37977

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОКУСНЫХ РАССТОЯНИЙ ТОНКИХ ЛИНЗ

Лабораторная работа

Физика

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № I ОПРЕДЕЛЕНИЕ фокусных РАССТОЯНИЙ ТОНКИХ ЛИНЗ Цель работы: изучить: явление преломления света на сферических поверхностях; приобрести навыки построения изображения предметов в тонких линзах и системах тонких линз а также научиться определять фокусные расстояния собирающей и рассеивающей линз различными методами.1 показан ход параксиальных лучей от точечного источника S1 через сферическую поверхность раздела двух сред с показателями преломления п1 и п2. Так как рассматриваются лучи параксиальные то закон преломления...

Русский

2013-09-25

413.5 KB

115 чел.

ОРГАНИЗАЦИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ ПО ОПТИКЕ

Перед работой в лаборатории оптики студент обязан пройти общий инструктаж по технике безопасности и инструктаж на рабочем месте.

ПОДГОТОВКА СТУДЕНТА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Подготовка студента к выполнению лабораторного эксперимента осуществляется в два этапа.

I этап − внеаудиторная подготовка. На этом этапе студент должен изучить теоретические основы лабораторного эксперимента по методическим указаниям и рекомендованной литературе.

II этап − подготовка в лаборатории. На этом этапе студент должен ознакомиться с устройством прибора (установки) и правилами обращения с ним, разработать целесообразную таблицу для записи результатов.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

С целью сохранения оборудования и успешного выполнения лабораторного эксперимента студент проходит краткое собеседование. Для допуска к проведению эксперимента необходимо знать:

1. Цель опыта.

2. Сущность физических явлений и свойств объектов, изучаемых в ходе эксперимента; выводы расчетных формул.

3. Устройство, принцип действия приборов и правила работы с ними; схему экспериментальной установке; ответы на контрольные вопросы.

Получив советы и разрешение преподавателя, студент самостоятельно приводит экспериментальную установку в рабочее состояние и убеждается в нормальном её функционировании, проводит все необходимые измерения в количестве, достаточном для оценки погрешности эксперимента, выполняет расчеты, оформляет отчёт и представляет его преподавателю.

В тех случаях, когда студент не закончил оформление отчёта, он предъявляет результаты прикидочных расчетов преподавателю (который их визирует) и с его разрешения завершает оформление отчета вне аудитории.

0ТЧЁТ О ЛАБОРАТОРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

Отчет о лабораторном эксперименте должен содержать: название и цель эксперимента, расчетные формулы, оптическую схему установки, (прибора), таблицу с результатами, графики (на миллиметровой бумаге), конечный результат и краткие выводы.

В ходе собеседования по результатам эксперимента студент должен показать понимание сущности физических явлений и законов, используемых в лабораторной работе, умение выводить расчетные формулы, знание оптической схемы прибора (установки) и функционального назначения его элементов, умение представлять результаты измерений в соответствии с требованиями ГОСТа, умение анализировать результаты и делать обоснованные выводы.

Примечания:

1. При обработке результатов эксперимента сначала решить, с какими погрешностями (случайными, систематическими или промахами) придётся иметь дело и использовать соответствующую методику расчета погрешностей.

2. При обработке следить за тем, чтобы точность результатов измерений соответствовала точности измерений.

3. Использовать стандартную форму записи чисел.

4. Пользоваться целесообразными функциональными шкалами при построение графиков.

5. Цену деления выражать (по возможности) целым числом.

6. Согласовать точность измерений и отсчетов по графику.

7. Для рационального использования поля графика оцифровку

по осям координат начинать со значений, немного меньших тех, которые получены во время эксперимента.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № I

ОПРЕДЕЛЕНИЕ фокусных РАССТОЯНИЙ ТОНКИХ ЛИНЗ

Цель работы: изучить: явление преломления, света на сферических поверхностях; приобрести навыки построения изображения предметов в тонких линзах и системах тонких линз, а также научиться определять фокусные расстояния собирающей и рассеивающей линз различными методами.

Оборудование: оптическая скамья, осветитель, набор линз, экран, миллиметровая линейка.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Сложную центрированную оптическую систему можно рассматривать как сумму простейших систем, каждая из которых образована одной преломляющей сферической поверхностью. Следовательно, сферические поверхности раздела двух оптически однородных сред представляют собой те элементы, из которых строится любая центрированная система. Рассмотрим прохождение гомоцентрического пучка через такую поверхность.

На рис. 1.1 показан ход параксиальных лучей от точечного источника S1 через сферическую поверхность раздела двух сред с показателями преломления п1 и п2.

В точке S2 образуется изображение. Условимся отсчитывать расстояния от вершины преломляющей поверхности. Отрезки, которые откладываются против хода лучей, будем записывать со знаком "минус", по ходу лучей − со знаком "плюс".

