Вращение плоскости поляризации
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
ФГБОУ ВО «Нижегородская государственная
сельскохозяйственная академия»
 |
Кафедра «Прикладная механика,
физика и высшая математика»
Лабораторный практикум по физике
Часть IV . Фотометрия, геометрическая и волновая оптика
Методические указания для студентов
всех направлений подготовки и форм обучения
Нижний Новгород
2019
УДК 535
Рецензент:
А. В. Казаков — профессор кафедры «Технология металлов и ремонт машин», доктор биологических наук, профессор
Лабораторный практикум по физике. Часть IV . Фотометрия, геометрическая и волновая оптика: методические указания для студентов всех направлений подготовки и форм обучения / А. А. Гаврилова, А. В. Чурмасов,
Т. В. Хохолина, С. Н. Беспалов, Н. Н. Малыгина, Е. А. Лукашин, Ю. П. Шариков. — Н. Новгород: ФГБОУ ВО Нижегородская ГСХА, 2019. — 56 с.
Составители:
Анна Александровна Гаврилова — канд. биол. наук, доцент,
Александр Васильевич Чурмасов — доктор биол. наук, профессор
Тамара Владимировна Хохолина — старший преподаватель
Сергей Николаевич Беспалов — заведующий лабораториями
Наталья Николаевна Малыгина — канд. тех. наук, доцент
Евгений Алексеевич Лукашин — канд. тех. наук, доцент
Юрий Павлович Шариков — старший преподаватель.
В данном методическом пособии приводится описание лабораторных работ по фотометрии, геометрической и волновой оптике, необходимые для освоения курса дисциплин «Физика» и «Биофизика», преподаваемых на кафедре «Физика и прикладная механика». Лабораторные работы входят в программу обучения студентов первого и второго курса всех факультетов Нижегородской государственной сельскохозяйственной академии очной и заочной форм обучения и относятся к разделу «Оптика», «Колебания и волны» в рамках курса общей физики. Каждая работа содержит краткий теоретический материал, описание экспериментальной установки и практические задания с элементами научного исследования. Уделено внимание принципам измерения физических величин, технике выполнения эксперимента, анализу и обработке результатов измерений.
|
|
|
Методические указания могут быть использованы в качестве дополнительной литературы при освоении теоретического материала «Физики» по разделам «Оптика», «Колебания и волны».
Печатается по решению редакционно-издательского Совета НГСХА
© Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия, 2019
© А. А. Гаврилова, А. В. Чурмасов,
Т. В. Хохолина, С. Н. Беспалов,
Н. Н. Малыгина, Е. А. Лукашин,
Ю. П. Шариков, 2019
|
|
|
Оглавление
Изучение законов фотометрии. Описание к лабораторной работе 1 о. 4
Определение показателя преломления жидкости.
Описание к лабораторной работе 3 о. 12
Изучение микроскопа. Описание к лабораторной работе 20 о. 19
Применение интерференционной схемы колец Ньютона для определения
длины световой волны. Описание к лабораторной работе 4 о. 30
Изучение прозрачной дифракционной решетки.
Описание к лабораторной работе 9 о. 38
Исследование вращения плоскости поляризации в растворах сахара.
Описание к лабораторной работе 12 о. 45
Литература. 54
Интернет-ресурсы.. 54
Изучение законов фотометрии.
Описание к лабораторной работе 1 о
Фотометрия — это раздел оптики, который изучает методы и приёмы измерения видимого света (интервал электромагнитного излучения ∆λ = 380–760 нм).
Поток энергии, который несут световые волны, можно оценить двояко:
1) энергетически — как количество энергии, проходящей через данную поверхность в единицу времени (т. е. мощность Р, измеряется в ваттах), или
2) по зрительному ощущению. Порог чувствительности глаза к свету различной длины можно характеризовать кривой видности (рис. 1).
|
|
|
|
| Рис. 1. Кривая видности |
Абсциссой этой кривой служат длины волн λ, а ординатой — коэффициенты видности Vλ, т. е. величины обратно пропорциональных мощностям монохроматических излучений, равноярких с точки зрения визуальной оценки. Кривая видности имеет максимум при λ = 555 нм, условно принимаемый за 1; при удалении от максимума кривая быстро убывает к 0. Так, например,
для λ = 670 нм требуется мощность, примерно в 30 раз бóльшая, чем
для λ = 550 нм, чтобы вызвать одинаковое по силе зрительное ощущение.
В фотометрии введено понятие светового потока Ф, оценивая поток энергии света по зрительному ощущению. Световой поток монохроматического излучения (излучение с определенной длиной волны и частотой): Фλ = Pλ × Vλ. Если излучение осуществляется волнами различной длины, то световой поток такого излучения слагается из световых потоков Ф для каждой длины волны:
Ф = ΣФλ = ΣPλ × Vλ. Световой поток измеряется в люменах (лм).
На пути светового потока (рис. 2), идущего от точечного источника 0 (его размеры малы по сравнению с расстоянием до места наблюдения, и свет испускается равномерно по всем направлениям), на расстоянии r расположена малая площадка s, нормаль 
к которой составляет угол α с лучом.
|
|
|
|
| Рис. 2 |
На площадку s от источника 0 попадает световой поток, ограниченный телесным углом Ω. Мерой телесного угла Ω служит отношение площади сферы Sсф, вырезаемой конической поверхностью на сфере произвольного радиуса r c центром в вершине 0 конической поверхности, к квадрату радиуса:
(1)
Измеряется Ω в стерадианах (ср).
Сила света I точечного источника света (в данном направлении) равна отношению светового потока Ф к величине телесного угла Ω:
(2)
Единицей измерения силы света служит кандела (кд). В СИ кандела является основной единицей.
Освещенностью E поверхности называется величина, равная отношению светового потока Ф, падающего на данную поверхность, к ее площади s:
(3)
Измеряется освещенность в люксах (лк).
Освещенность в разных точках поверхности может быть различна. Для вычисления освещенности следует воспользоваться формулами (1), (2), (3):
(4)
Соотношение
(5)
называется законом освещенности от точечного источника света.
В таблице 1 сравнивается световые и энергетические единицы фотометрических величин.
Таблица 1
| Величины | Обозначение | Единица световая | Символ | Единица энергетическая |
| Световой поток | Ф | люмен | лм | Ватт |
| Сила света | I | кандела | кд | Ватт/стерадиан |
| Освещенность | E | люкс | лк | Ватт/м2 |
Если источник света нельзя считать точечным, то для его характеристики в фотометрии вводятся понятия — светимость и яркость, которые характеризуют излучение единицы площади светящейся поверхности.
Яркость светящейся поверхности вычисляется по формуле:
(6)
где I — сила света элемента излучающей поверхности;
s — площадь проекции элемента излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения;
φ — угол между направлением излучения и нормалью к площадке ds.
Светимость определяется соотношением:
(7)
где Ф — световой поток, испускаемый поверхностью;
s — площадь этой поверхности.
Приборы, служащие для измерения световых величин, называются фотометрами. Если шкала фотометра проградуирована в единицах освещенности — люксах, прибор называется люксметром.
Цель работы
Изучить фотометрические характеристики и осуществить проверку законов фотометрии с помощью люксметра.
Описание установки
Приборы и принадлежности: люксметр (типа Ю-116), точечный источник света (лампа накаливания), источник постоянного напряжения (выпрямитель — ВС 4-12), оптическая скамья.
Практическая фотометрия применяет для световых измерений люксметры, в которых используется фотоэлектрический эффект. В этих приборах воспринимающим свет устройством является фотоэлемент. Под действием света фотоэлемент даёт электрический ток тем больший, чем больше освещённость фотоэлемента. Измерение освещённости сводится к измерению тока, протекающего через гальванометр, соединённый с фотоэлементом. Для определения освещённости люксметром достаточно положить фотоэлемент на поверхность, освещённость которой нужно определить, и сделать отсчёт по шкале.
Лабораторная работа выполняется с помощью люксметра Ю-116, внешний вид которого изображён на рис. 3.
|
| Рис. 3. Люксметр Ю-116. 1 — измеритель; 2 — фотоэлемент; 3 — кнопки; 4 — корректор; 5 — розетка; К — насадка. |
Люксметр состоит из измерителя «1» и фотоэлемент «2» с насадками
К. М. Р. Т. На передней панели измерителя находятся кнопки «3» переключателя и таблица со схемой, связывающей действие кнопок и насадок с диапазоном измерений. Ю-116 — прибор магнитоэлектрической системы, имеет две шкалы — 0–100 и 0–30, корректор «4» для установки стрелки в нулевое положение. На боковой панели корпуса измерителя расположена розетка «5» для соединения фотоэлемента и измерителя шнуром с вилкой, обеспечивающей правильную полярность (канавка на вилке снизу). Для уменьшения погрешности при измерениях применяется насадка «К» на фотоэлемент, состоящая из полу-сферы, выполненной из белой светорассеивающей пластмассы и непрозрачного пластмассового кольца. Насадка «К» применяется с одной из трёх других насадок (М, Р, Т). Каждая из этих насадок совместно с насадкой «К» образуют три поглотителя с определённым коэффициентом ослабления (для расширения диапазона измерений):
Таблица 2
| Насадка | КМ | КР | КТ |
| Коэффициент ослабления | 10 | 100 | 1000 |
Принцип отсчёта значения освещённости состоит в следующем: при нажатии правой кнопки «3» на панели измерителя следует пользоваться показаниями шкалы 0–100, при нажатии левой кнопки — показаниями шкалы 0–30; показания шкалы прибора в делениях умножить на коэффициент ослабления (в зависимости от применяемых насадок). Например, установлена насадка «КР»; нажата левая кнопка; стрелка измерителя показывает 10 делений по шкале 0–30. Измеряемая освещённость равна: 10 × 100 = 1000 лк.
