ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Северо-Западный государственный заочный
технический университет
Кафедра физики
ФИЗИКА
ОПТИКА ВИРТУАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Факультеты – все Направление подготовки специалиста 650000 – техника и технологии Направление подготовки бакалавра 550000 – технические науки
Санкт-Петербург 2005
2
Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 53 (07), 536 (076.5) Физика. Оптика: Виртуальный лабораторный практикум. – СПб., 2005. –
34 с. Настоящий сборник содержит методические указания к выполнению лабо-
раторных работ, разработанные в соответствии с требованиями государствен-ных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 650000 – «Техника и технологии» и направлению подготовки бакалавра – 550000 – «Технические науки».
Сборник содержит описания к лабораторным работам, в которых исполь-зуются компьютерные модели «Открытая физика 1.1», разработанные фирмой «Физикон». Пособие составлено проф. В.М. Цаплевым и доц. Ю.И. Кузьминым на основе описаний, разработанных проф. МГТУГА Ю.В. Тихомировым и доц. кафедры общей физики ЧувГУ Б.К. Лаптенковым.
Рассмотрено на заседании кафедры физики 01 ноября 2004 г.; одобрено ме-тодической комиссией факультета радиоэлектроники 16 декабря 2004 г.
Рецензенты: кафедра физики СЗТУ (зав. кафедрой) А.Б. Федорцов, д-р физ.-мат. наук, проф.; А.П. Корольков, канд. физ.-мат. наук, доц. кафедры общей и технической физики Санкт-Петербургского горного института (технического университета).
Составители: В.М. Цаплев, д-р техн. наук, проф., Ю.И. Кузьмин, канд. физ.-мат. наук.
© Северо-Западный государственный
заочный технический университет, 2005
3
ВВЕДЕНИЕ Данное методическое пособие содержит описания к лабораторным рабо-
там, в которых используются компьютерные модели “Открытая физика 1.1”, разработанные фирмой «Физикон». Пособие составлено проф. В.М. Цаплевым и доц. Ю.И. Кузьминым на основе описаний, разработанных проф. МГТУГА Ю.В. Тихомировым и доц. кафедры общей физики ЧувГу Б.К. Лаптенковым.
Для начала работы необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой сборника компьютерных моделей. После этого появится начальная картинка, имеющая вид
После этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, устано-
вив ее маркер над названием раздела, в котором расположена данная модель. Для оптики вы увидите следующую картинку:
4
Чтобы увидеть дальнейшие пункты содержания данного раздела, надо
щелкать левой кнопкой мыши, установив ее маркер на кнопку со стрелкой вниз, расположенную в правом нижнем углу внутреннего окна.
Кнопки вверху картинки являются служебными. Предназначение каждой проявляется, когда маркер мыши располагается над нею в течение 1–2 секунд (без нажатия кнопок мыши). Очень важной является кнопка с двумя вертикаль-ными чертами « ⎜⎢», которая служит для остановки эксперимента, а рядом рас-положенные кнопки – для шага « ⎜» и продолжения « » работы.
Прочитав надписи во внутреннем окне, установите маркер мыши над над-
писью требуемой компьютерной модели и дважды коротко нажмите левую кнопку мыши. Рассмотрите пример на с. 4. В появившемся внутреннем окне сверху также расположены служебные кнопки. Кнопка с изображением страни-цы служит для вызова теоретических сведений. Перемещать окна можно, заце-пив мышью заголовок окна (имеющий синий фон). Для закрытия окна надо на-жать мышью кнопку с крестом в верхнем правом углу данного окна.
5
ДОПУСК К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ Проводится преподавателем с персональным опросом каждого студента.
Для допуска: • каждый студент предварительно оформляет свой персональный кон-
спект данной ЛР (см. соответствующие требования); • преподаватель индивидуально проверяет оформление конспекта и зада-
ет вопросы по теории, методике измерений, установке и обработке результа-тов;
• студент отвечает на заданные вопросы (письменно в черновике конспек-та или устно);
• преподаватель допускает студента к работе и ставит свою подпись в конспекте студента (графа ДОПУСК в табличке на обложке).
ОФОРМЛЕНИЕ КОНСПЕКТА ДЛЯ ДОПУСКА К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ
Конспект для допуска к ЛР готовится заранее на двойных листах из
школьной тетради в клетку (4-5 двойных листов в зависимости от почерка). Первая страница (обложка):
Допуск Измерения Установка Зачет
Лабораторная работа №__ Название:
Выполнил: студент группы _____ ФИО_______________ Дата выполнения: ____ Дата сдачи: __________
6
Следующие страницы: ЧЕРНОВИК (здесь и далее на этой стороне
должны быть представлены все рас-четы, включая расчетные формулы и подстановку числовых значений)
Цель работы: (переписать пол-
ностью из описания) Краткая теория (выписать ос-
новные формулы и пояснить каждый символ, входящий в формулу)
Экспериментальная установка(нарисовать чертеж и написать на-именование деталей)
Таблицы (состав таблиц и их количество определить самостоя-тельно в соответствии с методикой измерений и обработкой их результа-тов)
Оформление отчета (перепи-сать полностью из описания). Этот раздел в описании может иметь и другое название, например “Обра-ботка результатов и оформление от-чета”
ОФОРМЛЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ К ЗАЧЕТУ
Полностью оформленная и подготовленная к зачету работа должна соот-
ветствовать следующим требованиям: 1. Выполнение всех пунктов раздела описания “Оформление отчета”
(в черновике представлены все расчеты требуемых величин, заполнены черни-лами все таблицы, построены все графики).