Углы будем отсчитывать от оптической оси S1S2 (или от радиуса кривизны). Если отсчет ведется по часовой стрелке, то угол записывают со знаком «плюс», против часовой стрелки − со знаком «минус». Отрезки, расположенные перпендикулярно главной оптической оси над ней, считаются положительными, а под осью − отрицательными.

Так как рассматриваются лучи параксиальные, то закон преломления можно записать в следующем виде

                              (1.1)

Из рис. 1.1 видно, что

                 (1.2)

тогда закон преломления будет иметь вид

                       (1.3)

Из геометрических соображений (рис. 1.1)

                 (1.4)

Подставив (1.4) в (1.3), получим

         (1.5)

Из последней формула видно, что выражение  сохраняет свою величину при переходе луча из одной среды в другую. Его называют инвариантом Аббе.

Выполнив преобразования, получим

                       (1.6)

Соотношение (1.6) называю уравнением сопряжённых точек (точки S1 и S2, являющиеся центрами гомоцентрических пучков, преобразуемых рассматриваемой системой, называется сопряжёнными). Величину  называют оптической силой преломляющей поверхности.

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями. Линза считается идеальной оптической системой, если она точечный источник изображает в виде точки.

Прохождение света через идеальную линзу будем рассматривать как последовательное преломление на двух сферических поверхностях. Пусть слева от первой преломляющей поверхности находится среда с показателем преломления n1, между поверхностями − n2, а за второй − n3. На рис. 1.2 S1 − точечный источник, расположенный на главной оптической оси на расстоянии a1 от первой преломляющей поверхности. Изображение его в первой преломляющей поверхности получится в точке S2 на расстоянии а2 от точки О1. Оно является объектом для второй преломляющей поверхности, расположенным на расстоянии −(S2O2). Изображение этого объекта будет в точке О3 на расстоянии а3 от второй преломляющей поверхности. Вместе с тем, S3 будет изображением источника S1, даваемым совокупностью обеих преломляющих поверхностей.

Применяя нулевой инвариант Аббе (1.5) последовательно для первой и второй сферических преломляющих поверхностей, получим

                       (1.7)

                       (1.8)

Между а2 и  имеет место соотношение = а2d, где d − толщина линзы.

Для тонких линз d << а, поэтому = а2. Сложив (1.7) и (1.8), получим

                  (1.9)

Величину, стоящую в правой части равенства (1.9), называют оптической силой линзы

                       (1.10)

Тогда

                           (1.11)

Если Ф > 0, то линза собирающая, если Ф < О − рассеивающая.

Из определения первого и второго главных фокусов следует

                                (1.12)

                                   (1.13)

Разделим левую и правую часть равенства (1.11) на Ф 

С учетом (1.12) и (1.13), получим

                       (1.14)

Это уравнение является уравнением сопряженных точек линзы. Если среда по обе стороны линзы одинакова, то и уравнение (1.14) можно записать в виде

                           (1.15)

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В работе предлагается с помощью оптической скамьи, предмета в виде освещенной сетки на матовом стекле, экрана и миллиметровой линейки определить тремя способами фокусное расстояние собирающей линзы и одним (четвертым) способом фокусное расстояние рассеивающей линзы.

1-й способ. Получают изображение сетки на экране, измеряют расстояния а1 и а3 и по формуле (1.15) рассчитывают фокусное расстояние собирающей линзы.

2-й способ. Используя определение линейного увеличения:  где h − линейный размер сетки, Н − линейный размер изображения, определяют . Затем измеряют а1 (или а3) и, вычислив а3 (или а1 соответственно), по формуле (1.15) определяют .

3-й способ. Если расстояние А между предметом и его изображением на экране больше 4, то можно получить два изображения предмета − увеличенное и уменьшенное − при неизменном положении предмета и экрана (рис. 1.3).

В этом случае фокусное расстояние определяют по формуле

                           (1.16)

4-й способ. Размещают между экраном и предметом собирающую линзу (рис. 1.4) и получают изображение в плоскости А1В1.

Затем между линзой и экраном размещает рассеивающую линзу так, что вторая фокальная плоскость ее проходит через точку . Перемещая экран, добиваются четкого изображения предмета А2 В2 (расположение предмета АВ и линзы О1 остается прежним). После измерений отрезков а1 и а3 фокусное расстояние рассчитывают по формуле (1.15). Расчет можно проводить другим способом. Если предположить, что предмет находится в плоскости А2В2 , то его изображение получится в плоскости А1 В1, в этом случае отрезки а1 и а3 меняются местами, а знаки их будут отрицательными.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Построить изображение в собирающей линзе предмета АВ, расположенного на различных расстояниях (а1 > 2f, а1 = 2f, 2f > а1 > f, а1 < f).
  2.  Выполнить аналогичные построения в рассеивающей линзе.
  3.  Определить фокусные расстояния собирающей линзы 1, 2 и 3 способами.
  4.  Определить фокусное расстояние рассеивающей линзы 4−м способом.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

  1.  Что понимают под идеальной оптической системой?
  2.  Как рассчитать оптическую силу линзы?
  3.  Вывести формулу линзы.
  4.  Что произойдет с изображением, если закрыть половину линзы?
  5.  Какой метод определения фокусного расстояния является наиболее точным?
  6.  Какова связь между фокусным расстоянием и оптический силой линзы?
  7.  Построить изображение предмета, расположенного под углом к оптической оси.
  8.  Вывести формулу (1.16).