Для выполнения лабораторной работы собрана установка, которая изображена на рис. 4. На оптической скамье установлена лампа накаливания (в кожухе) «6» и фотоэлемент «2» люксметра, расстояние r между которыми измеряют по шкале. Фотоэлемент закреплён на штативе так, что можно изменять угол его наклона. Лампа накаливания питается от выпрямителя ВС 4-12, который имеет переключатель напряжений (от 4 В до 12 В) и подключается к городской электросети «ГЭ». Измеритель «1» люксметра должен находиться в горизонтальном положении. В случае необходимости с помощью корректора установить стрелку прибора на 0.
|
| Рис. 4. Установка для выполнения лабораторной работы: 1 — измеритель; 2 — фотоэлемент; 6 — лампа накаливания; ГЭ — городская электросеть; ВС 4–12 — выпрямитель; r — расстояние. |
ВНИМАНИЕ! Следует оберегать фотоэлемент люксметра от излишней освещённости (зашкаливание стрелки). Если измеряемая освещённость неизвестна, начинайте измерения с установки на фотоэлемент насадки «КТ», затем «КР» и «КМ». При каждой насадке сначала нажимать правую кнопку, а затем — левую. ОБРАЩАТЬСЯ С ФОТОЭЛЕМЕНТОМ И НАСАДКАМИ КАК С ОПТИЧЕСКИМ ПРИБОРОМ — ОСТОРОЖНО!
Производство работы
Задание № 1. Определить силу света точечного источника.
Если освещённости, создаваемые двумя источниками света в определённом направлении, равны, то, используя закон освещённости, можно записать:
(8)
Один источник принять за эталон и его силу света приравнять 1, тогда силу света второго источника I2 (в условных единицах) можно определить по формуле (8). В этой лабораторной работе силу света лампы накаливания при напряжении 8 В принять за I1 = 1, а силу света I2 лампы при напряжении 10 В считать неизвестной и определить:
1. Фотоэлемент закрепить на оптической скамье так, чтобы указатель штатива стоял на 72-ом делении шкалы. На фотоэлементе насадка — «КМ».
2. Источник света (лампу) поставить на расстоянии r1=40 см от фотоэлемента.
3. Переключатель на выпрямителе ВС 4–12 поставить на 8 В. Выпрямитель включить в сеть, тумблер поставить в положение «вкл».
4. Нажать левую кнопку на измерителе люксметра, снять показания по шкале 0–30 и записать замер в таблицу 3.
Таблица 3
| Напряжение | Расстояние | Показания люксметра | Сила света (усл. единиц) | |||
| шкала | число делений шкалы | насадка | освещен-ность (лк) | |||
| 8 | 40 | 0–30 | КМ (10) | 1 | ||
| 10 | 0–30 | КМ (10) | ||||
5. Лампу выключить и поставить в крайнее левое положение. Переключатель ВС-4-12 поставить на 10 В, подать напряжение на лампу. Перемещая источник света по оптической скамье, добиться такого же показания люксметра, как в первом случае; расстояние r2 от лампы до фотоэлемента записать в таблицу 3. Выключить лампу.
6. По формуле (8) найти силу света I2 в условных единицах, записать в таблицу 3.
Задание № 2. Определить зависимость освещённости от расстояния
и угла падения лучей.
1. Лампу поставить в крайнее левое положение; на фотоэлементе — насадка «КМ» в вертикальном положении; переключатель на ВС-4-12 поставить на 12 В; подать напряжение на лампу.
2. Перемещая лампу к фотоэлементу, снимать показания со шкалы 0–30 (нажата левая кнопка на измерителе) люксметра через каждые 10 см шкалы на оптической скамье, измерения записать в таблицу 4, лампу выключить.
3. Угол наклона фотоэлемента — 45 градусов, фотоэлемент отодвинуть в крайнее правое положение на оптической скамье, включить лампу, повторить измерения по п.2.
Таблица 4
| № | Угол наклона фотоэлемента φ | Расстояние r от лампы до фотоэлемента (см) | Показания люксметра | |||
| шкала | число делений шкалы | насадка | освещен-ность (лк) | |||
| 1 | 90° | 72 | 0–30 | КМ (10) | ||
| 62 | ||||||
| 52 | ||||||
| 42 | ||||||
| 32 | ||||||
| 22 | ||||||
| 2 | 45° | 72 | 0–30 | КМ (10) | ||
| 62 | ||||||
| 52 | ||||||
| 42 | ||||||
| 32 | ||||||
| 22 | ||||||
4. Построить два графика (в одних координатных осях) Е = f (r) для α1 = 0° и α2 = 45° (α = 90° – φ).
5. Сделать вывод о выполнении закона освещённости.
Задание № 3. Проверить закон обратных квадратов.
1. Лампа на оптической скамье в крайнем левом положении, фотоэлемент — в вертикальном положении, насадка — «КМ».
2. На измерителе нажата левая кнопка, данные снимать со шкалы 0–30
3. Перемещать лампу относительно фотоэлемента; на расстояниях r1 = 40 см, r2 = 30 см, r3 = 20 см снимать показания Е1, Е2, Е3 люксметра. Измерения записать в таблицу 5.
Таблица 5
| № | Расстояние r от лампы до фотоэлемента (см) | Показания люксметра |
|
| |||
| шкала | число делений шкалы | насадка | Освещен- ность (лк) | ||||
| 1 | 40 | 0–30 | КМ (10) | ||||
| 2 | 30 | 0–30 | КМ (10) | ||||
| 3 | 20 | 0–30 | КМ (10) | ||||
4. Выключить лампу, вилку фотоэлемента вынуть из розетки измерителя. На фотоэлементе заменить насадку «КМ» насадкой «КТ» и закрыть его чехлом.
5. С помощью расчётов проверить закон обратных квадратов:
т. к. I = const, то 
6. Сделать вывод о выполнении закона обратных квадратов.
Контрольные вопросы
1. Что изучает фотометрия? Фотометрические величины: их название, условное обозначение, световые и энергетические единицы измерения, формулы по определению.
2. Закон освещенности для точечного источника света.
3. Описание экспериментальной установки.
4. Решить задачу.
Определение показателя преломления жидкости.
Описание к лабораторной работе 3 о
Раздел оптики, в котором законы распространения света рассматриваются на основе представления о световых лучах, называется геометрической оптикой. Под световыми лучами понимают нормальные к волновым поверхностям линии, вдоль которых распространяется поток световой энергии.
На границе раздела двух прозрачных однородных сред свет частично отражается, а частично проходит во вторую среду, изменяя при этом свое направление. Закон отражения: отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол отражения α равен углу падения β:
α = β (1)
Направление распространения светового луча в этих средах определяется законом преломления Снеллиуса: преломленный луч лежит в той же плоскости, в которой находятся падающий луч и нормаль к разделу сред, восстановленная в точке падения; отношение синуса угла падения (α) и угла преломления (γ) есть величина постоянная для данной пары сред:
(2)
Значение постоянной величины (const) можно определить из волновой теории света (рис. 1). Пусть «ММ» — граница двух сред, в которых свет распространяется с разными скоростями v1 и v2 (причем v1 > v2). Под некоторым углом α на границу ММ падает параллельный пучок световых лучей. Выберем в этом потоке два луча SA и SB. AC — фронт падающих лучей. Согласно принципу Гюйгенса, каждую точку волнового фронта следует рассматривать как самостоятельный источник новых волн.
Рис. 1
Следовательно, пока второй луч SB дойдет до точки В, около точки А возникает полусферическая волна с радиусом AD, причем AD < CB, т. к. v2 < v1. Фронтом новой волны по принципу Гюйгенса будет ВD — касательная, проведенная из точки B к AS′ — направлению преломленного луча, поэтому BD ┴ ADS′. Угол между нормалью к границе ММ и преломленным лучом ADS′ — угол преломления γ. Из геометрических соображений (углы, образованные взаимноперпендикулярными сторонами) угол САВ равен углу α, угол ADB
равен углу γ. Из прямоугольных треугольников АСВ и ADB можем написать:
СВ = АВ × sin α ; AD = AB × sin α. Разделив эти уравнения, получим:
(3)
Теперь разделим числитель и знаменатель левого отношения равенства (3) на промежуток времени Δt, за который свет проходит путь СВ в первой среде и путь AD во второй среде:
(4)
Объединив уравнения (3) и (4), получим:
(5)
Так как абсолютный показатель преломления среды (n) равен отношению скорости света (с) в вакууме к скорости света (v) в данной среде, то можно записать:
и 
(6)
Равенство (4) с учетом формул (5) примет вид:
, (7)
где n21 — относительный показатель преломления двух сред. Соотношение (7) — закон преломления света на границе двух сред.
Показатель преломления является важной индивидуальной физической характеристикой вещества. Он принадлежит к тем физическим величинам, которые можно измерить с высокой степенью точности и небольшой затратой времени, располагая малым количеством вещества.
Оптические методы исследования веществ, основанные на измерении их показателей преломления, составляют самостоятельный раздел прикладной
оптики — рефрактометрию. Рефрактометрические данные можно использовать для определения чистоты вещества и концентрации вещества в растворе, для идентификации различных веществ и т. п.
Если угол падения луча α близок к прямому (α = 90°) при переходе света из оптически менее плотной среды в более плотную (n1 < n2), то преломленный луч будет преломляться под углом γпр. Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления. Из закона преломления следует:
или 
(8)
При переходе света (рис. 2а) из среды с большим показателем преломления n1 (оптически более плотная) в среду с меньшим показателем преломления n2 (оптически менее плотная, n2 < n1) угол преломления больше угла падения. При некотором угле падения α, равном предельному углу падения А, угол преломления будет равен 90°, т. е. преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред (рис. 2б). Если угол падения α будет больше предельного угла падения А, свет будет полностью отражаться в первую среду (рис. 2в). Это явление называется полным отражением света.
| 
|
| а) | б) |
|
в) | |
Рис. 2
Согласно формуле (6):
или 
= n21 (9)
Угол αпр > А называется предельным углом полного отражения. Из формул (8) и (9) следует, что γпр и αпр для данных сред зависят от их абсолютных показателей преломления. Это применяется на практике в приборах для измерения показателя преломления веществ — рефрактометрах.