2. Графики должны удовлетворять всем требованиям, приведенным ниже. 3. Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая
единица измерения. 4. Записаны выводы по каждому графику (см. ниже шаблон) 5. Выписан ответ по установленной форме (см. ниже шаблон). 6. Записаны выводы по ответу (см. ниже шаблон).
7
Г Р А Ф И К (требования) • на миллиметровке или листе в клетку, размер не менее 1/2 тетрадного листа, • на графике: оси декартовой системы, на концах осей – стрелки, индексы величин, единицы измерения, 10N, • на каждой оси – РАВНОМЕРНЫЙ МАСШТАБ (риски через равные промежутки, числа через равное количество рисок), • под графиком – полное название графика СЛОВАМИ, • на графике – экспериментальные и теоретические точки ярко, • форма графика соответствует теоретической зависимости (не ломаная).
ВЫВОД по ГРАФИКУ (образец): Полученный экспериментально график зависимости ______________________
название функции словами от ______________ имеет вид прямой (проходящей через начало координат, название аргумента параболы, гиперболы, плавной кривой) и качественно совпадает с теорети-ческой зависимостью данных характеристик, имеющей вид ________________.
формула
ОТВЕТ: По результатам измерений и расчетов получено значение __________________________, равное _______ = ( ___ ± ____ ) 10 ___ _________ название физической характеристики символ среднее ошибка степень ед. измер.
ВЫВОД по ОТВЕТУ (образец):
Полученное экспериментально значение величины ________________________, полное название словами равное _____________________, с точностью до ошибки измерений, число, единица измерения составляющей ___________________, совпадает (не совпадает) с табличным число, единица измерения (теоретическим) значением данной величины, равным _____________________. число, единица измерения
8
РАЗДЕЛ 4. ОПТИКА
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.1
Моделирование оптических систем Ознакомьтесь с теорией в конспекте и в учебниках: 1. Трофимова Т.И.
Курс физики. § 166. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. § 32.7. Запустите программу «Оптика», «Зрительная труба Кеплера» и «Микро-
скоп». Нажмите вверху внутренних окон указанных разделов кнопки с изобра-жением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения об этих оптиче-ских системах и запишите их в свой конспект.
Цель работы
• Ознакомление с оптическими схемами зрительной трубы Кеплера и
микроскопа. • Моделирование этих схем из простых линз. • Проверка формул увеличения зрительной трубы Кеплера и микроскопа.
Краткая теория Труба Кеплера представляет собой оптическую систему, предназначенную
для наблюдения удаленных предметов. Если лучи от предмета приходят в тру-бу в виде параллельных пучков, то оптическая система трубы называется теле-скопической.
1. На рис. 1 представлена оптическая схема зрительной трубы Кеплера. Она состоит из длиннофокусного объектива 1 и окуляра 2 – линзы с меньшим фокусным расстоянием.
1 2 D D′ G
ϕ ψ F1 F2
Рис. 1
9
Второй главный фокус F1 объектива совпадает с первым главным фокусом F2 окуляра, благодаря чему падающий в объектив параллельный пучок лучей выходит из окуляра также параллельным пучком. Как показано на рис. 1, объ-ектив 1 зрительной трубы образует обратное действительное изображение G бесконечно удаленного предмета, которое рассматривается в окуляр 2.
Увеличение трубы Г является угловым увеличением и равно отношению:
Г = ϕtg
tgѓХ, (1)
где ψ − угол, под которым предмет наблюдается в трубу (согласно правилу
знаков, этот угол отрицательный); ϕ − угол, под которым предмет виден невоо-руженным глазом (если глаз поместить вместо объектива трубы на оптической оси).
Ширина параллельного пучка лучей D, входящих в объектив, обычно равна диаметру объектива. Ширина пучка D´, выходящего из окуляра, определяется диаметром выходного зрачка системы. Выходной зрачок является изображени-ем входного зрачка, даваемого окуляром.
Из рис. 1 имеем для увеличения Г:
Г = −2
1FF , (2)
Г = −DD′. (3)
Соотношение (2) показывает, во сколько раз увеличиваются угловые раз-
меры изображения в сравнении с угловыми размерами предмета при наблюде-нии через трубу.
Линейное увеличение β находится по формулам геометрической оптики:
Гβ = 1, (4)
следовательно,
β = −1
2
FF
= −DD′ . (5)
Так как D´< D, то зрительная труба дает уменьшение линейных размеров
наблюдаемых объектов.
2. Микроскоп предназначен для наблюдения мелких предметов, не разли-чимых глазом. На рис. 2 показана оптическая схема микроскопа.