Литература: [4, § 8, § 11, § 12; 2, гл. УІІ, § 2 − 4; I, §§ 71 − 78; 10].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИЗУЧЕНИЕ ПРОСТЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Цель работы: изучить устройство лупы, зрительных труб, бинокля, научиться строить ход лучей в них и определять их важнейшие характеристики.

Оборудование: лупа, зрительная труба, бинокли, масштабная линейка.

краткие теоретические сведения

Среди различных типов оптических приборов, предназначенных для увеличения угла зрения, широкое распространение получили простейшие оптические инструменты. К ним относятся очки, лупы, зрительные трубы, бинокли, микроскопы.

Лупа. Лупа даст увеличенное изображение малых предметов, находящихся на небольших расстояниях от глаза. Она представляет собой собирающую линзу, вблизи фокальной плоскости которой между фокусом и линзой размещается рассматриваемый предмет. Ход лучей в лупе изображен на рис.

Изображение в лупе получается мнимое, увеличенное, прямое.

Угловое увеличение лупы определяется как отношение тангенса угла, под которым видно изображение предмета через лупу, к тангенсу угла, под которым предмет виден с расстояния наилучшего видения невооруженный глазом.

На рис. 2.2.а рассматриваемый предмет расположен в фокальной плоскости лупы. В этом случае глаз наблюдателя должен быть аккомодирован на бесконечность. Тангенс угла  ', под которым рассматривается предмет через лупу, определяется выражением

                                 (2.1)

Если этот же предмет расположен на расстоянии наилучшего зрения − 0,25 м (рис. 2.2.б), то тангенс угла , под которым, он виден невооруженным глазом, равен

                                 (2.2)

Увеличение лупы

                             (2.3)

Фокусное расстояние f лупы может быть определено путем измерения расстояния от лупы до точки, в которой фокусируется изображение удаленного источника света (лампы, Солнца и пр.).

Зрительная труба − прибор для визуального наблюдения удаленных предметов. Как оптическая система, зрительная труба входит составной частью в самые различные оптические инструменты − телескопы, бинокли, прицелы, дальномеры, перископы, гониометры и пр. Главными частями зрительной трубы является объектив и окуляр. На рис. 2.3 изображен ход лучей в зрительной трубе Кеплера.

Объективом и окуляром этой трубы служат собирающие линзы, расположенные на таком расстоянии, чтобы задний  длиннофокусного объектива и передний  короткофокусного окуляра совпадали. Эта труба дает обратное изображение.

Лучи 1 идут от одной точки удаленного предмета (т.к. точка расположена очень далеко, то лучи будут параллельными). Лучи 2 идут от другой точки предмета. В плоскости заднего фокуса объектива и переднего фокуса окуляра получается действительное изображение предмета. Это изображение рассматривается через окуляр как через лупу. Из рис. 2.3 видно, что в плоскости MN получается изображение D2 оправы объектива D1. Увеличение трубы

                             (2.4)

Измерив соответствующие пары величин, входящих в выражение (2,4) можно рассчитать увеличение зрительной трубы.

В трубе Галилея (рис. 2.4) в качестве окуляра используется рассеивающая линза. Передний фокус окуляра по-прежнему совпадает с заданным фокусом объектива, но так как переднее фокусное расстояние рассеивающей линзы положительно, длина трубы Галилея меньше чем у трубы Кеплера.

Труба Галилея применяется в театральных биноклях. Разрешающая способность зрительной трубы определяется дифракцией на её апертурной диафрагме. Минимальное угловое расстояние между двумя точечными предметами, равных интенсивностей, которые, в соответствие с критерием Рэлея, считаются разрешенными, определяется формулой

                             (2.5)

При расчетах обычно полагают, что = 555 нм. Величина, обратная , носит название разрешающей силы (способности)

                                  (2.6)

Бинокли. Оптические приборы, составление из двух параллельных зрительных труб, позволяют наблюдать удаленный предмет двумя глазами.

Такие приборы называют биноклями. В биноклях с целью уменьшения длины тубуса и увеличения расстояния между объективами (из-за чего улучшается стереоскопичность зрения) применяют призмы полного отражения. Схема одной из труб призменного бинокля дана на рис. 2.5.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

I задание. Определение увеличения лупы.

  1.  Определить фокусное расстояние лупы.
  2.  По формуле (2.3) рассчитать увеличение лупы.

