Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Волновая оптика Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 84

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Постоянная дифракционной решетки d = ______________

Таблица 1

Цвет светофильтра _______________________

№

п/п

Номер m

максимума

см

l’,

мм

’’,

мм

λ,

нм

Среднее

Таблица 2

Цвет светофильтра _______________________

№

п/п

Номер m

максимума

см

l’,

мм

’’,

мм

λ,

нм

Среднее

Дата________ Подпись преподавателя___________________

241

Описания лабораторных работ Волновая оптика

Лабораторная работа №85

ЗНАКОМСТВО С РАБОТОЙ САХАРИМЕТРА.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНЫХ РАСТВОРОВ

Цель работы − ознакомиться с работой сахариметра, определить концен-

трацию растворов сахара.

Приборы и принадлежности: сахариметр, трубки с раствором сахара.

Общие положения

Электромагнитные волны являются поперечными. Это означает, что век-

тор напряженности электрического поля

и вектор напряженности магнитно-

го поля

располагаются в плоскости, перпендикулярной направлению рас-

пространения волны. Физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и

другие действия света вызываются колебаниями вектора напряженности элек-

трического поля

. Поэтому его называют световым вектором. Направление

колебаний светового вектора с течением времени может меняться. Если все на-

правления колебаний светового вектора в плоскости, перпендикулярной на-

правлению распространения волны, равновероятны, то свет называют естест-

венным.

Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо обра-

зом, называется поляризованным. Если колебания светового вектора происхо-

дят только в одной проходящей через луч плоскости, то свет называется плоско

(или линейно) поляризованным. Явлением поляризации называется выделение

поляризованного света из естественного.

При прохождении поляризованного света через некоторые вещества про-

исходит поворот плоскости поляризации световой волны. Это явление называ-

ется вращением плоскости поляризации. Вещества, которые способны повора-

чивать плоскость поляризации падающих на них волн, называются оптически

активными. Оптически активными могут быть как кристаллы, так и жидкости.

Например, кварц, раствор сахара, глюкозы. Различают правое вращение, или

положительное и левое, или отрицательное. При правом вращении плоскость

поляризации поворачивается по часовой стрелке для луча, падающего в глаз

наблюдателя, при левом – в противоположном направлении.

Для оптически активных жидкостей угол поворота плоскости поляриза-

ции определяется соотношением:

[

]

lca

, (1)

где l – толщина слоя;

c – концентрация раствора;

[a] – удельная постоянная вращения, зависящая от природы вещества.

Измерение угла поворота плоскости поляризации производят с помощью

прибора, который называется поляриметром. Если его шкала проградуирована

в соответствии с концентрацией раствора сахара, то такой поляриметр называ-

ется сахариметром. Зная угол поворота плоскости поляризации, можно рассчи-

тать концентрацию раствора:

242

Волновая оптика Описания лабораторных работ

[]

= . (2)

Описание установки

В данной работе используется универсальный сахариметр СУ-4. Принцип

работы сахариметра состоит в следующем. Свет от источника проходит сначала

через поляризатор и поляризуется. Затем его пропускают через полутеневую пла-

стину, которая разделяет свет на две половины так, что плоскость поляризации

обеих половин светового пучка составит одинаковый угол с плоскостью пропус-

кания анализатора, расположенного после пластины. При этом в окуляре видны

два поля сравнения одинаковой яркости, разделенные тонкой линией (рис. 1

а).

Если в кюветное отделение между поляризатором и анализатором помес-

тить трубку с раствором саха-

ра, то раствор повернет плос-

кость поляризации. Равенство

полей сравнения нарушится

(рис. 1

б, в). Уравнивая яркость

полей сравнения, производят

отсчет по нониусу шкалы, ко-

торую наблюдают через верх-

ний окуляр. Поля сравнения

наблюдают через нижний окуляр.

Рисунок 1

В сахариметре применена международная сахарная шкала. 100

°S соответ-

ствуют 34,62

° угловым. Цена деления основной шкалы 1°S, цена деления но-

ниуса 0,05

°S. Установка нуля нониуса показана на рис. 2.