10
1 2 1 3
Y 2 F1 F2 F1 3 −Y′ 3′
−Y ′′ Δ 2′ 1′
d0
Рис. 2 Микроскоп состоит из двух линз: короткофокусного объектива 1 и окуля-
ра 2, фокусное расстояние которого больше, чем у объектива. Предмет Y распо-лагается вблизи первого фокуса F1 объектива так, что действительное увели-ченное и обратное изображение − Y′ получается вблизи первого фокуса F2 оку-ляра 2 – между ним и окуляром. Окуляр действует как лупа, давая мнимое изо-бражение −Υ′′ на расстоянии наилучшего зрения d0 (d0 = 0,25 м) от глаза 3, ко-торый находится непосредственно за окуляром 2. Лучи 1, 2, 3 позволяют полу-чить изображение −Υ′ ; лучи 1′, 2′, 3′, попадая в систему глаза 3, сходятся на сетчатке глаза, где дают изображение, соответствующее мнимому изображе-нию −Υ′′, даваемому окуляром как лупой. Без участия глаза изображения не видно, а из окуляра выходит расходящийся пучок лучей. Расстояние Δ между вторым фокусом объектива и первым фокусом окуляра называется оптическим интервалом.
Если предмет Y поместить на расстоянии d1 от объектива микроскопа, его изображение Y´ будет находиться от объектива на расстоянии f1, удовлетво-ряющем уравнению
11об
111fdF
+= .
Изображение предмета будет увеличено при этом в
1
1об d
fk = раз. (6)
Окуляр располагают относительно изображения Y´ так, чтобы оно рассмат-ривалось через него как через лупу. Окончательное изображение Y´´ будет мнимым и будет отстоять от окуляра на расстоянии f2. Если расстояние d2 от
11
окуляра до промежуточного изображения Y´ подобрано так, что оно удовлетво-ряет уравнению
22ок
111fdF
−= ,
то увеличение изображения Y´, даваемое окуляром, при этом окажется рав-
ным
2
2
dfkок = . (7)
Увеличение микроскопа Г вычисляется как произведение увеличений объ-ектива и окуляра
Г = kобkок. (8) В случае, когда F1 и F2 много меньше оптического интервала Δ, увеличение
микроскопа выражается простой формулой
21
0FF
dГ Δ= . (9)
ИЗМЕРЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТ 1. Зрительная труба Кеплера
12
1. Подведите маркер мыши к движку регулятора F1, нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, двигайте движок до установки значения F1, взятого из табл. 1 для вашей бригады.
2. Установите аналогичным образом F2 и ϕ.
3. Запишите в табл. 2 значение Гт =2
1FF , взятое из нижнего правого окна
схемы зрительной трубы Кеплера. 4. С помощью миллиметровой линейки измерьте на экране монитора D и
D′ и запишите эти значения в табл. 2.
5. Рассчитайте значение Гэ = DD′
− и запишите это значение в таблицу по
форме 1. 6. Сравните полученное значение Гэ со значением Гт. 7. Устанавливая вторые значения F1 и F2, взятые из табл. 1 для вашей бри-
гады, повторите измерения п. 2-6, записывая результаты измерений в таблицу по форме 1.
8. Оцените абсолютную погрешность измерений.
Таблица 1
Бригада 1 2 3 4 5 6 7 8 F1мм
100 105
110 115
120 125
130 135
140 145
150 155
160 165
170 175
F2мм
20 21
22 23
24 25
26 27
28 29
30 32
34 35
36 38
ϕ 0,00 0,01 0,02 0,03 -0,01 -0,02 -0,03 -0,04
Форма 1. Гт
D, мм D′, мм Гэ ΔГэ
13
ЭКСПЕРИМЕНТ 2. Микроскоп
1. Подведите маркер мыши к движку регулятора фокусного расстояния
объектива микроскопа, нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажа-том состоянии, перемещайте движок до установки F1, взятого из табл. 1 для вашей бригады.
2. Установите аналогичным образом фокусное расстояние окуляра F2 и за-пишите эти значения в таблицу по форме 2.
3. С помощью миллиметровой линейки измерьте расстояния d1, d2, f1, f2 и запишите их в таблицу по форме 2.
4. По формулам (6) … (8) рассчитайте kоб, kок и Г и запишите эти значения в таблицу по форме 2. Рассчитайте по формуле (9) теоретическое значение опти-ческого интервала Δт по параметрам, указанным в нижней части окна.
5. Определите масштаб шкалы окна оптической схемы микроскопа. Для этого измерьте с помощью миллиметровой линейки на экране монитора фокус-ное расстояние F1 и сопоставьте его со значением, указанным в левом нижнем прямоугольнике окна оптической схемы.
6. Измерьте с помощью миллиметровой линейки на экране монитора оптиче-ский интервал микроскопа, приведите его в соответствие с масштабом шкалы окна и запишите полученное значение интервала в таблицу по форме 2 (графа Δэ).
14
7. Сопоставьте полученные экспериментальные значения оптического ин-тервала и увеличения микроскопа с указанными в окошке опыта значениями и сделайте анализ опыта.
8. Сделайте оценку погрешности измерений.