Построить ход лучей в лупе для разных случаев расположения предмета.

II задание. Определение увеличения и разрешающей способности (силы) зрительной трубы.

  1.  Сфокусировать зрительную трубу на линейку с делениями, расположенную на расстоянии не менее 8 − 10 метров.
  2.  Наблюдая линейку одновременно одним глазом через трубу, вторым − без прибора, подсчитать число делений n2 − видимых через трубу и число делений n1 − видимых невооруженным глазом и совпадающих с деланиями n2.
  3.  Рассчитать увеличение по формуле

                                          (2.7)

  1.  Пользуясь формулой (2.6), рассчитать разрешающую силу зрительной трубы.

Построить ход лучей в зрительных трубах Кеплера и Галилея.

III задание. Определение увеличения бинокля.

  1.  Выполнить п.п. 1 − 3 задания II для бинокля,
  2.  Построить ход лучей в бинокле.

КОНТРОЛЬШЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Что называется угловым увеличением оптической системы?

2. Вывести формулу увеличения лупы.

3. Что называется угловым разрешением оптического прибора?

  1.  В чем состоит критерий Рэлея?
  2.  Что такое разрешающая способность?
  3.  Чем труба Галилея отличается от трубы Кеплера?
  4.  С какой целью в биноклях устанавливают призмы полного отражения?

Литература: [I, §§ 92, 96; 5, § 24; 4, §§ 14, 27; 6; 7; 10; 14; § 5, 11].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ МИКРОСКОПА

Цель работы: изучить устройство и принцип действия микроскопа и научиться экспериментально определять его увеличение. Оборудование: микроскоп, объективный микрометр.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Микроскоп − оптический прибор для получения увеличенных изображений малых объектов. Человеческий глаз при нормальной остроте зрения на расстоянии наилучшего видения (lнв.. = 250 мм) может различать мелкую структуру, состоящую из линий или точек, если соседние элементы структуры находятся друг от друга на расстоянии не меньшем 0,08 мм, что приблизительно соответствует углу зрения 1. Увеличивая угол зрения, микроскоп позволяет различать структуры с расстояниями между элементами 0,25 мкм.

Компоновка оптических и механических узлов в большинстве микроскопов всех типов, за исключением металлографических, в общих чертах одинаково. На штативе укреплен предметный столик, под которым находится конденсор с зеркалом. Тубусодержатель несет тубус с окуляром и револьвер с объективами. Фокусировка производится передвижением тубусодержателя с помощью грубого и микрометрического механизмов, а зеркало, расположенное под конденсором, направляет в него свет. К оптической системе любого микроскопа относятся конденсор, микрообъектив и окуляр.

Конденсор представляет собой двух- или трехлинзовую систему с ирисовой диафрагмой. В зависимости от. метода наблюдения применяются конденсоры различных типов: светлопольный, темнопольный, конденсор для наблюдения по методу фазового контраста и конденсор со смещающейся апертурной диафрагмой дающей косое освещений для достижения максимальной разрешающей способности.

Микрообъективы по степени исправления аберрации делятся на: 1) ахроматические − наиболее простые по устройству, у которых хроматическая аберрация исправлена для двух длин волн и остается небольшая окраска изображения; 2) апохроматические − более сложные, у которых хроматическая аберрация направлена для трех длин волн; 3) планахроматические и планапохроматические с плоским полем изображения. По спектральным характеристикам микрообъективы разделяются на обычные (для видимой области спектра) и объективы для ультрафиолетовой или инфракрасной областей спектра.

Окуляры обычно состоят из двух линз: 1) главной линзы, обращенной к глазу, и 2) собирательной линзы. Собирательная линза увеличивает угол, под которым изображение рассматривается главной линзой, и действует как простая лупа, Выбор окуляра определяется типом объектива. С ахроматическими объектива малых и средних увеличений применяют окуляры Гюйгенса или ортоскопические окуляры; с апохроматическими объективами или ахроматическими объективами больших увеличений − компенсационные окуляры. Последние рассчитаны так, что их хроматизм увеличения противоположен ахроматам, что улучшает качество изображения. Кроме того существуют специальные фотоокуляры и проекционные окуляры.

На рис. 3.1 приведен ход лучей в микроскопе.

Предмет АВ располагается вблизи фокальной плоскости объектива. Увеличенное действительное изображение А1В1 получается в передней фокальной плоскости окуляра, при этом для наблюдения изображения глаз аккомодируется на бесконечность.

Угловое увеличение микроскопа

                                     (3.1)

где 1 − угол, под которым виден предмет невооруженным глазом (рис. 3.2),  2 − угол, под который видно изображение предмета через микроскоп (рис. 3.1).

