Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 9 из 14)
Порядок выполнения работы
1. Пользуясь справочными данными (см. Приложение D) построить график зависимости чувствительности человеческого глаза от длины волны излучения – photopic кривую.
2. 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.
3. Установить по согласованию с преподавателем ширину выходной щели монохроматора 3. Приняв высоту выходной щели равной 16 мм, вычислить ее площадь. Занести эти значения в протокол измерений.
4. Установить за выходной щелью монохроматора приемную головку измерителя мощности излучения 4.
5. Включить, прогреть и откалибровать измеритель мощности излучения (в соответствии с его техническим описанием и инструкцией по эксплуатации), после чего установить переключателем на передней панели его измерительного блока предел 0,003 Вт. Регулировкой нуля установить по шкале показания «0».
6. Вращая барабан монохроматора из положения 1500° в положение 3500°, снять через 50° зависимость мощности излучения от его длины волны, результаты занести в протокол измерений.
7. Установить переключатель рода работ в положение «арретир» и тумблером на измерительном блоке выключить измеритель мощности излучения.
8. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую спектра мощности излучения.
9. Установить вместо приемной головки измерителя мощности приемную головку люксметра 5 (без насадок), после чего установить переключателем на верхней панели его измерительного блока самый чувствительный предел.
10. В зависимости от площади выходной щели монохроматора найти по градуировочному графику коэффициент, корректирующий показания люксметра при частичном заполнении измеряемым светом его приемной апертуры. Вращая барабан монохроматора из положения 1500° в положение 3500°, снять через 50° зависимость освещенности приемной апертуры люксметра от длины волны засветки. Отсчеты по барабану и скорректированные показания занести в протокол измерений.
11. Выключить источник света.
12. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую спектра освещенности.
13. Исправить при необходимости обе зависимости, вычитая из первой, снятой в п. 4, значение минимального (в спектре) отсчета, а из второй, снятой в п. 7, фоновые показания.
13. Пронормировать исправленный спектр освещенности на исправленный спектр мощности излучения, приняв предварительно максимальный отсчет в последнем за единицу.
14. Построить в программном пакете Harvard Graphics экспериментальную кривую спектральной чувствительности человеческого глаза.
15. Исходя из исправленных значений освещенности и мощности излучения в максимуме кривой, определить механический эквивалент 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 восприятия света (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 площади выходной щели монохроматора,
- таблицу с результатами измерения мощности излучения и освещенности на каждой длине волны,
- экспериментальный график кривой спектра мощности излучения,
- экспериментальный график кривой спектра освещенности.
6. Экспериментальный график кривой спектральной чувствительности человеческого глаза.
7. Справочный график зависимости чувствительности человеческого глаза от длины волны (можно на графике п. 6).
8. Подробные выкладки с результатами определения механического эквивалента света.
9. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин:
- рассогласования экспериментальной и справочной кривых;
- отличия найденного значения механического эквивалента света от приводимого в учебной литературе [13, 14, 15].
Лабораторная работа № 10
ТОНКАЯ ЛИНЗА
Цель работы: изучение закономерностей построения изображения с помощью тонкой линзы.
Задача работы: экспериментально определить фокусное расстояние и продольную хроматическую аберрацию тонкой линзы.
Техника безопасности
При выполнении лабораторной 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 нужно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.
Лабораторная установка
 |
Внешний вид и устройство установки для исследования работы тонкой линзы иллюстрируются ее фотографией на рис. 10.
Рис. 10. Лабораторная установка для исследования тонкой линзы.
 |
Увеличенное Уменьшенное Нормальное
изображение. изображение. изображение.
Здесь: 1 – протяженный источник света (горизонтально расположенная галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе с отражателем и выходным окном 110
70 мм, питающаяся переменным напряжением 220 В);2 – сменный светофильтр 80
мм;3 – исследуемая тонкая линза, исправленная на сферическую аберрацию;
4 – экран;
5 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;
6 – рельс с линейкой (цена деления 1 мм) во всю длину.
Ящик с набором сменных светофильтров 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. 414…423; [2] на стр. 161…165.
[14] на стр. 308…330 и 337…346.
Контрольные вопросы
1. Типы и виды линз. Параметры линзы.
2. Как и насколько изменится фокусное расстояние линзы из стекла с показателем преломления
, если одну из ее сферических поверхностей погрузить в жидкость с показателем преломления 
?3. Правило знаков в геометрической оптике.
4. Понятие тонкой линзы и её формула (в отрезках).
5. Увеличение тонкой линзы. Инвариант Лагранжа-Гельмгольца.
6. Изображение, даваемое тонкой линзой. Формула Ньютона.
7. Как зависит фокусное расстояние тонкой линзы от ее геометрии и показателя преломления ее материала?
8. Оптическая сила тонкой линзы. Определение диоптрии.
9. Явление хроматической аберрации. Продольная и поперечная хроматическая аберрация.
10. Иные виды аберраций.
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. Вынуть из ящика красный светофильтр 2 (λ=640…760 нм) и установить его в держатель между источником света 1 и исследуемой линзой 3.
3. Установить линзу 3 так, чтобы на экране 4 было чётко видно увеличенное изображение нити накала в лампе источника.
4. Измерить расстояния:
- от лампы до линзы
;- от линзы до экрана
.Результаты занести в протокол измерений.
5. Вычислить фокусное расстояние f линзы, используя для этого выражение
. Результат занести в протокол измерений.6. Установить линзу так, чтобы на экране было чётко видно уменьшенное изображение нити накала в лампе. Повторить операции п. 4 … п. 5.