Таблица 2 Бригада 1 2 3 4 5 6 7 8 F1, мм 35
37 39 41
43 45
47 49
51 53
55 57
59 61
63 65
F2, мм 40 41
42 43
44 45
46 47
48 49
50 51
52 53
54 55
Форма 2
F1, мм F2, мм d1, мм d2, мм f1, мм f2, мм kоб kок Г ∆э, мм
Вопросы и задания для самоконтроля 1. Что называется линзой? 2. Какая линза называется тонкой? 3. Что такое главная и побочная оптические оси? 4. Что называется фокусом линзы? 5. Как можно построить изображение произвольной точки в любой линзе? 6. Можно ли с помощью рассеивающей линзы получить увеличенное изо-
бражение? 7. Можно ли с помощью собирающей линзы получить уменьшенное изо-
бражение предмета? 8. Сформулируйте принцип Ферма. 9. Что называется оптической силой линзы, в каких единицах эта сила из-
меряется? 10. Запишите формулу тонкой линзы. 11. Назовите аберрации оптических систем. 12. Постройте ход лучей в микроскопе, зрительной трубе Кеплера и фото-
аппарате. 13. Какая оптическая система называется телескопической?
15
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.2
Изучение дифракции Фраунгофера от одной щели Ознакомьтесь с теорией в конспекте лекций и в учебниках:
1. Трофимова Т.И. Курс физики. § 179; 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс фи-зики. Гл. 32, § 32.3.
Запустите программы: «Оптика» и «Дифракция света». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте и запишите краткие теоретические сведения в свой конспект.
Цель работы
• Знакомство со схемой дифракции Фраунгофера от одной щели в коге-рентном свете.
• Определение углов дифракции в параллельных лучах.
Краткая теория Дифракция Фраунгофера наблюдается в том случае, когда источник света и
точка наблюдения бесконечно удалены от препятствия, вызвавшего дифрак-цию. Схема наблюдения дифракции Фраунгофера от одной щели показана на рис. 1.
3 2 1 2ϕ а2
1ϕ а1
L
Рис. 1 Параллельный монохроматический пучок света 1 падает нормально на
щель 2, длина которой много больше ее ширины d. Согласно принципу Гюй-генса, каждая точка плоскости щели, до которой дошло световое колебание, становится источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны под углами дифракции ϕ1, ϕ2 … т.е. свет дифрагирует при прохождении через щель. В результате дифракции пучки являются когерентными и могут интерфе-рировать при наложении. Результат интерференции в виде полос с периодиче-
16
ским распределением интенсивности наблюдается на экране 3, находящемся на расстоянии L. Условие дифракционного максимума на основе метода зон Фре-неля определяется формулой
d sin ϕ = ± (2m +1)2λ
(m = 1,2,…).
Более точный расчет интерференционной картины от одной щели дают следующие формулы, определяющие углы дифракции, соответствующие ди-фракционным максимумам:
первого порядка d sin ϕ1 = ± 1,43λ; второго порядка d sin ϕ2 = ± 2,46λ; (1) третьего порядка d sin ϕ3 = ± 3,47λ. Из этих формул, зная ширину щели d и длину волны света λ, можно теоре-
тически рассчитать направления на точки экрана, в которых амплитуда, а сле-довательно, и интенсивность света максимальна. Аналогичные расчеты можно сделать из экспериментальных данных по измеренным на опыте значениям а1, а2 и а3 и заданному расстоянию между щелью и экраном L (для малых углов допускаем sin α ≈ tg α). Тогда
sin ϕ 1≈ Lа1 ; sin 2ϕ ≈
La2 ; sinϕ3 L
a3≈ . (2)
Методика измерений Закройте окно теории. Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все ре-
гуляторы и другие элементы эксперимента и зарисуйте их в конспект. Получите у преподавателя допуск для выполнения лабораторной работы.
17
Измерения 1. Подведите маркер мыши к движку регулятора вблизи картинки спектра,
нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, двигайте движок до установки значения длины волны λ1, взятого из табл. 1 для вашей бригады.
2. Аналогичным образом, зацепив мышью движок регулятора расстояния между щелями, установите минимальное расстояние d = 2 мм. Измерьте, ис-пользуя шкалу на экране, расстояние а1 между нулевым и первым максимума-ми, а2 – между нулевым и вторым максимумами и т. д., до четвертого максиму-ма. Запишите эти значения в табл. 2. Увеличивая d на 0,5 мм, проведите эти из-мерения еще 4 раза.
3. Согласно табл. 1, устанавливая новые числовые значения длины волны λ для вашей бригады, повторите измерения по п. 2, записывая результаты изме-рения в таблицу по форме 1.
Таблица 1
Значения длины волны λ (в нм)
Бригада
1
2
3
4
5
6
7
8
λ1
400
405
410
415
420
425
430
435
λ2
500
505
510
515
520
525
530
540
λ3 580 585 590 595 600 605 610 615
λ4 630 635 640 645 650 655 660 665
Форма 1 Результаты измерений при λ = ______нм
d, мм 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 а1, мм а2, мм а3, мм а4, мм
sin ϕ1×103 sin ϕ2×103 sin ϕ3×103 sin ϕ4×103
18
Обработка результатов и оформление отчета
1. Измерьте по шкале экрана и внесите в таблицы значения а1, а2, а3, а4. 2. Рассчитайте по формулам (2) и внесите в таблицы значения синусов уг-
лов дифракции. 3. Сравните полученные результаты с теоретическими, рассчитанными по
формулам (1). 4. Оцените абсолютную ошибку измерений углов дифракции. 5. Проведите качественные наблюдения изменения дифракционной карти-
ны при увеличении размера щели от минимального до его максимального зна-чения при неизменной длине волны и запишите результаты этих наблюдений в свой отчет.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Что называется дифракцией Фраунгофера? 2. Что называется дифракцией Френеля? 3. Что такое световая волна? 4. Что такое зона Френеля? 5. Что такое пятно Пуассона и почему оно возникает? 6. Запишите условия максимумов и минимумов при дифракции Френеля и
дифракции Фраунгофера. 7. Решите задачу, предложенную в работе под знаком вопроса в верхней
части экрана.