02550

75 100

100

102040

10 20 30 130

0.05 S

Рисунок 2

На рис. 3 показано положение но-

ниуса и шкалы, соответствующее отсчету

«+11,55

°S» (нуль нониуса расположен пра-

вее нуля шкалы на 11 полных делений и в

правой части нониуса с одним из делений

шкалы совмещается его одиннадцатое де-

ление).

На рис. 4 показано положение но-

ниуса и шкалы, соответствующее отсче-

ту «

−3,25°S» (нуль нониуса расположен

левее нуля шкалы на три полных деления

и в левой части нониуса с одним из деле-

ний шкалы совмещается его пятое деление).

02550

75 100

100

20 30

0.05 S

Рисунок 3

02550

75 100

100

0.05 S

1020

10 20

Рисунок 4

243

Описания лабораторных работ Волновая оптика

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. Какова цель работы?

2. Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

3. Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать постоянную вра-

щения сахариметра. Поясните смысл обозначений.

4. Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать концентрацию рас-

творов. Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

1. Включить шнур электропитания в сеть.

2. Включить кнопкой осветитель и установить рукой резистора такую яр-

кость полей, при которой наиболее четко воспринимается зрением разница

яркости полей сравнения.

3. Проверить установку нуля. Для этого надо закрыть крышку кюветного от-

деления без установки в нем кюветы. Уравнять яркость полей сравнения

вращением ручки компенсатора, который находится под нижним окуля-

ром. Нулевое деление нониуса должно совместится с нулевым делением

шкалы (см. рис. 2). Если нулевой отсчет отличается от нуля не более чем

на одно деление нониуса, нуль считается установленным правильно.

4. Поместить в кюветное отделение в трубку с раствором известной концен-

трации (

= 26%). Длина трубки l

= 10 cм. Вращая ее вокруг своей оси

или перемещая по кюветному отделению, найти такое положение, при ко-

тором линия раздела полей сравнения делит поле зрения на две равные

части. Поля сравнения при этом имеют разную яркость (см. рис. 1

б, в).

5. Вращая ручку компенсатора, уравнять поля сравнения (см. рис 1

а) и снять

отсчет по шкале.

6. Повторить опыт с раствором известной концентрации еще два раза соглас-

но пункту 5. Перед началом каждого опыта нуль шкалы совмещать с нулем

нониуса.

7. Аналогичные измерения провести для двух трубок с растворами неизвест-

ной концентрации. Длина трубок

l = 20 cм.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Найти среднее значение угла поворота плоскости поляризации раствором из-

вестной концентрации.

2. По найденному среднему значению угла поворота, известной длине трубки

и известной концентрации

, рассчитать постоянную вращения [а]:

[]

ср

. (3)

244

Волновая оптика Описания лабораторных работ

3. Рассчитать по формуле (2) концентрацию раствора в первой трубке по ре-

зультатам каждого опыта. Найти среднее значение концентрации.

4. Рассчитать по формуле (2) концентрацию раствора во второй трубке по ре-

зультатам каждого опыта. Найти среднее значение концентрации.

5. Рассчитать абсолютную погрешность как для прямых измерений для каждой

концентрации.

6. Найти относительную погрешность измерений каждого опыта. Записать

окончательные результаты в стандартном виде:

сcc

ср

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Какое явление изучалось в данной работе? В чем оно заключается?

2. С каким свойством электромагнитных волн связано явление поляризации?

3. Почему вектор напряженности электрического поля называют световым

вектором?

4. Какие вещества называются оптически активными? Приведите примеры оп-

тически активных веществ.

5. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации?

6. Каково назначение сахариметра?

245

Описания лабораторных работ Волновая оптика

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе № 85

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Таблица 1

№

п/п

см

ϕ,

°S

среднее

Таблица 2

№

п/п

см

ϕ,

°S

среднее

Таблица 3

№

п/п

см

ϕ,

°S

среднее

Дата________ Подпись преподавателя___________________

246

Волновая оптика Описания лабораторных работ

Лабораторная работа № 86

ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ С ПОМОЩЬЮ ГОНИОМЕТРА

Цель работы – ознакомиться с явлением дисперсии, ознакомиться с пра-

вилами работы с гониометром, рассчитать дисперсию материала призмы.

Приборы и принадлежности: гониометр-спектрометр Г5, стеклянная

призма, лампа накаливания, светофильтры, блок питания лампы накаливания.