Цель работы
Изучить принцип действия рефрактометра; исследовать зависимость показателя преломления прозрачного раствора от концентрации; определить концентрацию вещества в растворе по рефрактометрическим данным.
Описание установки
Приборы и принадлежности: рефрактометр (модель ИРФ-22); рефрактометр (полевой); объекты рефрактометрических исследований; растворы
(гипосульфита) различной концентрации; фильтровальная бумага.
В настоящей лабораторной работе определение показателя преломления жидкостей в проходящем свете осуществляется на рефрактометре ИРФ-22, внешний вид которого схематично изображён на рис. 3
|
Рис. 3. Схема рефрактометра ИРФ-22
Прибор состоит из следующих составных частей: корпуса «1», измерительной головки (камеры) «2» и зрительной трубы «3» с отсчётным устройством. Измерительная головка, смонтированная на корпусе прибора, представляет собой два литых полушария, которые служат оправами измерительной «2» и осветительной «1» призм (рис.4), сделанных из одного и того же сорта стекла.
|
Рис. 4. Схема измерительной головки рефрактометра ИРФ-22
Несколько капель исследуемой жидкости помещают между двумя гранями (АВ и СD) призм. От источника света лучи падают на боковую грань ВК верхней призмы и, преломившись, попадают на грань АВ. Поверхность АВ — матовая, поэтому свет рассеивается и, пройдя через исследуемую жидкость, падает на грань СD нижней призмы под углами α от 0° до 90°. Т. к. показатель преломления исследуемой жидкости меньше показателя преломления стекла (nж < nст), то лучи входят в призму 2 в пределах от 0° до γпр. Пространство внутри этого угла будет освещённым, а вне его — тёмным. Поэтому поле зрения в зрительной трубе разделено на две части: светлую и тёмную. Положение границ раздела света и тени определяется предельным углом преломления, который зависит от показателя преломления исследуемой жидкости: из формулы (7) nж = nст × sin γпр.
Если исследуемая жидкость имеет большой коэффициент поглощения (мутная или окрашенная), то во избежание потерь энергии при прохождении света через такую жидкость измерения показателя преломления проводят в отражённом свете. В этом случае ход лучей в рефрактометре показан на рис. 5.
|
Рис. 5. Ход лучей в рефрактометре ИРФ-22
Свет от источника проходит через матовую боковую грань СМ призмы 2. При этом свет рассеивается и падает на грань СD, которая соприкасается с исследуемой жидкостью, под углами от 0° до 90°. Жидкость оптически менее плотная, чем стекло призмы (nж < nст), поэтому лучи, падающие под углами большими αпр, будут испытывать полное отражение и выходить через боковую грань DМ в зрительную трубу, поле зрения в которой окажется разделённым на светлую и тёмную части. Положение границы между светом и тенью определится углом полного отражения и зависит от показателя преломления исследуемой жидкости: из формулы (8) nж = nст × sin αпр.
Для полевых условий применяется небольшой переносной рефрактометр, на котором измерения проводят в отражённом свете. По шкале прибора можно сразу определить концентрацию (в процентах) сахара в соке овощей и фруктов. Для определения концентрации откидывается верхняя призма, на нижнюю призму помещается несколько капель исследуемой жидкости, после чего призмы соединяются. Смотря в окуляр, наводят рефрактометр на какой-либо светящийся или сильно освещённый предмет (лампа, светлые облака, ярко освещённая стена). В зависимости от концентрации раствора граница между светом и тенью в рефрактометре установится на соответствующем делении шкалы процентного содержания вещества в растворе.
Производство работы
Задание № 1. Подготовка рефрактометра ИРФ-22 к работе (рис. 3).
1. Установить рефрактометр так, чтобы свет падал на зеркало «4», давал резкое и сильное освещение всего поля зрения трубы «3».
2. Фокусируя окуляр зрительной трубы, добиться с помощью зеркал «4» и «5» резкого изображения креста нитей в поле зрения.
3. Открыть камеру «2», вынуть из неё вложенный внутрь листочек фильтровальной бумаги и при помощи пипетки поместить на грань нижней призмы
две-три капли дистиллированной воды. Закрыть камеру.
4. В случае появления цветной окраски поля зрения устранить это явление вращением винта «6».
5. Наблюдая в окуляр и вращая маховик «7», добиться того, чтобы граница света и тени проходила через центр перекрестия.
6. Пользуясь шкалой внутри зрительной трубы, прочесть на визирной линии отсчёт показателя преломления дистиллированной воды, который должен соответствовать значению, близкому nв = 1,333. При этом целые, десятые, сотые и тысячные доли значения показателя преломления отсчитываются по шкале,
десятитысячные доли — на глаз.
7. Открыть камеру, вытереть досуха поверхности обеих призм фильтровальной бумагой.
Задание № 2. Исследовать зависимость показателя преломления раствора от концентрации.
1. Измерить показатели преломления растворов Na2 S2 O3 различной концентрации (5, 10, 15, 20 и 25 %) по тем правилам, которые указаны в задании № 1. Для этого в камеру прибора поочередно помещать все предложенные растворы.
ВНИМАНИЕ:
— при замене раствора одной концентрации раствором другой концентрации протирать досуха обе половины камеры;
— брать раствор данной концентрации допускается только той пипеткой, которая вложена в соответствующую колбу;
— по окончании работы протереть зеркало и призмы, вложить в камеру небольшой листок чистой фильтровальной бумаги.
2. Результаты измерений записать в таблицу 1 (значение показателя преломления для раствора с концентрацией Св соответствует nв, которая определена в задании № 1, п. 6).
Таблица 1
| Концентрация (С) раствора | 0 % | 5 % | 10 % | 15 % | 20 % | 25 % | С1 | С2 |
| Показатель Преломления (n) |
3. Построить график зависимости показателя преломления от концентрации: n = f(c). Сделать вывод о полученной зависимости.
4. Измерить показатели преломления двух растворов (n1 и n2) неизвестной концентрации; по составленному графику определить концентрации этих растворов: С1 и С2.
Контрольные вопросы
1. Абсолютный и относительный показатели преломления жидкости (формулы по определению). Оптически менее и оптически более плотные среды. Скорость распространения световой волны в вакууме и в данной среде.
2. Законы преломления и отражения света (привести рисунки с изображением падающего, преломленного и отраженного лучей, перпендикуляром в точке падения и формулы).
3. Явление полного отражения света. Предельный угол падения. Привести рисунки с изображением падающего, преломленного и отраженного лучей, предельного угла падения. Привести примеры применения этого явления в современных технологиях.
4. Принципы Гюйгенса — Френеля.
5. Решить задачу.
Изучение микроскопа.
Описание к лабораторной работе 20 о.
Микроскоп является одним из важнейших лабораторных приборов в биологических и медицинских исследованиях. Микроскоп широко применяется при наблюдениях и исследованиях таких объектов, которые невозможно различить невооруженным глазом.
Глаз человека — сложная и совершенная оптическая система. Особенности строения глаза и получения изображения объекта на сетчатке глаза подробно разбираются в указанной литературе. В целом оптическая система глаза действует, как собирающая линза с переменным фокусным расстоянием. Размер изображения на сетчатке глаза определяется углом зрения а (рис. 9а). Однако для малых (или удаленных) предметов угол зрения мал, и детали предмета выявляются недостаточно.
Оптические приборы, вооружающие глаз, позволяют увеличить угол зрения и, как следствие, более подробно различать детали предмета. Достигаемый при этом эффект характеризуется угловым увеличением Г прибора:
, (1)
где α′ и α — углы зрения, под которыми виден предмет соответственно через прибор и невооруженным глазом.
Простейшим оптическим прибором для рассматривания мелких предметов является лупа. Роль лупы выполняют также окуляры оптических приборов — микроскопа, спектроскопа, поляриметра и др.
Лупа — собирающая короткофокусная линза, которую располагают между предметом и глазом. Если невооруженным глазом рассматривать предмет АВ (рис. 9а) с расстояния наилучшего (ясного) зрения L = 25 см, то он будет виден под углом α, причем
Поскольку глаз на практике располагают вблизи заднего фокуса лупы (рис. 1б), можно считать, что 
.
|
| (а) (б) Рис. 1. Схема действия оптической системы глаза |
Подставив полученные значения tg α и tg α′ в формулу (1), получим выражение для углового увеличения лупы:
(2)
Увеличение лупы обратно пропорционально ее фокусному расстоянию и показывает, во сколько раз увеличивается линейный размер изображения на сетчатке за счет применения лупы. На практике используются лупы не более 20-кратного увеличения (20x). Более короткофокусные линзы дают искаженное изображение.
|
| Рис. 2. Схема хода лучей в микроскопе |
Оптическая система микроскопа состоит из объектива и окуляра, расположенных друг от друга на расстоянии 15–20 см, на рисунке 2 схематически показан ход лучей в микроскопе.
Предмет АВ помещают чуть дальше переднего фокуса Fоб объектива Об, который дает действительное обратное и увеличенное изображение А′В′. Это промежуточное изображение попадает между окуляром Ок и его передним фокусом Fок. Его рассматривают через окуляр, как через лупу. Окончательное изображение А′′В′′ получается мнимым, увеличенным и прямым относительно А′В′, но обратным относительно самого предмета АВ. Положение объектива относительно предмета подбирается так, чтобы окончательное изображение А′′В′′ располагалось от глаза на расстоянии наилучшего (ясного) зрения
L =25 см (рис. 3, на котором для наглядности не соблюдены относительные размеры основных параметров). Качество изображения во многом зависит от объектива. Хорошие объективы, в которых устранены недостатки, состоят из многих линз (иногда более 10), заключенных в общую оправу. Окуляр и объектив биологического микроскопа являются съемными и размещены на концах цилиндрической трубки — тубуса, укрепленного на массивном штативе.