19
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.3 Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона Ознакомьтесь с теорией в конспекте и в учебниках: 1. Трофимова Т.И.
Курс физики. Гл. 22, §174; 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Гл. 31, § 31.3. Запустите программу «Открытая физика 1.1». Выберите «Оптика» и «Кольца Ньютона». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного мо-делирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ еще раз.)
Цель работы
• Знакомство с моделированием явления интерференции света в тонких
пленках. • Изучение интерференции полос равной толщины в схеме колец Ньютона. • Определение радиуса кривизны линзы.
Краткая теория
Классическим примером полос равной толщины являются кольца Ньюто-
на. Они наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованно-го плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны (рис.1).
Рис. 1
20
Если на линзу падает пучок монохроматического света, то световые волны, отраженные от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, будут интерферировать между собой. При этом образуются интерференционные по-лосы, имеющие форму концентрических светлых и темных колец убывающей ширины.
В отраженном свете оптическая разность хода с учетом потери полуволны будет равна
22 λ
+=Δ d , (1)
где d – толщина воздушного зазора.
Из рис. 1 следует, что
( ) 2222 2 dRddRRr −=−−= . (2) Учитывая, что d2 является величиной второго порядка малости, то из (2)
получим
Rrd2
2= . (3)
Следовательно,
2
2 λ+=Δ
Rr . (4)
В точках, для которых оптическая разность хода равна
( )2
12 λ+=Δ k , (5)
возникают темные кольца. Из формул (4) и (5) радиус k-го темного кольца бу-дет равен
λ= kRrk2 . (6)
Формула (6) позволяет определить радиус кривизны линзы
λ=
krR
2.
Вследствие деформации стекла, а также наличия на стекле пылинок невоз-
можно добиться плотного примыкания линзы и пластины в одной точке. По-этому при определении радиуса кривизны линзы пользуются другой формулой, в которую входит комбинация из двух значений радиусов интерференционных
21
колец rm и rn, что позволяет исключить возможный зазор в точке контакта лин-зы и стеклянной пластины
)( λ−−
=nmrrR
2n
2m . (7)
Методика и порядок измерений
1. Внимательно рассмотрите окно опыта, показанное на рис. 2, и зарисуйте
необходимое в свой конспект лабораторной работы. 2. Зацепите мышью движок регулятора длины волны монохроматического
света и установите первое значение длины волны из табл. 1 для вашей бригады. Аналогичным образом установите первое значение радиуса кривизны линзы R.
Цель работы – проверить соответствие измеренного значения радиуса кривизны линзы и рассчитанного по формуле (7).
Рис. 2
3. По формуле 21
1m mrr = и указанному значению r1 в правом нижнем пря-моугольнике окна опыта рассчитайте значения радиусов 3, 4, 5 и 6-го темных колец Ньютона и запишите эти значения в табл. 2.
4. По формуле (7) для m1 = 3 и n1 = 5 и m2 = 4 и n2 = 6 рассчитайте радиусы кривизны линзы R∗
1 и R∗2 и запишите эти значения в таблицу по форме 1.
22
5. Установите мышью вторые значения радиуса кривизны линзы и длины волны из табл. 1 и выполните измерения пп. 3 и 4.
6. Проанализируйте полученные результаты и оцените погрешность прове-денных измерений.
Таблица 1 Значения длины волны и радиуса кривизны линзы
Бригады λ1, нм λ2, нм R1, см R2, см
1,5 400 640 50 180 2,6 460 680 70 160 3,7 520 730 90 140 4,8 560 760 110 120
Форма 1 Результаты измерений и расчетов.
λ1= _____ R1 = _____ λ2 = ____ R2 = _____
r3 r5 r4 r6 r3 r5 r4 r6
*R1 = *R2 = *R3 = *R4 =
Вопросы и задания для самоконтроля 1. Что такое полосы равной толщины и равного наклона? Где они локали-
зованы? 2. Проведите расчет интерференционной картины в тонкой пленке. 3. Что называется временем когерентности немонохроматической волны? 4. Что называется длиной когерентности? 5. Почему для немонохроматического света число видимых интерференци-
онных колец будет ограниченным? От чего будет зависеть это число? 6. Объясните, почему расстояние между кольцами изменяется с изменени-
ем радиуса кривизны линзы при неизменной длине волны? 7. Как изменится картина колец Ньютона, если воздушный зазор между
линзой и пластиной заполнить водой? 8. Почему в отраженном свете в центре наблюдается темное кольцо? 9. Как изменится картина колец Ньютона, если наблюдение проводить в
проходящем свете? 10. Почему масляное пятно на поверхности жидкости имеет радужную ок-
раску? 11. Объясните, как явление интерференции света в тонких пленках исполь-
зуется для просветления оптики?
