Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 7 из 14)
3 – дифракционная решетка 20
20 мм с вертикальным расположением штрихов для работы в проходящем свете;4 – двусторонний экран с визиром, отсчетным устройством перемещения экрана на
мм (цена деления шкалы часового индикатора 0,1 мм) на одной стороне и 300 мм линейкой (цена деления шкалы 1 мм) на другой стороне;5 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;
6 – рельс с линейкой (цена деления 1 мм) во всю длину.
Импульсный источник питания газового лазера ЛГН-207 / ЛГН-208 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. 367…377; [2] на стр. 138…146.
[14] на стр. 99…117.
Контрольные вопросы
1. Явление дифракции.
2. Случай дифракции Фраунгофера.
3. Может ли дифракция Фраунгофера наблюдаться без использования линзы?
4. Зависимость распределения освещенности от ширины щели.
5. Как влияет на дифракционную картину размер источника света?
6. Дифракционная решетка: устройство и принцип действия.
7. Уравнение дифракционной решетки.
8. Что такое постоянная решетки? Как влияет значение этой постоянной на дифракционную картину?
9. Что такое порядок дифракционного спектра?
10. Разновидности дифракционных решеток.
Порядок выполнения работы
1. Под наблюдением преподавателя включить лазер 1 и при необходимости провести 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. Установить ширину
щели 2 такой, чтобы на экране была четко видна картина дифракции с не менее чем 10 максимумами по каждую сторону от нулевого (левое нижнее фото). Снять отсчет ширины щели. Результат занести в протокол измерений.3. Измерить расстояния:
- по рельсу от щели 2 до экрана 4,
- по экрану от нулевого до некоторого k-го максимума.
Результаты занести в протокол измерений.
4. По данным п. 3 вычислить синус угла
между нулевым и k-м максимумами. Результат занести в протокол измерений.5. Пользуясь выражением
, найти длину волны лазерного излучения. Результат занести в протокол измерений.6. Выполнить операции п. 3 … п. 5 четыре раза для других k. Найти среднее значение
. Пользуясь статистикой по пяти результатам, оценить случайную погрешность измерения длины волны.7. Раскрыв щель 2, установить в пучок дифракционную решетку 3 (правое нижнее фото).
8. Измерить расстояния:
- по рельсу от решетки 3 до экрана 4,
- по экрану от нулевого до некоторого k-го максимума.
Результаты занести в протокол измерений.
9. По данным п. 8 вычислить синус угла
между нулевым и k-м максимумами. Результат занести в протокол измерений.10. Найти постоянную решетки b, пользуясь выражением
, где – среднее значение длины, определенное в п. 6. Результат занести в протокол измерений.11. Выполнить операции п. 8 … п. 10 четыре раза для других k. Найти среднее значение b. Пользуясь статистикой по пяти результатам, оценить случайную погрешность измерения постоянной решетки.
12. 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 дифракции (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:
- отсчеты и результаты измерения ширины щели и расстояния от щели до экрана,
- таблицу с номерами максимумов, отсчетами и результатами измерения расстояний между дифракционными максимумами, результатами вычисления синусов углов между дифракционными максимумами при еще неизвестной длине волны излучения,
- отсчеты и результаты измерения расстояния от дифракционной решетки до экрана,
- таблицу с номерами максимумов, отсчетами и результатами измерения расстояний между дифракционными максимумами, результатами вычисления синусов углов между дифракционными максимумами при уже известной длине волны излучения.
6. Подробные выкладки с результатами вычисления длины волны излучения используемого лазера.
7. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения длины волны.
8. Подробные выкладки с результатами вычисления постоянной используемой решетки.
9. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения постоянной решетки.
10. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения случайных погрешностей измерения:
- длины волны,
- постоянной решетки.
Лабораторная работа № 8
РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА
Цель работы: изучение закономерностей распространения света в однородной прозрачной среде.
Задача работы: экспериментально определить угловую апертуру измерителя мощности излучения.
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 источника света;
- повышенная температура кожуха источника света;
- 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 под кожух при включенном питании источника 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 можно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.
Лабораторная установка
 |
Внешний вид и устройство установки для исследования распространения света иллюстрируются ее фотографией на рис. 8.
Рис. 8. Лабораторная установка для исследования распространения света.
Здесь: 1 – протяженный источник света (горизонтально расположенная галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе с отражателем и выходным окном 70´110 мм, питающаяся переменным напряжением 220 В);
2 – рассеиватель (матовое стекло в экране с окном 16´60 мм);
3 – измеритель мощности оптического излучения, в том числе а) входное окно диаметром 10 мм, 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 1с), д) четыре выключателя для селекции потребного спектрального диапазона, устанавливаемого преподавателем, – см. Приложение С;
4 – стойка для измерителя мощности оптического излучения с устройствами его подъема, наклона (0 … 90°), фиксации и отсчета;
5 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;
6 – рельс с линейкой (цена деления 1 мм) во всю длину.
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. 426, 445 и 464…465.
[14] на стр. 250…255, 268…269, 351 и 374; [15] на стр. 33…34.
Контрольные вопросы
1. Предмет и метод геометрической оптики.
2. Распространение света в однородной среде. Параметры и характеристики светового пучка.
3. Закон первой степени косинуса.
4. Закон Кеплера.
5. Закон четвертой степени косинуса.
6. Определите линейную, угловую и числовую апертуру применительно к измерителю мощности излучения.
7. На каких положениях геометрической оптики базируется астрономический парадокс Ольберса: «Если бы звезды в масштабах вселенной были распределены равномерно, то небо ночью выглядело бы для нас сплошь светящимся».
8. В каком случае Солнце можно полагать точечным источником света, а в каком – протяженным?