Из рисунка видно, что

                                     (3.2)

                                 (3.3)

Так как                 ,         то                          (3.4)

Формула (3.4) для увеличения выведена в предположении об аккомодации глаза на бесконечность. В этом предположении увеличение является объективной характеристикой оптического инструмента. Если глаз наблюдателя изменяет аккомодацию, то оптический. инструмент должен быть соответственно перефокусирован и его увеличение несколько изменится. В связи с этим часто говорят о субъективном увеличении прибора, Как правило, разность между субъективным и объективным увеличениями оптического инструмента оказывается незначительной.

Величина обычно лежит в пределах 150 − 200 мм. Фокусное расстояние fоб объектива при самых больших его увеличениях (100 − 120) не меньше 1,5 мм, а окуляра − не меньше 8 мм. Целесообразно .для нормального глаза использовать микроскопы с такими увеличениями: для сухих систем − 250, для иммерсионных систем − 375. Иногда имеет смысл переходить к большим увеличениям. Однако бессмысленно строить микроскопы с увеличением больше, чем 1000 − 1500 раз.

Изображение объекта, даваемое оптической системой, есть результат наложения изображений его точек. Изображением светящейся точки является дифракционная картина, состоящая из концентрических колец, окружающих центральный светлый дифракционный кружок. Так как основная доля энергии света (около 8 %) приходится на центральный максимум, то он и будет изображением светящейся точки. Конечный объект можно рассматривать как совокупность точечных источников, каждый из которых изображается кружком. Изображение объекта и есть, наложение таких кружков. В простейшем случае объект состоит из двух точечных источников. Минимальное разрешаемое микроскопом расстояние между двумя самосветящимися точками

                                 (3.5)

где − длина световой волны, u − апертурный угол, п − показатель преломления среды, в которой находится предмет, nsinu − числовая апертура, d определяется из условия, что центры двух независимых дифракционных картин окажутся на расстоянии, удовлетворяющем критерию разрешимости Рэлея.

Разрешимое расстояние d для несамосветящихся объектов рассчитывается по формуле

                                   (3.6)

Величину, обратную разрешаемому расстоянию, называют разрешающей способностью микроскопа.

                                    (3.7)

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Экспериментальная установка состоит из микроскопа, на тубусе которого укреплены держатели плоского зеркала и масштабной линейки, а также специальная насадка с поворотным устройством. Линейка с зеркалом должны быть расположены так, чтобы расстояние от линейки до центра окуляра было равно 250 мм. Для измерений рекомендуется использовать объективный микрометр с ценой деления 0,01мм. Метод определения увеличения микроскопа состоит в сопоставлении отсчетов по миллиметровой линейке и объективному микрометру при совмещении их изображений. Если N число делений масштабной линейки совпадает с n − числом делений изображения объективного микрометра, то

                                    (3.7)

где l − цена деления объективного микрометра.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Отвести в сторону насадку с поворотным устройством и сфокусировать микроскоп на объективный микрометр.

2. Установить поворотное устройство и, изменяя наклон плоского зеркала, добиться, чтобы в поле зрения рядом с делениями объективного микрометра была, видна миллиметровая линейка.

3. 0тсчитать количество делений N масштабной линейки, которое совпадает с целым числом делений п изображения объективного микрометра и вычислить увеличение микроскопа (3.8).

4. Начертить ход лучей в установке для определения увеличения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

  1.  Почему объектив микроскопа должен быть короткофокусным, а окуляр − длиннофокусным?
  2.  Как и почему располагают предмет по отношению к объективу?
  3.  Как может располагаться изображение, подученное с помощью объектива по отношение к окуляру?
  4.  Что понимают под разрешающей способностью к расстояниям микроскопа?
  5.  Начертить ход лучей в микроскопе.
  6.  Вывести формулу увеличения микроскопа.

Литература:

[I, §§ 92, 96, 97; 2, гл. VII, § 8; 4, § 14; 5, §§ 24, 56; 7; 8; 9; 10].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ ПЛАСТИНОК С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА

Цель работы: углубленно изучить закон преломления света, ознакомиться с простейшим методом определения показателя преломления света.

Оборудование: микроскоп, осветитель, микрометр, исследуемые плоско-параллельные прозрачные пластинки, светофильтры.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Преломление световых лучей подчиняется следующему закону: луч, падающий на границу раздела сред, нормаль к поверхности раздела в точке падения и луч преломленный лежат в одной плоскости, отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная относительному показателю преломления

                                                (4.1)

Относительный показатель преломления второй среды относительно первой показывает во сколько раз скорость распространения света в первой среде (1) больше, чем во второй (2)

                                                (4.2)

Абсолютным показателем преломления данной среды называется физическая величина, показывающая но сколько раз скорость света в вакууме (с) больше скорости распространения света в этой среде

                                       (4.3)

Показатель преломления зависит от физических свойств сред и длины волны света. Для прозрачных сред зависимость показателя преломления от длины волны описывается следующей эмпирической формулой

                                       (4.4)

где А, В, С − константы, характерные для данного вещества; − длина волны света.