23
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.4 Дифракция и интерференция
Ознакомьтесь с теорией в конспекте, учебнике (Трофимова Т.И. § 172, 173,
Савельев И.В. Т. 2, с. 119, 125–127, 129, 130). Запустите программу. Выберите «Оптика» и «Интерференционный опыт Юнга». Нажмите вверху внутреннего ок-на кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведе-ния. Необходимое запишите в свой конспект. Если вы забыли, как работать с сис-темой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ, с. 4, еще раз.
Цель работы
•Знакомство с моделированием процесса сложения когерентных электро-
магнитных волн. •Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия све-
товых волн от двух источников (щелей).
Краткая теория Между дифракцией и интерференцией нет существенных физических раз-
личий. Оба явления заключаются в перераспределении в пространстве энергии светового потока, возникающем в результате суперпозиции волн.
Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колеба-тельных или волновых процессов.
Когерентными называются волны, для которых разность фаз возбуждае-мых ими колебаний остается постоянной во времени. Когерентными являются гармонические волны с кратными частотами.
Интерференцией называется устойчивое перераспределение интенсивно-сти, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным количеством дискретных когерентных источников волн.
Дифракцией называется устойчивое перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых расположенными непрерывно когерентными источниками волн. Одним из проявлений дифрак-ции является распространение волны в область геометрической тени, т.е. туда, куда не попадают световые лучи.
Принцип Гюйгенса: это модель распространения волн в пространстве, ка-ждый элемент волновой поверхности является источником вторичной сфериче-ской волны, а волна в любой точке перед этой поверхностью (с другой стороны от поверхности, нежели реальный источник волны) может быть найдена как ре-зультат суперпозиции волн, излучаемых указанными вторичными источниками.
Зонами Френеля называются такие участки на поверхности волнового фронта, для которых излучение от двух соседних участков при сложении дает практически нулевой (минимальный) результат (излучение от двух соседних
24
зон Френеля компенсируется). Расстояния от краев каждой зоны до точки на-блюдения отличаются на λ/2.
Величина напряженности электрического поля dE электромагнитной вол-ны (ЭМВ), излучаемой элементарным участком площадью dS волновой по-верхности в точке наблюдения, расположенной на расстоянии r от этого участ-ка, равна
)krt(rdSaKdE 0
0 cos α+−ω= ,
где множитель а0 определяется амплитудой светового колебания в том месте, где расположена площадка dS, коэффициент К зависит от угла между нормалью к площадке dS и направлением на точку наблюдения; k = 2π/λ – волновое число.
Аналогичная формула будет справедлива для любого точечного источника гармонической волны.
Для двух точечных источников (см. рис. 1), расположенных на расстоянии d друг от друга на линии, параллельной экрану, отстоящему от линии источни-ков (1 и 2) на расстоянии L, максимум при интерференции волн на экране на-блюдается при условии, что разность хода Δr волн, приходящих в данную точ-ку, кратна длине волны: Δr = mλ (m = 0, 1, 2...).
Формула связи d sin(ϕ) = mλ для первого максимума и при большом рас-стоянии до экрана L>>d, когда
sin(ϕ) ≈ tg(ϕ) ≈ L
X MAX ,
преобразуется так:
λ=L
dX MAX ,
откуда XMAX = d
L 1λ .
ЭКРАН L 1 Δr d ϕ 2 XMAX Максимум
Рис. 1
25
МЕТОДИКА и ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ Закройте окно теории. Внимательно рассмотрите рис. 2, найдите все регу-
ляторы и другие основные элементы и зарисуйте их в конспект.
Рис. 2 Зарисуйте необходимое с экрана в свой конспект лабораторной работы. Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.
ИЗМЕРЕНИЯ 1. Подведите маркер мыши к движку регулятора вблизи картинки спектра,
нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, двигайте движок, установив числовое значение длины волны λ1, взятое из табл. 1 для вашей бригады.
2. Аналогичным образом, зацепив мышью движок регулятора расстояния между щелями, установите минимальное значение d = 1 мм. Измерьте, исполь-зуя шкалу на экране, расстояние XMAX между нулевым и первым максимумами и запишите в таблицу по форме 1. Увеличивая d каждый раз на 0,3 мм, измерьте еще 9 значений расстояния XMAX.
26
3. Устанавливая новые числовые значения длины волны λ, из табл. 1 для вашей бригады, повторите измерения по п. 2, записывая результаты в таблицу по форме 1.
Таблица 1
Примерные значения длины волны (не перерисовывать)
Бригада 1 2 3 4 5 6 7 8 λ1 400 405 410 415 420 425 430 435 λ2 500 505 510 515 520 525 530 535 λ3 580 585 590 595 600 605 610 615 λ4 630 635 640 645 650 655 660 665
Форма 1 Результаты измерений при λ = ____ нм
D, мм
XMAX, мм 1/XMAX, мм-1
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА 1. Рассчитайте и внесите в таблицу по форме 1 значения обратного рас-
стояния между щелями. 2. Постройте на одном рисунке графики экспериментальных зависимостей
смещения первого максимума XMAX от обратного расстояния между щелями (указав на них длину волны λ).
3. Для каждой линии определите по графику экспериментальное значение
произведения λL, используя формулу )
d(
)X(L MAX1
Δ
Δ=λ .
4. Рассчитайте среднее значение экспериментально полученного произве-дения λL и абсолютную ошибку измерений данного произведения.
5. Запишите ответ и проанализируйте ответы и графики.