Расстояние между внутренними фокусами объектива и окуляра называется оптической длиной тубуса. Оптическая длина Δ тубуса короче его геометрической длины на сумму фокусных расстояний объектива и окуляра.
|
| Рис. 3. Схема расположение объектива относительно предмета на расстоянии наилучшего (ясного) зрения |
Увеличение Г микроскопа равно произведению увеличений объектива и окуляра:
(3)
Окуляр используется как лупа, и его увеличение определяется формулой (сравнить с формулой 2):
(4)
Увеличение объектива можно найти, рассматривая подобные треугольники ОАВ и ОА′В′ (см. рис. 2 и 3) и учитывая, что Δ >> fоб:
(5)
Следовательно, угловое увеличение микроскопа:
(6)
Объективы биологических микроскопов имеют угловое увеличение от 8х до 90х, окуляры — от 7х до 15х. Следовательно (см. формулу 3), угловое увеличение микроскопа лежит в пределах от 56х до 1350х. Угловое увеличение оптического микроскопа свыше 1000х использовать нецелесообразно, так как при этом ухудшается качество изображения.
Линейным или поперечным увеличением К называется отношение линейных размеров (см. рис. 3) изображения X2 = |A''B''| предмета X1 = |AB|:
(7)
Наименьшее расстояние, при котором две точки предмета еще можно видеть раздельно, называют разрешаемым расстоянием(Δl)0. Разрешающую способность оптического прибора принято измерять величиной, обратной разрешаемому расстоянию.
Для несамосветящихся предметов значение (Δl)0 зависит от условий освещения. В этом случае (Δl)0 ≥ λ0/А, где А — числовая апертура.
Разрешающая способность микроскопа характеризуется величиной (Δl)0 минимального расстояния между двумя точками предмета, видимыми на изображении раздельно. В случае самосветящегося предмета, все точки которого можно считать некогерентными источниками,
(Δl)0 = 0,61 λ0/А, (8)
где λ0 — длина волны света в вакууме;
А = n sin u— числовая апертура объектива;
n —показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом;
u — половина угла раствора пучка света, исходящего из точки предмета и попадающего в объектив микроскопа.
Увеличение разрешающей способности микроскопа можно осуществить либо за счет уменьшения длины волны λ, либо за счет увеличения числовой апертуры А. Первый способ реализуется в ультрафиолетовой микроскопии и в электронной микроскопии, а второй — в иммерсионном микроскопе, в котором пространство между предметом и объективом заполняется прозрачной иммерсионной жидкостью с показателем преломления n > 1 (например, глицерином (n = 1,47) или кедровым маслом (n = 1,52)). Таким образом, числовая апертура микроскопа имеет порядок единицы. Тогда из формулы (8) следует, что для микроскопа разрешаемое расстояние равно приблизительно половине длины световой волны, т. е. (Δl)0 ≈ 0,3 мкм (если полагать λ = 0,5 мкм). Это означает, что в оптический микроскоп нельзя рассматривать предметы, размер которых меньше 0,3 мкм (3×10-5 см).
Разрешающая способность ставит предел полезному увеличению микроскопа. При увеличении порядка 103 разрешаемому расстоянию (0,3 мкм) соответствует достаточно крупное изображение (0,3 мм). Очевидно, что добиваться большего увеличения (т. е. более крупного изображения) не имеет смысла, так как оно не выявит никаких новых подробностей в структуре рассматриваемого предмета.
Цель работы
Определить угловое и линейное увеличение биологического микроскопа и измерить линейные размеры микрообъекта с помощью микроскопа.
Описание установки
Приборы и принадлежности: биологический микроскоп МБУ-4, окулярно-винтовой микроскоп МОВ-1-15х, объект измерений — капроновая сетка (из неё делают специальные сита для получения дисперсных систем — порошков с заданным размером частиц), рисовальный аппарат, миллиметровая линейка (закреплённая на штативе).
1. Устройство микроскопа МБУ-4. Принципиальная оптическая схема микроскопа показана на рис.4.
|
Рис. 4. Принципиальная оптическая схема микроскопа МБУ-4
Пучок лучей, отразившись от зеркала 1, проходит через предметное стекло 4, на котором располагается предмет и попадает в объектив 2. Объектив проектирует изображение в переднюю фокальную плоскость окуляра 3, где создаётся промежуточное, действительное, увеличенное, обратное изображение предмета, которое рассматривают через окуляр, как через лупу. Специальные обозначения на рис. 4: Тн — нижний край тубуса; Тв — верхний край тубуса; Т — геометрическая длина тубуса; ∆ — оптическая длина тубуса; П — предмет; Гоб — задний фокус объектива; Гок — передний фокус окуляра.
Микроскоп, внешний вид которого изображён на рис. 5, состоит из следующих основных частей: основания, тубуса, держателя тубуса, механизма грубой фокусировки, микрометрического механизма, предметного столика, объектива, окуляра, зеркала.
|
Рис. 5. Внешний вид микроскопа
На основании 1 с помощью держателя тубуса 2 закреплён тубус 6, в верхнюю часть которого вставляется окуляр, а в нижнюю ввёртывается объектив. Механизм грубой фокусировки 4 опускает или поднимает тубус; один оборот маховика соответствует вертикальному перемещению тубуса на 20 мм; поворотом одного маховика относительно другого можно регулировать ход тубуса. Микрометрический механизм 3 служит для обеспечения точной фокусировки микроскопа. Один оборот барабана соответствует вертикальному перемещению тубуса на 0,1 мм. На предметном столике 8 пружинной клеммой крепится рассматриваемый объект. Объектив 7 рассчитан на нормальную работу при геометрической длине тубуса 160 мм. На объективе и окуляре 5 указаны их угловые увеличения. Зеркало 9, вращающееся вокруг оси, позволяет наилучшим образом направить свет от источника освещения на наблюдаемый объект.
2. Измерить размеры малых предметов можно с помощью микроскопа. Для этой цели микроскоп снабжают специальным устройством — окулярно-винтовым микрометром (рис. 6), который представляет собой насадку, надевающуюся на верхний конец тубуса микроскопа вместо окуляра.
|
Рис. 6. Окулярно-винтовой микрометр
Оптическая часть микроскопа состоит из линзы — окуляра ЛО, неподвижно закреплённой стеклянной (окулярной) шкалой с ценой деления 0,1 мм, и подвижной стеклянной пластинки, на которую нанесены перекрестие и два вертикальных штриха (риски) над ним. Эта пластинка связана с точным микрометрическим винтом М8 так, что при вращении микровинта М8 перекрестие и риски перемещаются относительно неподвижной окулярной шкалы. Один полный оборот микровинта, шкала на барабане которого разделена на 100 делений,
соответствует перемещению перекрестия на одно деление окулярной шкалы (т. е. 0,1 мм). Поэтому цена деления шкалы микровинта равна 0,001 мм.
Пример отсчёта показаний на окулярно-винтовом микрометре (рис. 7): при измерении зафиксировано положение перекрестия и рисок между 2-ым и 3-им делениями окулярной шкалы, а на шкале микровинта — 48 делений (на это указывает горизонтальная линия — индекс, расположенный на неподвижном патрубке винта). Это измерение соответствует значению N = 0,248 мм.
|
Рис. 7. Пример отсчёта показаний на окулярно-винтовом микрометре
Окулярно-винтовой микрометр МОВ закрепляют винтом В на тубусе так, чтобы стеклянная (окулярная) шкала находилась в плоскости, в которой расположено действительное изображение предмета, создаваемое объективом микроскопа. При этом изображение шкалы при рассматривании в окуляр микрометра совмещается с изображением предмета.
3. Определить линейное увеличение К микроскопа можно по формуле (7). При расчёте величины К линейные размеры предмета Х1 определяются на микроскопе в комплекте с окулярно-винтовым микрометром (т. е. на установке, описанной выше в п. 2). Линейные размеры Х2 изображения можно определить с помощью рисовального аппарата. Прибор состоит из стеклянного кубика abcd и плоского зеркала ПЗ (рис.8).
|
Рис. 8. Схема рисовального аппарата
Кубик сделан из двух трёхгранных прямоугольных призм. Грань bd одной из призм полупрозрачна, т. к. покрыта тонким слоем серебра. Луч 2, идущий вдоль оси тубуса, падая на этот слой, частично отражается от него влево, а частично проходит вверх и попадает в глаз наблюдателя, смотрящего сквозь кубик в микроскоп. Луч 1, идущий от линейки с миллиметровой шкалой, отражается от зеркала ПЗ. Далее, попав на полупрозрачный слой, луч 1 проходит через него влево и, частично отразившись вверх, тоже попадает в глаз наблюдателя. Глаз, таким образом, видит одновременно изображение предмета, который лежит на предметном столике микроскопа, и миллиметровую линейку, которая находится под зеркалом рисовального аппарата. Измерив линейные размеры изображения в миллиметрах, определим значение Х2.
Производство работы
Задание № 1. Определить угловое увеличение биологического микроскопа.
1. Подробно изучить устройство микроскопа МБУ-4, рассчитать по формуле (3) угловое увеличение микроскопа Гточн.
2. У лаборанта спросить значение fоб (фокусное расстояние объектива) и fок (фокусное расстояние окуляра). Из определения, рисунков 2 и 4 составить формулу для подсчёта оптической длины тубуса ∆ и рассчитать её.
3. По приближённой формуле (6) рассчитать угловое увеличение микроскопа Гприбл.