Общие положения

В геометрической оптике показатель преломления вещества считается ве-

личиной постоянной. В действительности показатель преломления зависит от

частоты (длины волны) света.

Явление зависимости абсолютного показателя преломления вещества n от

частоты ν падающего на вещество света (или от длины волны в вакууме

ν=λ c

, где с – скорость света в вакууме) называется дисперсией света.

Если через призму пропустить бе-

лый свет, то на экране, установленном

позади призмы (рис. 1), наблюдается

видимая радужная полоска, состоящая

из семи цветов, которая называется

призматическим или дисперсионным

спектром.

Дисперсия называется нормаль-

ной в случае, если показатель прелом-

ления монотонно возрастет с увеличе-

нием частоты (убывает с увеличением

длин волны); в противном случае дис-

персия называется аномальной. На рис. 2 показана зависимость показателя пре-

ломления от частоты для нормальной и аномальной дисперсии.

Рисунок 1

Дисперсией вещества называется производная показателя преломления n

по длине волны λ

. С увеличением частоты

показатель преломления увеличивается со все

возрастающей скоростью, так что дисперсия

вещества

λddn

отрицательна и растет по мо-

дулю с уменьшением λ

Если сравнивать между собой спектры,

полученные от призм, изготовленных из раз-

личных материалов, то можно обнаружить,

что вещества отличаются не только показате-

лем преломления, но и формой кривой его зависимости от частоты. Это означа-

ет, что различные материалы обладают разной дисперсией.

n=1

Рисунок 2

Показатель преломления можно определить, изучая прохождение света

через призму. Пусть преломляющий угол призмы равен α (рис. 3). Угол откло-

247

Описания лабораторных работ Волновая оптика

нения луча от первоначального направления

∠

КВ

. При симметричном

ходе лучей угол отклонения примет минимальное значение. Используя закон

Снеллиуса и соотношения между углами треугольников, можно получить фор-

мулу связи показателя преломления

n материала призмы с преломляющим уг-

лом

sin

min

α+θ

. (1)

Мерой дисперсии служит разность

показателей преломления

21 λλ

−

= nnD

для различных

и λ

. В частности такой

мерой служит средняя дисперсия, кото-

рая определяется следующим образом:

Рисунок 3

nnD

−

, (2)

где n

– показатель преломления для λ=486,1 нм (зелено-голубая линия водоро-

да, F), а

– показатель преломления для λ=656,3 нм (красная линия водорода,

C).

Каждому материалу соответствует своя

дисперсионная кривая. Из форму-

лы (1) следует, что для определения показателя преломления надо знать пре-

ломляющий угол призмы

α и измерить угол наименьшего отклонения луча θ

min

соответствующей световой волны. Затем построить график зависимости пока-

зателя преломления призмы от длины волны

(

)

, По этому графику опре-

деляется средняя дисперсия

D. Значения средней дисперсии для различных ма-

териалов приводятся в справочниках. Сравнивая полученное значение средней

дисперсии с табличными значениями, можно определить примерный сорт стек-

ла.

Описание установки

Для исследования зависимости показателя преломления от длины волны

падающего света используется трехгранная призма с преломляющим углом 60

°.

Призма служит для пространственного разделения (разложения в спектр) излу-

чений оптического диапазона, различающихся длинами волн. Разделение излу-

чений на монохроматические составляющие являются результатом зависимости

угла отклонения луча, прошедшего через призму от показателя преломления

различного для лучей различных длин волн

λ.

Для нахождения угла наименьшего отклонения

min

используется гонио-

метр-спектрометр Г5. Гониóметр – оптический контрольно-измерительный

прибор лабораторного типа, который позволяет производить измерения углов.

Основные части гониометра Г5: основание, коллиматор, корпус с оптической

трубой и отсчетным микроскопом, столик и скрытый под корпусом лимб. Оп-

248

Волновая оптика Описания лабораторных работ

тическими частями гониометра являются коллиматор и зрительная труба. Кол-

лиматор предназначен для получения параллельного пучка света. На конце

коллиматора имеется щель, ширину которой можно регулировать при помощи

микрометрического винта. Зрительная труба имеет объектив и окуляр. Она мо-

жет поворачиваться относительно неподвижного лимба свободно, либо с по-

мощью винта. На вертикальной оси прибора расположен столик, который мо-

жет поворачиваться грубо от руки и точно при помощи микрометрического

винта. Плоскости столика можно придавать горизонтальное положение посред-

ством установочных винтов

Внимание! Горизонтальное положение установлено, винты не тро-

гать!

