Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 6 из 14)

- запрещается заглядывать под кожух при включенном источнике света и совать под свет блестящие предметы;

- запрещается прикасаться к кожуху источника света, как включенного, так и в течение первых 10 минут после выключения;

- 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 нужно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования интерференции света иллюстрируются ее фотографией на рис. 6.

Рис. 6. Лабораторная установка для исследования интерференции света.

Здесь: 1 – протяженный источник света (вертикально расположенная галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе с отражателем и выходным окном 70

110 мм, питающаяся переменным напряжением 220 В);

2 – объектив (кварцевая линза диаметром 60 мм и фокусным расстоянием 100 мм);

3 – монохроматор УМ-2, в том числе а) вертикально расположенная регулируемая от 0 до 4 мм щель с отсчетным устройством (цена деления шкалы барабана 0,01 мм), б) входная (коллиматорная) труба, в) призменный стол под кожухом, г) барабан с устройством отсчета (0…3500 отн. ед.) угла поворота призменного стола либо длины волны монохроматического излучения, д) выходная труба, – см. Приложение C;

4 – микроскоп МБУ-4 для наблюдения интерференционной картины, в том числе а) штатный монокулярный тубус, б) окуляр 7^× с визиром, в) объектив (линза f = 35 мм в резьбовой оправе), г) предметный столик, д) наводка на резкость (грубая), е) наводка на резкость (тонкая), ж) стойка, з) башмак, – см. Приложение C;

5 – полупрозрачное зеркало 55

65 мм, отклоняющее горизонтальный пучок на выходе монохроматора вниз;

6 – плоскопараллельная стеклянная пластинка 35

42 мм;

7 – двояковыпуклая стеклянная линза диаметром 36 мм;

8 – светопоглощающий экран;

9 – часовой индикатор для замера смещения интерференционной картины вправо и влево на ±5 мм;

10 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

11 – рельсы.

Монохроматор на фотографии показан в той комплектности, в которой он используется в настоящей лабораторной работе.

Теория изучаемого явления

Основные теоретические положения и все необходимые для выполнения лабораторной работы теоретические выкладки обобщены в следующих учебниках:

[1] на стр. 358…367; [2] на стр. 129…136.

[14] на стр. 36…40 и 55…68.

Контрольные вопросы

1. Явление интерференции.

2. Способы наблюдения интерференции.

3. Что такое апертурный угол интерференции?

4. Полосы равного наклона.

5. Полосы равной толщины.

6. Где локализуются полосы равного наклона; равной толщины?

7. Кольца Ньютона.

8. Уравнение колец Ньютона.

9. Почему кольца Ньютона наблюдаются в отраженном свете, а не в проходящем?

10. Как можно использовать интерференцию в спектральном анализе?

Порядок выполнения работы

1. Включить источник света 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. Вращая барабан монохроматора 3, установить сине-фиолетовую подсветку пятна контакта пластинки 6 с линзой 7. Зафиксировать ее длину волны

в протоколе измерений.

3. Вращая левой рукой механизм перемещения пакета из пластинки 6, линзы 7 и экрана 8, установить перекрестье окуляра на k-е светлое кольцо справа от центра интерференционной картины. Снять показания часового индикатора 9.

4. Продолжая вращение, установить перекрестье окуляра на k-е светлое кольцо слева от центра интерференционной картины. Снять показания часового индикатора.

5. Вычислить радиус

k–го кольца, как полуразность показаний п. 4 и п. 3. Результат занести в протокол измерений.

6. Пользуясь выражением

, вычислить радиус R кривизны линзы. Результат занести в протокол измерений.

7. Выполнить операции п. 3 … п. 6 четыре раза для других k. Найти среднее значение R. Пользуясь статистикой по пяти результатом, оценить случайную погрешность измерения радиуса кривизны.

8. Вращая барабан монохроматора, установить красную подсветку пятна контакта.

9. Проделать операции п. 3 … п. 5.

10. Вычислить длину волны

подсветки, пользуясь выражением , где R – среднее значение радиуса кривизны, определенное в п. 7. Результат занести в протокол измерений.

11. Выполнить операции п. 9 … п. 10 четыре раза для других k. Найти среднее значение

. Пользуясь статистикой по пяти результатам, оценить случайную погрешность измерения длины волны.

12. Выключить источник света.

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 интерференции (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 номерами максимумов, отсчетами и результатами измерения радиусов интерференционных колец в свете известной длины волны,

- таблицу с номерами максимумов, отсчетами и результатами измерения радиусов интерференционных колец в свете неизвестной длины волны.

6. Подробные выкладки с результатами вычисления радиуса кривизны верхней сферической поверхности линзы, отражение от которой обеспечивает появление интерференционной картины.

7. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения радиуса кривизны.

8. Подробные выкладки с результатами вычисления длины волны света, в котором наблюдается интерференционная картина.

9. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения длины волны.

10. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения случайных погрешностей измерения:

- радиуса кривизны,

- длины волны.

Лабораторная работа № 7

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Цель работы: изучение закономерностей дифракции монохроматического света на щели и дифракционной решетке.

Задача работы: экспериментально определить длину волны лазерного излучения и порядок дифракционной решетки.

Техника безопасности

При выполнении лабораторной работы студент может столкнуться со следующими опасными и вредными производственными факторами:

- сетевое переменное напряжение (220 В, 50 Гц);

- импульсное напряжение питания излучателя лазера (при запуске до 12 000 В);

- 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;

- запрещается прикасаться к источнику питания и проводам лазера, как включенного, так и в течение первых 10 минут после выключения;

- 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 нужно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования дифракции света иллюстрируются ее фотографией на рис. 7.

Рис. 7. Лабораторная установка для исследования дифракции света.

Наблюдение дифракции на щели. Наблюдение дифракции на решетке.

Здесь: 1 – излучатель газового лазера ЛГН-207 / ЛГН-208 (мощность излучения

1 мВт и диаметр пучка мм), – см. Приложение C;

2 – вертикально расположенная регулируемая от 0 до 4 мм щель с отсчетным устройством (цена деления шкалы барабана 0,01 мм);