4. Определить допускаемую погрешность δ при приближённом расчёте значения Г относительно точного:
5. Все результаты записать в таблицу 1.
Таблица 1
| Гоб | Гок | Гточн | f об (мм) | f ок (мм) | Δ (мм) | L (мм) | Гприбл | δ (%) |
| 250 |
Задание № 2. Определить размер ячейки капроновой сетки.
1. На предметный столик микроскопа поместить объект измерений — капроновую сетку, которая закреплена между двумя покровными стёклами.
2. На верхнем конце тубуса (предварительно снять окуляр) закрепить окулярно-винтовой микрометр.
3. Получить чёткое и хорошо освещённое изображение капроновой сетки на фоне окулярной шкалы, перекрестия и рисок окулярно-винтового микрометра.
4. С помощью микрометра установить перекрестие так, чтобы штрих «0» окулярной шкалы разместился между 2-мя рисками, при этом «0» шкалы на барабане микровинта встанет против индекса на неподвижном патрубке винта.
5. Плавно вращать барабан микровинта по часовой стрелке, устанавливая перекрестие на вертикальных сторонах ячеек капроновой сетки; при этом снимать показания (см. «Описание установки», п. 2) окулярно-винтового микрометра на схеме рисунка 9: N1, N2 , N3 , N4 . Измерения провести не менее 3-х раз.
|
Рис. 9
6. По полученным данным сделать следующие расчёты:
1) 
(на рис. 9 n = 3; у Вас – такое, какое выбрано Вами);
2) 
3) 
4) 
5) 
7. Расчёты записать в таблицу
Таблица 2
| № измер. | Число ячеек n | Показания МОВ (мм) |
(мм) |
(мм) | а i (мм) |
(мм) | а (мм) | |||
| N1 | N2 | N3 | N4 | |||||||
8. Сделать вывод о размере ячейки данной капроновой сетки.
9. Окулярно-винтовой микрометр снять с тубуса микроскопа и положить в футляр.
Задание № 3. Определить линейное увеличение микроскопа.
1. Закрепить на верхнем конце тубуса микроскопа рисовальный аппарат. Кубик рисовального аппарата откинуть и в верхний конец тубуса вставить окуляр. Получить чёткое изображение капроновой сетки. После этого кубик вернуть в рабочее положение (на окуляр).
2. Под плоское зеркало рисовального аппарата на уровне предмета (т. е. капроновой сетки) поместить миллиметровую линейку (она должна быть укреплена на штативе); изображение капроновой сетки наложится на изображение миллиметровой шкалы.
3. Определить (см. рис. 9) 6 сколько миллиметровых делений линейки М1 и М2 укладывается на выбранное изображение капроновой сетки. Измерения записать в таблицу 3.
4. Рассчитать линейные размеры Х2 увеличенного изображения предмета — n ячеек сетки (на рис. 9 n = 3):
где ℓ = 1 мм (цена деления миллиметровой линейки).
5. Рассчитать линейные размеры Х1 предмета — n ячеек капроновой сетки (на рис. 9 n= 3):
1) из таблицы 2 взять все полученные значения 
рассчитать а' и а'':
где i = 1, 2, 3, ... к (номер измерения);
2) тогда 
; 
6. Определив Х1 и Х2 в п. п. 4 и 5, рассчитать линейное увеличение К по формуле (7).
7. Расчёты записать в таблицу 3.
Таблица 3
| Число ячеек | 
(мм)
| 
(мм)
| 
(мм)
| 
(мм)
| X1 (мм) | M1 (мм) | 
(мм)
| M2 (мм) | 
(мм)
| X2 (мм) | К |
8. Установку разобрать, приборы положить в футляры.
Контрольные вопросы
1. Что собой представляют линзы? Виды линз. Формула тонкой линзы. Фокусное расстояние линзы.
2. Глаз человека. Оптическая система глаза.
3. Лупа. Угловое увеличение прибора. Линейное или поперечное увеличение.
4. Для чего служит микроскоп. Устройство микроскопа.
5. Схема хода лучей в микроскопе.
6. Разрешающее расстояние и разрешающая способность оптического прибора и микроскопа в частности. Виды микроскопов.
7. Решить задачу.
Применение интерференционной схемы колец Ньютона
для определения длины световой волны.
Описание к лабораторной работе 4 о.
По современным научным представлениям, свет — это сложный электромагнитный процесс, обладающий как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Настоящая работа базируется на наблюдении и изучении явления интерференции света, которое объясняется с позиций волновой теории света.
Интерференцией света называется такое сложение световых волн, в результате которого образуется устойчивая картина их усиления и ослабления.
Для осуществления интерференции накладывающиеся волны должны удовлетворять условиям когерентности (согласованности по фазе световых колебаний в пучках света или отдельных частях пучка). Когерентными называются волны, имеющие одинаковые частоты и постоянную во времени разность фаз.
Реальные светящиеся тела испускают некогерентные волны. Так происходит потому, что поверхность любого светящегося тела состоит из множества точек (атомов), автономно, прерывно и случайным образом излучающих световые волны. Понятно, что никакой согласованности по фазе между такими волнами нет. Для получения когерентных световых пучков применяют различные искусственные приемы, в основе которых лежит разделение одного и того же пучка на два, идущих впоследствии к какой-либо точке пространства (экрана) двумя различными путями. В зависимости от способа разбиения пучка существует два разных метода получения когерентных «источников»:
1) метод деления волнового фронта, когда исходящий от источника пучок делится на два, либо проходя через два близко расположенных отверстия (рис. 1а), либо отражаясь от зеркальных поверхностей (рис. 1б) и т. д.;
2) метод деления амплитуды, который предполагает деление пучка путем прохождения и отражения от полупрозрачной поверхности. Именно этот способ рассматривается в настоящем разделе; в результате чего получается интерференционная картина, называемая кольцами Ньютона.
| 
|
| а) | б) |
Рис. 1. Метод деления волнового фронта
Разделение луча (пучка) на два когерентных осуществляется путем его отражения от поверхностей тонкого прозрачного слоя (рис. 2): Пусть параллельный монохроматический пучок света от одного источника падает на клиновидный слой; выделим из него два луча — 1 и 2 (или любую другую пару лучей — 3 и 4). Проведем перпендикулярно лучам плоскость АЕ, которая является фронтом падающей волны (до плоскости АЕ два луча — 1 и 2, идущие от одного источника, дошли одновременно, а, следовательно, имели нулевую разность фаз). От плоскости АЕ лучи прошли различные пути; в точке С произошло сложение колебаний, результат которого будет зависеть от разности фаз складывающихся волн.
|
| Рис. 2. Разделение луча (пучка) на два когерентных путем отражения от поверхностей тонкого прозрачного слоя |
Разность фаз связана с разностью хода δ лучей соотношением:
(1)
где λ — длина волны падающего света;
δ = Δ×n — оптическая разность хода лучей;
Δ — геометрическая разность хода лучей;
n — абсолютный показатель преломления.
Оптическая разность хода δ лучей 1 и 2 в рассматриваемом случае выразится в виде:
(2)
Член λ/2 возникает соответственно «потере» фазы (запаздыванию) на π при отражении света от оптически более плотного слоя диэлектрика в оптически менее плотный. Знак плюс или минус берется в зависимости от того, где происходит указанное отражение. Очевидно, в данном случае следует взять знак минус (клин находится в воздухе, отражение от более плотной среды происходит в точке С, следовательно, «теряет» фазу отраженный луч 2). Приблизительно полагая в формуле (40) АВ = ВС = d и ЕС=0 (поскольку падающий пучок света узкий и все лучи 1, 2, 3, 4 и т. д. практически совпадают), получаем следующее выражение для оптической разности хода:
(3)
где d — толщина клина в точке В.
Интерференционные максимумы и минимумы будут иметь такой вид:
2dn – 
= kλ = 2k (4a максимум);
2dn – = (2k–1) (4б минимум),
где k = 0,1,2,... — порядок интерференционного максимума и минимума.
Из формул (4) видно, что всем точкам поверхности пластинки одинаковой толщины соответствует одна и та же интерференционная картина: максимумы или минимумы одинаковой интенсивности. Интерференционная картина имеет вид полос светлых и темных, их называют полосами (линиями) равной толщины. Этот вид интерференции называется интерференцией равной толщины. В случае клиновидного слоя полосы будут параллельны ребру клина (рис. 3). При использовании белого (полихроматического) света интерференционные полосы приобретают радужную окраску (всем известны цвета тонкой масляной или керосиновой пленки на воде или на стекле). Это происходит потому, что разность хода δ (формулы (4)) зависит и от длины волны, а, следовательно, при одной и той же толщине пластинки dмаксимумы и минимумы для волн различных длин будут несколько сдвинуты относительно друг друга.
Рис. 3. Интерференция равной толщины в случае клиновидного слоя
(полосы параллельны ребру клина)
Интерференцию можно также наблюдать в проходящем через пластинку свете.
В зависимости от формы пластинки меняется и форма интерференционных полос. Следует заметить, что в реальных условиях падающие лучи не идеально параллельны, грани пластинки искривлены, толщина неравномерно меняется, показатель преломления тоже, меняется на неоднородностях материала и т. д. По всем этим многочисленным причинам будут наблюдаться причудливо изогнутые линии, вид которых дает возможность судить очень точно о толщине пластинки в данной точке или о неоднородностях материала (интерференционные методы измерения — одни из самых точных).
В случае, когда сферическая линза наложена на плоское стекло (рис. 3), роль пластинки переменной толщины играет воздушный слой (nвозд = 1) между линзой и плоской пластинкой, а интерференционные полосы равной толщины образуют концентрические окружности с темным пятном (минимумом) в середине. Эта интерференционная схема представляет собой схему колец Ньютона.