Свет, пройдя через коллиматор, попадает на плоскую зеркальную по-

верхность призмы, установленной на столике гониометра. Проходя через приз-

му. Свет дважды преломляется и разлагается в спектр. Источником света явля-

ется лампа накаливания. Она установлена в корпус, который снабжен штативом

для светофильтра.

Призма на столике установлена таким образом, что ход лучей соот-

ветствует минимальному углу отклонения, поэтом призму и столик в про-

цессе работы не трогать!

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. Какова цель работы?

2. Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

3. Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать показатель прелом-

ления призмы. Поясните смысл обозначений.

4. Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать среднюю диспер-

сию. Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

Задание 1.

Определение направления первоначального распространения света

1. Включить в сеть гониометр и источник питания лампы накаливания.

2. Включить тумблер подсветки микроскопа зрительной трубы гониометра.

3. Включить тумблер источника питания лампы накаливания.

4. Прикрыть объектив зрительной трубы листом бумаги. Вращая зрительную

трубу, вывести изображение щели коллиматора примерно в центр объектива.

Удалить лист бумаги.

5. Медленно вращая зрительную трубу гониометра, установить вертикальную

визирную линию на середину изображения щели коллиматора.

6. Измерить

– отсчет первоначального направления распространения луча,

который определяется с помощью отсчетного микроскопа.

Пример: На рис. 4 приведено поле зрения отсчетного микроскопа. В левом окне

наблюдаются изображения диаметрально противоположных участков лимба и

249

Описания лабораторных работ Волновая оптика

вертикальная риска (в центре окна) для отсчета градусов. В правом окне – де-

ления шкалы оптического микрометра и горизонтальная риска для отсчета ми-

нут и секунд.

Чтобы снять отсчет по лимбу, необходимо повернуть маховичок оптиче-

ского микрометра настолько, чтобы верхние и нижние изображения штрихов

лимба в левом окне точно совместились (см. рис. 4).

Число градусов будет равно видимой ближайшей левой от вертикальной

риски цифре (в данном случае – 0

°). Число десятков минут равно числу интер-

валов, заключенных между верхним штрихом, соответствующим отсчитанному

числу градусов и нижним оцифрованным штрихом, отличающимся от верхнего

на 180

° (в данном случае – 1 десяток, т.е. 10′).

Число единиц минут отсчитывается по

шкале микрометра в правом окне по левому ря-

ду чисел (в данном случае – 5

′).

550

660

Рисунок 4

Число десятков секунд – в том же окне по

правому ряду чисел (в данном случае – 50

′′).

Число единиц секунд равно числу деле-

ний между штрихами, соответствующими от-

счету десятков секунд, и неподвижной горизон-

тальной риской (в данном случае – 7

′′).

Положение, показанное на рис. 4, соот-

ветствует отсчету 0

°15′57′′.

Задание 2.

Визуальное наблюдение дисперсии света и

измерение угла отклонения луча света

1. Объектив зрительной трубы прикрыть листом бумаги. Повернуть зритель-

ную трубу так, чтобы спектр находился в центре объектива. Убрать бумагу.

2. Медленно вращая зрительную трубу совместить ее вертикальную линию с

фиолетовой границей спектра (

=400 нм). Снять отсчет угла ϕ

3. Установить светофильтр в штатив. При этом в спектре появится четыре про-

вала интенсивности. Первый из них находится в сине-зеленой области и со-

ответствует длине волны

=480 нм. Второй провал интенсивности находит-

ся в желто-зеленой области и соответствует длине волны

=540 нм, два ос-

тавшихся – в красной области, и соответствуют длинам волн

=630 нм и

=660 нм.

4. Медленно вращая зрительную трубу, последовательно совместить середину

каждого провала интенсивности (темной полосы) с вертикальной линией и

измерить соответствующие их положениям углы

5. Повторить измерения

и ϕ

еще два раза.

250