Вопросы и задания для самоконтроля 1. Что такое волна? 2. Что такое гармоническая волна? 3. Что такое длина волны?
27
4. Напишите математическое условие того, что функция f(x,t) описывает волну.
5. Что определяет форму волны и направление ее распространения? 6. Напишите математическую функцию, определяющую одномерную гармо-
ническую волну, распространяющуюся в положительном направлении оси ОХ. 7. Что такое когерентность? 8. Дайте определение когерентных волн. 9. Дайте определение явления интерференции. 10. Дайте определение явления дифракции. 11. Что такое волновая поверхность? 12. Сформулируйте принцип Гюйгенса. 13. Дайте определение зон Френеля. 14. Напишите формулу для напряженности электрического поля dE элек-
тромагнитной волны (ЭМВ), излучаемой элементарным участком площадью dS волновой поверхности в точке наблюдения, расположенной на расстоянии r от этого участка. Поясните рисунком.
15. Что такое разность хода двух гармонических волн, излучаемых двумя источниками.
16. При какой разности хода двух волн при их сложении наблюдается мак-симум?
17. При какой разности хода двух волн при их сложении наблюдается ми-нимум?
28
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4.5 Дифракционная решетка
Ознакомьтесь с теорией в конспекте, учебнике (Трофимова Т.И. § 180, Са-
вельев В.И. Т. 2, § 129, 130). Запустите программу. Выберите «Оптика» и «Ди-фракционная решетка». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображе-нием страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое за-пишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютер-ного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ еще раз.)
Цель работы
•Знакомство с моделированием процесса сложения когерентных электро-магнитных волн.
•Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия све-товых волн с периодической структурой (дифракционной решеткой).
Краткая теория
Зарисуйте с экрана компьютера то, что расположено в трех прямоугольных рамках.
Дифракционной решеткой называется совокупность большого числа N одинаковых, отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние, прямоуголь-ных щелей в плоском непрозрачном экране.
Периодом (постоянной) дифракционной решетки называется расстояние d между серединами соседних щелей или сумма ширины щели b и ширины не-прозрачного участка a.
При анализе излучения, проходящего через решетку, обычно используют линзу и экран, расположенный в фокальной плоскости линзы на расстоянии L от нее. Линза собирает параллельные лучи в одну точку на экране. Положение Х точки на экране зависит от угла падения θ лучей на линзу: X = Lsin(θ). Для очень малых углов sin(θ) = θ и X = θL.
Разность хода лучей от соседних щелей Δ = dsin(θ).
Разность фаз лучей от соседних щелей )sin(d θλπ
λΔπδ 22 == .
Интенсивность излучения, идущего от решетки под углом θ:
IРЕШ = I0 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
λθπ
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
λθπ
⋅
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
λθπ
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
λθπ
sinsin
sinsin
sin
sinsin
2
2
2
2
d
dN
b
b
,
где I0 – интенсивность, создаваемая одной щелью против центра линзы, b – ширина щели. Первый множитель обращается в 0 в точках, для которых bsin(θk)
29
= ±kλ (k = 1,2,...). Второй множитель принимает значение N2 в точках, удовлет-воряющих условию dsin(θm) = ±mλ (m = 0,1,2,...). Последнее условие определяет положение главных максимумов излучения, а m называется порядком макси-мума. Интенсивность в главном максимуме преобразуем, раскладывая синус в ряд и ограничиваясь первыми двумя членами разложения:
Im = N2I0 22
02
2
02m
m2
611
sin
sin
sinsin
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ π−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ π
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ π
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
λθπ
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
λθπ
dbmI
dbm
dbm
Ib
b
NN .
Обозначим NI
IR0
mm = . Отношение Rm интенсивности в m-м максимуме к
интенсивности в нулевом максимуме называется «относительной интенсивно-стью m-го максимума». Формулу
( )2
m1
611 2 ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛π−=
dbmR
можно проверить экспериментально и из соответствующего графика получить ширину щели.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
Закройте окно теории. Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все ре-
гуляторы и другие основные элементы и зарисуйте их в конспект.
30
При включении программы моделирования автоматически устанавливают-ся следующие параметры: порядок максимума m=1, длина волны 0.45 мкм, рас-стояние между щелями d = 20 мкм.
Нажимая левую кнопку мыши, установив ее маркер на дифракционной картине, меняйте m от 0 до 3 и наблюдайте изменение числового значения ко-ординаты максимума на экране. Установите длину волны излучения, соответст-вующую желтому цвету и, меняя m и d, снова наблюдайте картину интерферен-ции. Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.
Эксперимент
Исследование дифракционной картины 1. Установите расстояние между щелями d = 20 мкм. 2. Подведите маркер мыши к кнопке на спектре и нажмите левую кнопку
мыши. Удерживая кнопку в нажатом состоянии, перемещайте кнопку до тех пор, пока над спектром не появится значение длины волны, равное взятому из табл. 1 для вашей бригады.
3. Измерьте линейкой на экране монитора длины светящихся отрезков, со-ответствующих интенсивности соответствующих максимумов на дифракцион-ной картине. Запишите значения интенсивности в таблицу по форме 1.