Разработаны много методов определения показателя преломления:

  1.  Метод определения показателя преломления при помощи микроскопа. Он применяется, главным образом, для определения показателя преломления твердых прозрачных тел в форме плоскопараллельных пластинок.
  2.  Метод определения показателе преломления при помощи спектрометра, гониометра, применяется для определения показателей преломления твердых тел и жидкостей в форме трехгранных призм.
  3.  Метод, основанный на явлении полного отражения света, называемый методом рефрактометра, применяется для определения показателей преломлении твердых тел и жидкостей.
  4.  Метод определения показателя преломления при помощи интерферометров и интерференционных рефрактометров. Этот метод дает возможность определять показатели преломления с точностью до шестого знака. Его можно применять для твердых тел, жидкостей и газов.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И ТЕОРИЯ МЕТОДА

В данной работе для определения показателя преломления используется первый из перечисленных методов. Он реализуется да базе микроскопа с револьверной головкой, имеющего микрометрический винт, набор сменных объективов и окуляров.

Если рассматривать предмет через плоскопараллельный слой вещества, имеющего большую оптическую плотность, чем воздух, то вследствие преломления световых лучей на обеих поверхностях, рассматриваемый предмет будет казаться приподнятым на величину, зависящую от толщины слоя и его показателя преломления. Это явление и положено в основу определения показателя преломления.

Рассмотрим ход лучей через плоскопараллельную стеклянную пластинку (рис. 4.1).

Проведем из точки 0, нанесенной на нижнюю поверхность пластинки, два световых луча ОВ и ОС, После преломления эти лучи, выходя из пластинки в точках В и С, пройдут по направлениям СД и ВЕ, т.е. отклонятся от перпендикуляра на угол i1. Наблюдая сверху, мы уводим точку О на пересечении продолжения лучей СД и ВЕ, т.е. в точке О'. Таким образом, точка покажется нам приподнятой, расположенной ближе на величину ОО'.

Обозначим истинную толщину пластинки d, а кажущуюся – d1. Абсолютный показатель преломления слоя прозрачного вещества можно вычислить, измерив d, и d1. Из треугольника АОС АС = АОtgi2, из треугольника АО'С АС = AО'tgi1. Поэтому

                                       (4.5)

Замена тангенсов соответствующих углов на их синусы возможна вследствие малости углов i1 и i2.

Из соотношений (4.1) и (4.5), учитывая, что АО = d, a AO = d1 и i1 и i2 – малые углы, получим

                                    (4.6)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  С помощью осветителя и зеркала микроскопа добиться оптимальной яркости поля зрения в окуляре.
  2.  Микрометром измерить истинную толщину пластинка d.
  3.  Нанести на нижнюю и верхнюю поверхности пластинки взаимно перпендикулярные метки и положить эту пластинку, на предметный столик так, чтобы метки оказались под объективом микроскопа.
  4.  С помощью винта грубой .фокусировки поднять тубус микроскопа в крайнее верхнее положение. Ориентируясь по меткам на направляющих микроскопа, установить механизм микрометрической фокусировки в нижнее нулевое положение.
  5.  С помощью винта грубой фокусировки опустить тубус микроскопа до получения резкого изображения метки на нижней поверхности пластинки.
  6.  Поднимая тубус микроскопа с помощью микрометрического винта, считая при этом число полных оборотов, перефокусировать микроскоп на метку на верхней поверхности пластинки. Зная число полных оборотов, число делений барабана микрометрического винта и цену деления шкалы барабана, определить высоту поднятия тубуса микроскопа, а следовательно, и кажущуюся толщину пластинки d.
  7.  По полученным данным (d, d1) рассчитать по (4.6) показатель, преломления материала, из которого изготовлена пластинка.
  8.  Определить показатели преломления всех предложенных плоско-параллельных пластинок в белом и монохроматическом .свете.
  9.  Оценить погрешность и указать её источники и причины.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

I. Каков физический смысл абсолютного и относительного показателя преломления? Как они связаны между собой?

2. Какую скорость света можно рассчитать, измерив показатель преломления для определенной длины волны?

3. Какую наибольшую толщину может иметь плоско-параллельная пластинка, показатель преломления которой может быть определен с помощью микроскопа?

Литература:

[1, §§ 1, 70; 4, §§ 1, 2, 3, 30; 3, §§ 110, 112; 12, разд. IV].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ

ПОМОЩИ РЕФРАКТОМЕТРА

Цель работы: изучить устройство и принцип действия рефрактометра, научиться пользоваться этим прибором.

Оборудование: рефрактометр Аббе, набор кювет с исследуемыми растворами сахара и поваренной соли различных концентраций, дистиллированная вода.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Для определения показателя преломления существует много методов. Один из них основан на использовании явления полного отражения света и реализуется в приборах, получивших название рефрактометров.