На основании формулы (2) и следующих за ней рассуждений будем здесь иметь:
δ = 2dl + = 2d + (5)
Учитывая условия (4) совместно с (5), покажем, при каких значениях d возникают светлые и темные интерференционные кольца в данной схеме:
dk = 
(6а, максимум);
dk = kλ = 
(6б, минимум);
откуда и следует, что максимума нулевого порядка не будет, т. е. в отраженном свете в схеме колец Ньютона наблюдается темное пятно (рис. 4).
|
| Рис. 4. Схема колец Ньютона |
Длина световой волны может быть определена на основании рис. 4:
R2 = 
или 
(7)
Отсюда с учетом того, что толщина d невелика и член d2является пренебрежимо малым, получаем:
(8)
Подставим в (8) значение dk (минимум) из формул (6):
= k×λ×R, т. е. λ = 
, (9)
где rk — радиус интерференционного кольца — минимума k-того порядка;
R— радиус сферы линзы.
Так как обеспечить контакт в точке О (рис. 4) трудно вследствие попадания пылинок, то пользуются другой формулой, в которую входит комбинация из двух значений радиусов интерференционных колец rk и ri, что позволяет исключать возможный зазор (т. е. реально существующее увеличение толщины всего воздушного слоя) в точке 0, Для i-того и k-того колец можно записать:
= k×λ×R;
= i×λ×R
Вычтем почленно эти уравнения:
= (k – i) λ×R откуда
λ = 
, (10)
где k и i — порядки интерференционных колец.
Формула (10) остается одной и той же как для интерференционных минимумов, так и для максимумов.
Точность определения λ по формуле (10) зависит от того, насколько точно измерены rk и ri, а так как последние величины являются очень малыми, то для их измерения пользуются микроскопом. Кроме того, для понижения погрешности следует выбрать rk и ri таким образом, чтобы числа k и i были дальше друг от друга на сколько это возможно.
Цель работы
изучение интерференции равной толщины в схеме колец Ньютона и определение длины световой волны.
Описание установки
Приборы и принадлежности: микроскоп с вертикальным иллюминатором для работы в отраженном свете, миллиметровая бумага (линейка), источник света, обойма с линзой и плоской пластинкой, цветное стекло (светофильтры).
Схематически установка представлена на рис. 5.
Источником света 1 служит лампа накаливания, свет от которой падает на полупрозрачную пластинку 2 вертикального иллюминатора. После отражения от пластинки свет проходит через объектив микроскопа 3 и падает на обойму 4 с линзой и плоской пластинкой. Интерференционные кольца, образовавшиеся при отражении света от плоской стеклянной пластинки и нижней поверхности линзы, наблюдаются через микроскоп. Наведение на резкость изображения колец производится винтами 5 и 6.
Для определения цены деления неподвижной цифровой шкалы микроскопа помещенную на предметный столик миллиметровую бумагу, установив при этом, сколько целых делений шкалы микроскопа укладывается в целое количество миллиметров (например, в 1 мм). Поделив миллиметры на количество укладывающихся в них делений, получают цену деления шкалы микроскопа.
Радиус сферы линзы R = 650 мм.
Рис. 5. Схема установки для опыта
Производство работы
Задание. Определение длины световой волны.
1. Произвести наладку установки в белом свете без светофильтра и получить в поле зрения цветные интерференционные кольца так, чтобы шкала микроскопа располагалась по диаметру колец.
2. Определить цену деления шкалы микроскопа, используя миллиметровую бумагу или линейку. Результат записать в таблицу.
3. Определить длину волны красного света:
а) вставить в осветитель красный фильтр, проверить фокусировку колец; сосчитать видимое количество m темных колец;
б) измерить в делениях шкалы диаметры 6–10 темных интерференционных колец, начиная с 4-го порядка;
в) записать в таблицу значения радиусов измеренных колец в делениях шкалы и в миллиметрах (с учетом пункта 2);
г) по формуле (10) определить 4–5 значений длины волны (в соответствии с «указанием»); среднее из всех найденных значений длины волны записать в таблицу 1.
УКАЗАНИЕ: для повышения точности определения волны λ следует выбирать пары колец, возможно более далекие друг от друга. Так, если зафиксировано m = 15 темных колец, то измерению подлежит (см. пункт б) 15 – 3 = 12 колец, т. е. будет 6 пар колец: с 4-го по 9-е и с 10-го по 15-е. Для расчетов по формуле (10) следует взять 4-е и 10-е, 5-е и 11-е, 6-е и 12-е и т. д. пары колец.
Таблица 1
| Цена деления шкалы микроскопа | 1 деление = ... мм. | ||||||||
| № № колец | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| Деления шкалы | |||||||||
| Мм | |||||||||
| Длина волны λср (мм) | |||||||||
Контрольные вопросы
1. Волновая природа света. Интерференция (определение). Условие когерентности. Методы получения когерентных волн. Приведите примеры.
2. Интерференция от двух точечных источников света. Приведите рисунок и вывод условий минимума и максимума.
3. Интерференция в тонких пленках (интерференция равной толщины). Привести рисунок и вывод уравнений максимума и минимума.
4. Интерференция в пленках переменной толщины. Условия минимума и максимума (вывод).
5. Решить задачу.
Изучение прозрачной дифракционной решетки.
Описание к лабораторной работе 9 о
Экспериментально установлено, что свет в однородной среде распространяется прямолинейно. Однако более детальные наблюдения показывают, что световая волна заходит в область геометрической тени, причем на границе между областями света и тени появляются максимумы и минимумы света, свидетельствующие о некотором перераспределении световой энергии на этой границе.
Огибание световой волной границ непрозрачных тел с образованием интерференционного перераспределения энергии по различным направлениям называетсядифракцией света.
Дифракция — это явление, которое доказывает волновую природу света; дифракция свойственна не только световым, но и вообще всяким волнам. Различают с некоторой степенью условности дифракцию сферических волн (дифракция Френеля) и дифракцию плоскопараллельных волн (дифракция Фраунгофера).
Расчет и объяснение дифракции света осуществляется на основе принципа Гюйгенса — Френеля. Согласно принципу Гюйгенса, каждую точку фронта волны можно рассматривать как самостоятельный вторичный источник сферических волн. Построив огибающую всех вторичных источников, находят положение фронта волны в любой последующий момент времени, тем самым определяют направление дальнейшего распространения света. Френель дополнил принцип Гюйгенса рядом интерференционных положений; он ввел представление о когерентности вторичных волн и их интерференции. Для того чтобы определить результат дифракции в некоторой точке пространства, следует рассчитать, согласно принципу Гюйгенса-Френеля, интерференцию вторичных волн, попавших в эту точку от волновой поверхности (фронта волны, в случае однородной среды).
В лабораторной практике дифракционную картину чаще всего получают от дифракционных решеток. Дифракционная решетка — оптическое устройство, представляющее собой совокупность большого числа параллельных, обычно равноудаленных друг от друга щелей одинаковой формы. Плоская прозрачная дифракционная решетка — это прозрачная пластина с большим количеством (до 1000 на длине 1 мм) тонких параллельных щелей одинаковой ширины bи равными расстояниями dмежду их серединами (или соответственными точками). Расстояние d называется периодом или постоянной решетки. Условное обозначение дифракционной решетки показано на рис. 1.
Рис. 1. Условное обозначение дифракционной решетки
На рис. 2 представлен ход лучей через решетку согласно схеме дифракции Фраунгофера. Параллельный пучок лучей 1, идущих от одного источника, падает на дифракционную решетку 2 перпендикулярно к ней. Эти лучи дифрагируют при прохождении через решетку, образуя (вторичные) когерентные расходящиеся пучки под углами дифракции φ1, φ2,…φk. Пучки, прошедшие объектив 3 зрительной трубы, дают в его фокальной плоскости 4 дифракционную картину, как результат дошедших до плоскости 4 когерентных колебаний. Получающееся изображение можно наблюдать с помощью
объектива 5.
|
Рис. 2. Ход лучей через решетку согласно схеме
дифракции Фраунгофера
Распределение интенсивности в дифракционной картине получим в том случае, если учтем распределение интенсивностей при дифракции от одной щели, а также взаимную интерференцию волн от всех щелей. Известно, что каждая щель (в схеме наблюдения дифракции Фраунгофера от нее) дает дифракционную картину, представленную на рис. 3. При этом условие минимумов интенсивности, называемых в данном случае первичными, выражается в виде:
b×sin φm = ± mλ, (1)
где m = 1, 2, 3, ... (при m = 0 возникает максимум);
b — ширина щели;
φm — угол дифракции;
λ — длина волны в данной среде.
Условие максимумов:
b×sin φ1 = ± 1,43λ; b×sin φ2 = ± 2,46λ; (1а)
b×sin φm = ± 3,47λ; ...
При дифракции от решетки (рис. 2) картины от всех щелей придутся на одно и то же место плоскости 4 (экрана), усиливая друг друга.
Учтем взаимную интерференцию когерентных колебаний, приходящих от различных щелей. Очевидно, условие минимума (1) для одной щели является также условием минимума для решетки: в этих направлениях φ условия «гашения» света выполняются для каждой щели в отдельности, а следовательно и для всей решетки в целом. Кроме того, из рис. 2 видно, что разность хода Δ лучей, идущих от любых соответственно расположенных пар точек (например, центральных точек) соседних щелей, равна Δ = d sin φ; если эта разность хода кратна целому числу длин волн (четному числу полуволн), то при интерференции возникнут главные максимумы, определяемые условием (2):
b×sin φk = ± kλ, (2)
где k = 1, 2, 3, ... — порядок дифракционного максимума. Соотношение (2) называется основной формулой дифракцион ной решетки.