4. Увеличивая d на 1 мкм, повторите измерения по п. 3. 5. Установив новое значение длины волны из табл. 1 повторите измерения,
записывая результаты в таблицу по форме 1. Таблица 1
Примерные значения длины волны (не перерисовывать) Бригада 1 2 3 4 5 6 7 8 λ1, нм 400 410 420 430 440 450 460 470 λ2, нм 600 610 620 630 640 650 660 670
Форма 1
Результаты измерений при λ = ____ нм D, мкм 20 21 22 23 24 25 26 28 30 1/d2, м-2 I0N, мм I1 , мм I2 , мм I3 , мм I4 , мм
1R 2R 3R 4R
31
Обработка результатов и оформление отчета 1. Вычислите и запишите в табл. 2 и 3 корни из относительных амплитуд
максимумов. Постройте по табл. 2 на одном рисунке графики эксперименталь-ных зависимостей корня из относительной амплитуды от обратного периода решетки для всех максимумов (указав на них номер максимума). На втором ри-сунке постройте результаты по табл. 3.
2. По наклону каждого графика определите экспериментальное значение
ширины щели, используя формулу )
d(
)R(m
b
2
m1
6
Δ
Δπ
= .
3. Вычислите среднее значение ширины щели, проанализируйте ответы и графики. Истинное значение b = 5 мкм.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Дайте определение световой волны. 2. Дайте определение гармонической волны. 3. Дайте определение электромагнитной волны. 4. Напишите формулу зависимости напряженности электрического поля от
времени и координаты для одномерной гармонической ЭМВ, распространяю-щейся вдоль оси ОХ.
5. Какие волны называются когерентными? 6. Дайте определение дифракции. 7. Что такое дифракционная решетка? 8. Для каких целей используется дифракционная решетка? 9. Что такое постоянная дифракционной решетки? 10. Зачем между дифракционной решеткой и экраном ставится собираю-
щая линза? 11. Напишите формулу разности хода лучей, идущих от двух соседних ще-
лей дифракционной решетки. 12. Напишите формулу разности фаз лучей от соседних щелей. 13. Как формируются главные максимумы дифракционной картины? 14. Нарисуйте, как распространяется после решетки одна плоская гармони-
ческая волна, падающая перпендикулярно плоскости решетки. 15. Нарисуйте, как будут распространяться после решетки две плоские
гармонические волны с близкими длинами волн, падающие перпендикулярно плоскости решетки.
16. Можно ли сделать дифракционную решетку для радиолокационной волны? Как она будет отличаться от обычной дифракционной решетки для ви-димого света?
32
Библиографический список
Основной:
1. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. шк., 2003 и др. года изданий. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. – М.: Высш. шк., 2004.
Дополнительный: 3. Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1989 и др. года изданий. 4. Федорцов А.Б., Цаплев В.М. Физика. Ч. 2. Электромагнитные колебания и
волны. Волновая оптика. Текст лекций.– СПб.: СЗПИ, 1999.
Справочные таблицы Таблица 1
Физические константы Название Символ Значение Размерность
Гравитационная постоянная γ или G 6.67·10-11 Н·м2·кг-2
Ускорение свободного падения на по-верхности Земли
g0 9.8 м·с-2
Скорость света в вакууме c 3·108 м·с-1
Постоянная Авогадро NA 6.02·1026 кмоль-1
Универсальная газовая постоянная R 8.31·103 Дж·кмоль-1·К-1
Постоянная Больцмана k 1.38·10-23 Дж·К-1
Элементарный заряд e 1.6·10-19 Кл Масса электрона me 9.11·10-31 кг Постоянная Фарадея F 9.65·104 Кл·моль-1
Электрическая постоянная εо 8.85·10-12 Ф·м-1
Магнитная постоянная μо 4π·10-7 Гн·м-1
Постоянная Планка h 6.62·10-34 Дж с
Таблица 2 Приставки и множители
для образования десятичных кратных и дольных единиц Приставка Символ Множитель
Приставка Символ Множитель
дека да 101 деци д 10-1
гекто г 102 санти с 10-2
кило к 103 милли м 10-3
мега М 106 микро мк 10-6
гига Г 109 нано н 10-9
тера Т 1012 пико п 10-12
33
Содержание
Введение…………………………………………………………………………… 3 Допуск к лабораторной работе ………………………………………………….. 5 Оформление конспекта для допуска к лабораторной работе …………………. 5 Оформление лабораторной работы к зачету ……………………………………. 6 Раздел 4. Оптика Лабораторная работа 4.1. Моделирование оптических систем ………………... 8 Лабораторная работа 4.2. Изучение дифракции Фраунгофера от одной щели..15 Лабораторная работа 4.3. Определение радиуса кривизны линзы
с помощью колец Ньютона…………………………………………………19 Лабораторная работа 4.4. Дифракция и интерференция ………………………..23 Лабораторная работа 4.5. Дифракционная решетка……………………………..28 Библиографический список……………………………………………………….32 Справочные таблицы………………………………………………………………32
34
Редактор А.В. Алехина
Сводный темплан 2005 г. ЛР № 020308 от 14.02.97
Санитрно-эпидемиологическое зключение № 78.01.07.953.П.11.03.от 21.11.2003 г. Подписано в печать Формат 60×84 1/16 Б.кн.-журн. П.л. 2,25. Б.л. 1,125. РТП РИО СЗТУ Тираж Заказ Северо-Западный государственный заочный технический университет
РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации университетов России
191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5
Recommended
