, исходя из закономерностей полного внутреннего отражения.
8. Зависимость пропускания световода от угла падения луча на его входной торец. Какими факторами она обусловлена?
9. Зачем при сращивании световодов применяют иммерсию?
10. Показать аналитически, что при полном внутреннем отражении тангенс полуразности фаз ┴ и || компонент отраженного света равен
.Порядок выполнения работы
1. Включить лазер 1. При необходимости провести с помощью преподавателя юстировку оптической схемы. По окончании юстировки положение всех, кроме упоминаемых ниже особо, оптических элементов схемы должно оставаться постоянным до окончания измерений: разъюстировка хотя бы одного элемента даже на завершающей стадии работы может привести к необходимости проводить все измерения заново. Особенно отметим такую ситуацию, когда факт разъюстировки ни «на глаз» ни «по показаниям» незаметен, а проявляется лишь при обработке результатов.
2. Включить измеритель мощности излучения 5.
3. Методом автоколлимации лазерного пучка установить излучатель так, чтобы получить минимально возможный угол падения излучения на торец световода 3.
4. Снять значение угла падения по нониусу гониометра 4 и значение мощности излучения на выходе световода по цифровому табло измерителя; результаты занести в протокол измерений.
5. Развернуть излучатель вокруг входного окна световода на 1° и снять показания измерителя. Значение угла падения и мощности излучения занести в протокол.
6. Проделывать операции п. 5 до тех пор, пока падение не станет скользящим.
7. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости пропускания световода от угла падения.
8. Из графика определить угловую апертуру 2α световода (по уровню мощности излучения, указанному преподавателем).
9. Пользуясь той же кривой, оценить методическую погрешность измерения апертурного угла.
10. Вычислить числовую апертуру световода для заданных преподавателем условий его эксплуатации.
11. Пользуясь полученными у преподавателя справочными данными (пропускание световода), вычислить, исходя из формулы для отражательной способности (см. стр. 13) и пренебрегая поглощением стекла, показатель преломления
материала сердцевины световода.12. Пользуясь выражением
, вычислить показатель преломления 
материала оболочки световода.13. По таблице (Приложение Е) найти марки стекол, из которых выполнены сердцевина и оболочка.
14. Выключить измеритель мощности излучения.
15. Выключить лазер.
Содержание отчета
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие материалы:
1. Титульный лист (см. Приложение А).
2. Цель и задачу работы.
3. Краткое изложение теории волоконного световода (как правило, в том объеме, в котором это необходимо для уверенного ответа на контрольные вопросы).
4. Оптическую схему лабораторной установки с расшифровкой ее элементов.
5. Протокол измерений, подписанный преподавателем еще при выполнении лабораторной работы и содержащий:
- таблицу с результатами измерения мощности излучения при каждом угле падения;
- экспериментальный график зависимости пропускания световода от угла падения света на его входной торец;
- значения угловой апертуры световода и уровня мощности излучения, на котором она определена (можно на том же графике).
6. Подробные выкладки с результатами вычисления числовой апертуры световода.
7. Подробные выкладки с результатами оценки методической погрешности определения угловой апертуры.
8. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения погрешности:
- измерения числовой апертуры;
- определения материала оболочки.