Амплитуда колебаний в точках фокальной плоскости 4 (рис. 3), соответствующих главным максимумам, равна
Aмакс = N×Aφ, (3)
где Aφ — амплитуда колебаний, посылаемых одной щелью под утлом φ;
N — число щелей решетки.
|
Рис. 3. Амплитуда колебаний в точках фокальной плоскости 4
Известно, что интенсивность света I прямо пропорциональна квадрату амплитуды волны. Таким образом, интенсивность главных максимумов Iмакс пропорциональна квадрату числа щелей решетки:
Iмакс = N2×Iφ,
где Iφ — интенсивность, создаваемая одной щелью в направлении φ.
Можно доказать, что направления, для которых колебания от отдельных щелей взаимно погашают друг друга, т. е. добавочные минимумы удовлетворяют следующему условию:
N×d×sin φ= ±k'×λ
или
(k΄ = 1, 2, …, N – 1, N + 1,…)
Между двумя главными максимумами возникает (N–1) минимумов. Между этими минимумами должны находиться побочные (дополнительные) максимумы, в которых интенсивность света при достаточно большом N пренебрежимо мала по сравнению с интенсивностью главных максимумов.
Результирующее распределение интенсивности в дифракционной картине от решетки представлено на рис. 4. Пунктирная кривая дает интенсивность от одной щели, умноженную на N2. Сплошная кривая соответствует главным максимумам, а также добавочным максимумам и минимумам.
|
Рис. 4. Результирующее распределение интенсивности
в дифракционной картине от решетки
С помощью дифракционной решетки можно анализировать свет, т. е. изучать его спектральный состав. Действительно, в том случае, когда источник излучает немонохроматический свет (например, белый), то решетка разлагает его в спектр. При φ0 = 0 возникает максимум нулевого порядка, совпадающий для всех длин волн. По обе стороны от него возникнут спектры — максимумы порядков ± k. В спектре каждого порядка максимумы для более коротких волн расположатся ближе к нулевому максимуму. Максимумы для более длинных волн — дальше от него.
Способность дифракционной решетки разлагать свет в спектр позволяет использовать ее как диспергирующее устройство в спектральных приборах.
Цель работы
ознакомление с прозрачной дифракционной решеткой; определение длины световой волны источника света — газового лазера.
Описание установки
Приборы и принадлежности: прозрачная дифракционная решетка, газовый лазер, штангенциркуль, миллиметровая линейка, линза, штативы, экран, оптическая скамья.
Определение длины световой волны проводится по формуле (2) с помощью дифракционной решетки, период которой известен. Однако вид формулы (2) изменяется, поскольку в данном случае используется экспериментальная установка, собранная на оптической скамье по схеме рис. 6.
|
Рис. 6. Экспериментальная установка для опыта,
собранная на оптической скамье
Узкий пучок света, идущий от газового лазера 1, расширяется с помощью линзы 2 (если это необходимо) и падает на дифракционную решетку 3. Дифракционная картина наблюдается визуально на экране 4. Расстояние D от дифракционной решетки до экрана можно изменять, перемещая экран на стойке по оптической скамье, все остальные части установки должны оставаться неподвижными.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: необходимо избегать прямого попадания луча
лазера в глаз, так как концентрированное направленное излучение опасно для зрения.
При достаточно большом расстоянии D (рис. 6) дифрагированные под некоторым углом φk лучи будут практически параллельны, что соответствует дифракции Фраунгофера. Дифракционная картина на экране 4 представляет собой периодическое, симметричное относительно нулевого максимума распределение точечных максимумов интенсивности света. Измерив расстояние ℓk от максимума нулевого до максимума k-того порядка, из соответствующего прямоугольного треугольника можно получить:
Поскольку ℓk 
< D, то угол φk мал, а для малых углов справедливо:
tg φ = sin φ, следовательно:
Подставим значение синуса в формулу (2):
откуда следует, что длина волны света определяется по формуле:
где d — период дифракционной решетки;
D — расстояние от дифракционной решетки до экрана;
k — порядок дифракционного максимума;
ℓk — расстояние от 0-го до k-того максимума.
Производство работы
Задание. Определение длины световой волны.
1. Установить дифракционную решетку с известным периодом в держателе 3 (рис. 6).
2. Установить экран 4 на расстоянии 0,8 м от решетки 3.
3. Включить лазер 1 переводом тумблера в положение «вкл.», при этом должна загореться сигнальная лампочка и, через некоторое время должен появиться красный лазерный луч.
4. Измерить штангенциркулем на экране расстояния L1 и L2 соответственно между максимумами плюс первого и минус первого, а также плюс второго и минус второго порядков. Результат записать в таблицу. За величину k (рис. 6, формула 4) взять ℓk = Lk/2.
Рассчитать длину волны по формуле (4) и записать результат в таблицу 1.
5. Установить экран на расстоянии 0,9 м от решетки. Повторить измерения и расчеты согласно пункту 4.
6. Выключить лазер переводом тумблера в положение «откл.».
7. Рассчитать по результатам пунктов 4 и 5 среднее значение длины λср волны, генерируемой лазером.
Таблица 1
| № пп | D (мм) | d (мм) | k | Lk (мм) | ℓk = Lk /2 | λ ( нм ) | λср (нм) |
| 1 | 0,8 |
| 1 |
| |||
| 2 | |||||||
| 2 | 0,9 | 1 | |||||
| 2 |
Контрольные вопросы
1. Дать определение дифракции света. Принцип Гюйгенса — Френеля.
2. Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера.
3. Условие минимумов и условие максимумов.
4. Формула дифракционной решетки. Что собой представляет дифракционная решетка? Свойства дифракционной решетки.
5. Решить задачу.
Исследование вращения плоскости поляризации
в растворах сахара. Описание к лабораторной работе 12 о
Свет, излучаемый отдельным атомом, представляет собой поперечную электромагнитную волну, т. е. совокупность двух взаимно перпендикулярных волн — электрической (образованной колебанием вектора напряженности
электрического поля) и магнитной (образованной колебанием вектора напряженности 
магнитного поля), идущих вдоль общей прямой 
, называемой световым лучом (рис. 1).
Опыт и теория показывают, что химическое, физиологическое и другие воздействия света на вещество обусловлены электрическими колебаниями (колебаниями вектора ). В дальнейших рассуждениях будем говорить только о векторе , имея в виду, что ┴ в любой точке луча.
Рис. 1
Свет, у которого электрические колебания совершаются только в одной плоскости, называется поляризованным (плоскополяризованным). Плоскость, в которой происходят колебания вектора , называют плоскостью световых колебаний или просто плоскостью колебаний.
Реальный источник света (светящееся тело) состоит из множества атомов, излучающих световые волны со всевозможными ориентациями плоскости колебаний. Эти волны, налагаясь друг на друга, образуют свет, которому соответствует множество разнообразно ориентированных плоскостей колебаний. Такой свет является неполяризованным и называется естественным. Для удобства естественный (рис. 2 а) и поляризованный (рис. 2 б) свет схематично изображают так, как указано на рис. 2. Произвести поляризацию света
(т. е. отобрать из естественного света колебания вектора , которые совершаются в какой-то определенной плоскости) можно различными способами: при отражении и преломлении на границе раздела двух изотропных диэлектрических сред, а также при двойном лучепреломлении в кристаллах.
Рис. 2. Схематичное изображение естественного и поляризованного света
Поляризация при отражении от поверхности диэлектрика
Электромагнитная волна естественного света (рис. 3), падая на вещест-во — диэлектрик, вызывает колебания электронов в атомах и молекулах вещества. Атомы и молекулы становятся сами излучателями вторичных электромагнитных волн, которые распространяются в обеих средах и являются поляризованными. Отраженный и преломленный лучи поляризуются во взаимно перпендикулярных плоскостях: у преломленного света электрические колебания
( ) совершаются преимущественно в плоскости падения (на рисунке показаны стрелками), а у отраженного — перпендикулярно плоскости падения (на рисунке показаны точками).
Рис. 3.
Степень поляризации зависит от угла падения. При некотором угле
падения αр (рис. 3) отраженный свет полностью поляризуется. Угол αр называется углом полной поляризации или углом Брюстера и подчиняется закону Брюстера:
(1)
где n1 и n2 — абсолютные показатели преломления сред. Если первая среда — воздух (n1 = 1), то закон Брюстера запишется:
tg α = n, (2)
где n — абсолютный показатель преломления отражающей среды (диэлектрика). При этом отраженный и преломленный лучи — взаимно перпендикулярны. Преломленный луч будет частично поляризован. Для того чтобы преломленный луч был полностью поляризован, его пропускают через несколько плоскопараллельных пластинок, например, стеклянных.
Поляризация при двойном лучепреломлении
Явление двойного лучепреломления наблюдается в анизотропных средах (анизотропной средой называется среда, физические свойства которой в разных направлениях различны). Анизотропными являются кристаллы кварца, исландского шпата, турмалина и т. д. (кроме кристаллов кубической системы). На рис. 4 показано прохождение света через кристалл исландского шпата (одна из разновидностей СаСО3). Из естественного луча АВ, проходящего сквозь кристалл, образуются два луча, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Электрические колебания одного из этих лучей перпендикулярны главной плоскости кристалла (MO1NО2); он называется обыкновенным лучом — обозначается буквой «о». Электрические колебания другого луча совершаются в главной плоскости кристалла; он называется необыкновенным лучом и обозначается буквой «е». Обыкновенные лучи распространяются по всем направлениям одинаковой скоростью с0 = const, и, следовательно, показатель преломления n0 для обыкновенного луча есть величина постоянная (n0=c/c0 = const,где с — скорость света в вакууме). Необыкновенные лучи распространяются по разным направлениям и с различными скоростями: се ≠ const отсюда следует, что показатель преломления для необыкновенного луча nе является переменной величиной, зависящей от направления луча: nе = с/се ≠ const. Благодаря различию показателей преломления необыкновенный и обыкновенный лучи претерпевают в кристалле разделение — двойное лучепреломление. Но есть в кристалле такое направление (О1О2 и все параллельные прямые, рис. 4), вдоль которого обыкновенный и необыкновенный лучи не разделяются, т. к. распространяются с одинаковой скоростью. Это направление в кристалле называют оптической осью.
Рис. 4.
Для отделения необыкновенного луча от обыкновенного применяют поляризационную призму — призму Николя (николь). Кристалл исландского шпата распиливают на две части по линии АС, как показано на рис. 5. Отшлифованные поверхности распила склеивают канадским бальзамом — специальным клеем, показатель преломления которого меньше показателя преломления обыкновенного луча (n0), но больше показателя преломления необыкновенного луча (nе): n0>nк.б.>nе.Поэтому обыкновенный луч, претерпевая полное отражение на слое клея, отводится в сторону и поглощается в оправе николя; необыкновенный луч при любых углах падения проходит через слой канадского бальзама. Таким образом, через призму Николя проходит только один поляризованный луч (необыкновенный) с электрическими колебаниями в главной плоскости призмы.
|
Рис. 5
Закон Малюса
Для анализа степени поляризации света применяют устройства, называемые анализаторами, в качестве которых используют те же призмы Николя. Если взять два николя (рис. 6, а): один николь — поляризатор Р; из него выходит плоскополяризованный свет (вектор колеблется по напрвалению РР); второй николь — анализатор А (колебания по AA), то по закону Малюса интенсивность света I, выходящего из анализатора, пропорциональна квадрату косинуса угла между направлением плоскостей колебаний (вектора ) поляризатора и анализатора:
I = I0 cos2 α, (3)
где I0 — интенсивность света, вышедшего из поляризатора P;
— интенсивность естественного света.
|
Рис. 6.
Интенсивности
I0 = E2P; I = E2A, (5)
где EP и EA — амплитуды колебаний, прошедших поляризатор и анализатор. Из рисунка 6б видно, что
EA = EPcosα (6)
Подставляя выражение (6) в (5), получим:
I = E2A = (Ep×cosα)2 = Ep2×cos2α = I0×cos2α
Если направления плоскостей колебаний поляризатора и анализатора перпендикулярны α = 90°, то говорят, что поляризатор и анализатор скрещены (установлены на гашение света — через скрещенные николи свет не проходит). Если направления плоскостей поляризатора РР и анализатора АА совпадают
α = 0°, то интенсивность проходящего света будет максимальной. Для любого другого угла α интенсивность света вычисляется по формуле (3).
Вращение плоскости поляризации
Плоскость, перпендикулярную плоскости колебаний вектора 
, называют плоскостью поляризации света. Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. К числу таких веществ принадлежат кристаллические тела (кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически активных веществ и неактивных растворителей (водные растворы сахара, винной кислоты и др.)
В растворах угол поворота плоскости поляризации (<р) пропорционален пути света в растворе ℓ и концентрации активного вещества с:
φ = [α]с×ℓ, (7)
где [α] — величина, называемая удельной постоянной вращения (удельное вращение), которая зависит от длины волны света и температуры раствора; измеряется в 
Цель работы
Изучить явление вращения плоскости поляризации. Определить удельную вращения плоскости поляризации и концентрацию водного раствора сахара.
Описание прибора
Поляриметр круговой СМ-1, применяемый в данной лабораторной работе, схематически изображен на рис. 7; внешний вид прибора — на рис. 9.
|
Рис. 7. Поляриметр круговой СМ-1
Поляриметр (рис. 7) состоит из зрительной трубки R, в которой размещены объектив и окуляр; двух николей — поляризатора Р и анализатора А; линза Л посылает параллельный пучок света от источника S на поляризатор. Поляризатор жестко крепится к оправе вместе с кварцевой пластинкой К, которая расположена симметрично относительно центра поля зрения. Свет от лампы S, пройдя через линзу Л и поляризатор Р, средней частью пучка пройдет через кварцевую пластинку К и анализатор А, а двумя крайними частями пучка — только через анализатор. Поле зрения прибора получается разделенным по яркости на три части (рис. 8а). Выравнивание яркостей производится плавным вращением анализатора. Для этой цели служит фрикцион Ф с маховичком, при вращении которого одновременно вращаются анализатор, нониус и зрительная трубка. Если между анализатором и поляризатором поместить кювету с оптически активным веществом (раствор сахара), то равенство яркостей поля зрения нарушается. Оно может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации раствором сахара (φ).
Рис. 8.
Производство работы (рис. 9)
|
Рис. 9.
Задание № 1. Определить удельное вращение водного раствора сахара.
1. Подключить прибор к сети. Добиться максимальной освещенности поля зрения путем перемещения осветителя 1 в вертикальном и горизонтальном направлениях.
2. Установить резкое изображение линий раздела поля зрения путем перемещения муфты 2.
3. Вращением фрикциона 3 повернуть анализатор и добиться равенства яркости всего поля зрения (при меньшей яркости (рис. 8б)).
4. Снять нулевой отсчет по нониусу 5. Установку на равномерную яркость поля зрения повторить не менее 3-х раз, определяя среднее значение φ0. Данные записать в таблицу 1.
5. Поместить в кюветное отделение 4 кювету с раствором сахара известной концентрации (с = 1 %), закрыть вращающейся шторкой.
6. Добиться однородной освещенности поля зрения вращением фрикциона 3. Снять отсчет со шкалы и записать в таблицу 1. Опыт повторить не менее 3-х раз, определив среднее значение φ1.
7. Измерить длину кюветы ℓ и по формуле (7), где φ = φ1 – φ0, определить удельное вращение [α] водного раствора сахара.
Таблица 1
| № опыта | Нулевой отсчет прибора φ0, градусы | φ1, градусы | Угол поворота плоскости поляризации φ = φ1 – φ0, градусы | ℓ, дм | с, % | [α], градус/ % × дм |
| 1 | 1 | |||||
| 2 | ||||||
| 3 | ||||||
| Среднее значение |
Задание № 2. Определить концентрацию раствора сахара.
1. Поместить в кюветное отделение кювету Х1 с раствором сахара неизвестной концентрации и проделать три раза действия, указанные в п. п. 6–8, рассчитав среднее значение φ2 для раствора Х1. Те же опыты провести с кюветой Х2. Данные записать в таблицу 2.
2. Пользуясь формулой (7), где φ = φ2 – φ0 , и найденным значением [α], вычислить концентрацию раствора сахара в кюветах Х1 и Х2; данные записать в таблицу 2.
Правила пользования круговой шкалой и нониусом (рис. 10):
|
Рис. 10
определить, на сколько полных градусов повернут нуль нониуса по отношению к нулю круговой шкалы (лимба); затем по штриху нониуса, совпадающему с градусным штрихом лимба, отсчитать доли градуса. Оцифровка нониуса: 2 соответствует 0,2°; 4 соответствует 0,4° и т. д. Цена деления нониуса 0,05°. На рис. 10 показан отсчет 3,65°.
Контрольные вопросы
1. Волновая природа света. Плоскополяризованный свет (определение). Способы поляризации света.
2. Поляризация при отражении от поверхности диэлектрика. Закон Брюстера (формула и рисунок).
3. Двойное лучепреломление. Призма Николя. Что такое анизотропные и изотропные среды, обыкновенный и необыкновенный лучи?
4. Объяснить, что собой представляют поляризатор и анализатор. Закон Малюса.
5. Вращение плоскости поляризации (формула и объяснение). Оптически активные вещества.
6. Решить задачу.
Литература
1. Грабовский, Р. И. Курс физики: учебник для сельскохозяйственных институтов. / Р. И. Грабовский. — С.-Пб.: Лань, 2009. — 608 с.
2. Детлаф А. А. Курс физики: учебное пособие для втузов. / А. А. Детлаф, Б. М. Яворский. — М.: Высшая школа, 2000. — 718 с.
3. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие для студентов вузов / И. В. Савельев. — 2-е изд., перераб. — М.: Наука, 1982. — 3 т.
4. Трофимова, Т. И. Краткий курс физики: учебное пособие для вузов. / Т. И. Трофимова. — М.: Академия, 2006. — 560 с.
Интернет-ресурсы
Информационно-образовательные ресурсы НГСХА (официальный сайт НГСХА http://nnsaa.ru/ в разделе «Информационно-образовательные ресурсы»):
— информационная система "Единое окно доступа к образовательным ресурсам" — http://window.edu.ru;
— единая коллекция цифровых образовательных ресурсов — http://school-collection.edu.ru (интерактивные модели, мультимедийные учебные пособия);
— издательство «Лань» — http://www.e.lanbook.com;
— научная электронная библиотека ELIBRARY.RU — http://elibrary.ru/
Другие сайты:
Курсы по общей физике. http://www.ph4s.ru/kurs_ob_ph.html
Файловый архив для студентов. http://www.studfiles.ru/preview/1645619/
Учебное издание
Анна Александровна Гаврилова
Александр Васильевич Чурмасов
Тамара Владимировна Хохолина
Сергей Николаевич Беспалов
Наталья Николаевна Малыгина
Евгений Алексеевич Лукашин
Юрий Павлович Шариков
Лабораторный практикум по физике.
Часть IV . Фотометрия, геометрическая и волновая оптика
Редактор, корректор К. А. Быкова
Верстка Е. В. Филилеева
Подписано в печать 15.02.2019 г. Формат 60×90/16.
Уч.-изд. л. 1,9. Усл.-печ. л. 3,5. Печать цифровая.
Тираж __________ экз. Заказ _____________
 |
ФГБОУ ВО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия»
603107, Нижний Новгород, проспект Гагарина, 97
 |
Отпечатано: Типография Нижегородской ГСХА
603107, Нижний Новгород, проспект Гагарина, 97, тел. 466-07-23
Дата добавления: 2021-04-06; просмотров: 99; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!