При переходе светового луча через границу двух сред из среда оптически более плотной в среду оптически менее плотную угол преломления всегда больше угла падения. При некотором значении угла падения, который называется предельным, угол преломления равен 90°. Преломленный луч при этом скользит вдоль границы раздела сред. Закон преломления для этого случая запишется в виде

                                  (5.1)

где r − предельный угол для границы раздела данных двух сред; n − показатель преломления оптически менее плотной среды; n1 − показатель преломления оптически более плотной среды.

При углах падения больших предельного преломленного луча как такового нет и практически весь световой поток (99,9 %) отражается от границы раздела сред под углом, равным углу падения. Это явление получило название полного отражения.

Как известно, ход световых лучей подчиняется принципу обратимости, В соответствии с этим принципом луч, направленный вдоль границы раздела двух сред, будет преломляться в оптически более плотную среду под предельным углом r.

устройство и принцип действия рефрактометра

В настоящей работе используется рефрактометр Аббе. В рефрактометрах этого типа исследуемая жидкость помещается в зазоре толщиной около 0,1 мм между гранями двух стеклянных прямоугольных призм (рис. 5.1). В измерениях могут быть попользованы два метода: метод скользящего луча и метод полного отражения.

Эти методы применяются в том случае, если исследуемая жидкость является оптически менее плотной по сравнению со стеклом, из которого изготовлена призма Р2. Для измерения показателя преломления непрозрачных жидкостей применяется метод полного отражения. В этом случае освещение ведется через грань DF призмы P2, а при методе скользящего луча свет направляется через грань AВ призмы Р1 и достигает грани АС, которая является матовой, а, следовательно, рассеивает свет равномерно по всем возможным направлениям. Рассеянный свет проходит через слой жидкости и проникает далее в призму Р2 через ее полированную грань DЕ. Дня лучей, которые скользят вдоль грани, закон преломления записывается в виде формулы (5.1).

Для грани ЕР закон преломления запишется в виде:

                          (5.2)

Преломляющий угол призмы Р2

                                     (5.3)

Из соотношений (5.1) − (5.3) находим,

           (5.4)

Угол выхода лучей imin будет иметь наименьшее значение для скользящих лучей. Лучи, падающие на грань DЕ под .углом от 0° до 90°, будут выходить через грань ЕF под углами от 90° до imin.

Если на пути этих лучей поставить собирающую линзу O1, то в её фокальной плоскости получается изображение, на котором будет видна резкая граница между светом и тенью. Граница раздела соответствует направлению выхода лучей под наименьшим углом imin, её положение зависит от величины показателя преломления исследуемой жидкости.

Граница рассматривается через вторую линзу, которая совместно с О1 образует зрительную трубу, установленную на бесконечность. С помощью такой трубы определяется угол imin и по известным значениям и п1 рассчитывают показатель преломления.

При освещении призм белым светом вследствие явления дисперсии граница раздела будет размыта и окрашена в различные цвета. Чтобы получить резкое изображение, перед объективом зрительной трубы помещаются две призмы прямого зрения (призмы Амичи). Каждая призма состоит из трех склеенных призм с различными показателями преломления и различной дисперсией (крайние призмы изготовлены из кронгласа, а средняя из флинтгласа). Призмы рассчитаны так, чтобы монохроматический луч с длиной волны 589,3 нм (желтая линия натрия) не испытывал отклонения. Такое устройство называется компенсатором.

При положении призм компенсатора, указанном на рис. 5.2, их дисперсия равна нулю; при повороте одной из призм на 180° вокруг оптической оси системы дисперсия будет равна сумме дисперсий двух призм. В зависимости от взаимной ориентации призм дисперсию можно изменять от нуля до максимального значения.

Поворотом призм компенсатора с помощью специального устройства добиваются резкого изображения границы, положение которой соответствует значению показателя преломления для желтой линии натрия (589,3 нм).

Схематически ход лучей в рефрактометре Аббе представлен на рис. 5.2, где указано 1 − осветительное зеркало; 2 − откидная, призма; 3 − основная призма; 4 − матовая грань; 5 − исследуемая жидкость; 6 − призмы компенсатора; 7 − объектив трубы; 8 − оборотная призма; 9 − окуляр с отсчётной шкалой, расположенной в фокальной плоскости окуляра.

Перед началом работы проверяют правильность калибровки шкалы прибора. Для этой цели между призмами 2 и 3 помещают каплю дистиллированной воды. Смещая окуляр в тубусе трубы, добиваются четкого изображения шкалы и визирной линии. Поворотом компенсатора убирают радужную окраску и добиваются четкого изображения границы. Далее зрительную трубу перемещаю до совпадения визирной линии с границей раздела. При правильной калибровке шкалы показание прибора должно быть равно 1,333 (при 20 С).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Открыть откидаю призму 2 рефрактометра и при помощи пипетки поместить 1 − 2 капли дистиллированной воды на основную призму 3.
  2.  Закрыть откидную призму и, используя указания по работе с прибором, проверить его калибровку. При правильной калибровке показание рефрактометра должно быть и 1,333.
  3.  Последовательно помещая в зазор между откидной и основной призмами растворы сахара разных концентраций, измерить показатели преломления. Результаты занести в таблицу. После каждого измерения призмы промыть дистиллированной водой и протереть мягкой фланелью.
  4.  По данным таблицы построить график зависимости показателя преломления от концентрации раствора сахара п = п(С %).
  5.  Измерить показатель преломления раствора сахара неизвестной концентрации и при помощи графика п = п(С %) определить концентрации этого раствора.
  6.  Аналогичные п.п. 3 − 5 действия проделать для исследуемых растворов поваренной соли.
  7.  Тщательно промыть и просушить рефрактометр.

КОТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  В чем состоит явление полного отражения?
  2.  Кал устроен рефрактометр? Как используется явление полного отражения в конструкции рефрактометра?
  3.  Как проводится измерение показателя преломления с помощью рефрактометра?
  4.  В чем состоит физический смысл показателя преломления?

Литература: [7, стр. 268 − 271, II]

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

Цель работы: изучить дифракцию Фраунгофера; научиться экспериментально определять спектральный состав источника•света при помощи дифракционной решетки, а также определить важнейшие характеристики решетки.

Оборудование: гониометр, ртутная лампа типа ПРК, дифракционные решетки.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Дифракционной решеткой называется устройство представляющее собой периодическую структуру из большого числа регулярно расположенных элементов, на которых происходит дифракция света. Периодически меняющимся параметром может быть, например, прозрачность (амплитудная решетка), геометрическая толщина или показатель преломления (фазовая решетка).

Простейшая амплитудная дифракционная решетка представляет, собой ряд щелей одинаковой ширины b, расположенных друг от друга на равных расстояниях a (рис. 9.1). Изготовление большинства современных дифракционных решеток осуществляется при помощи делительной машины путем нанесения параллельных штрихов ступенчатого профиля на поверхность стеклянной пластины. Если такие штрихи нанесены на отполированную металлическую поверхность, то с такой поверхности можно снять отпечатки на желатине или пластмассах, которые называются репликами и используются как второсортные дешевые решетки.

Характеристиками амплитудной решетки являются: общее число штрихов N, число штрихов на одном миллиметре n, период решетки d = a + b (рис. 9.1). Тогда очевидно, что d = 1/n.

Пусть плоская монохроматическая волна длиной падает нормально на дифракционную решетку (рис. 9.2). За дифракционной решеткой расположим собирающую линзу, в фокальной плоскости которой поместим экран. Световые пучки, посылаемые отдельными щелями в направлении угла , будут интерферировать между собой и разность ходя между двумя параллельными лучами, идущими от симметричных точек соседних щелей А и А1, определяется соотношением

                                (9.1)

При значении  = m  (m = 0, 1, 2, …) эти лучи, встретившись при прохождении линзы в точке М фокальной плоскости, дадут на экране интерференционный максимум (линза не вносит никакой дополнительной разности хода лучей, проходящих через неё). Число m носит название порядка дифракционного максимума. В точке О расположен центральный максимум, соответствующий значению m = 0, а по обе стороны от него симметрично располагаются дифракционные максимумы более высоких порядков. Следовательно, направления , удовлетворяющие условию

                                (9.2)

представляют собой направления на главные максимумы. Распределение интенсивности света описывается уравнением

                 (9.3)

где     I0 интенсивность света, падающего на одну щель. Множители и выражают соответственно распределение интенсивности для дифракции на каждой щели и интерференцию N пучков, исходящих от всех щелей.

Из (9.3) видно, что между двумя соседними главными максимумами располагаются (N − 1) минимумов, получающихся при обращении в нуль числителя, т.е. при N = , 2, … (N − 1). Между минимумами располагаются побочные максимумы, интенсивность которых гораздо меньше главных (рис. 9.3). У хороших решеток они практически незаметны.

Основными характеристиками любого спектрального прибора, и дифракционной решетки в том числе, являются его дисперсия и разрешающая способность.

Угловой дисперсией прибора называется величина, численно равная угловому расстоянию между двумя спектральными линиями, отличающимися по длине волны на единицу

                                                (9.4)

Для дифракционной решетки

                                            (9.5)

Разрешающей способностью дифракционной решётки является величина

                             (9.6)

где  − интервал между двумя видимыми раздельно длинами волн в окрестности .

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

В работе используется гониометр (рис. 9.4), представляющий собой неподвижный коллиматор К и подвижную зрительную трубу Т, смонтированные на одном горизонтальном уровне со столиком С для дифракционной решетки.

Монтаж выполнен на горизонтальном кольце, имеющем угловую шкалу (лимб) с ценой деления 30 минут. Зрительная труба поворачивается вокруг вертикальной оси, проходящей через центр столика. Она связана с нониусом, позволяющим определять угол поворота с точностью до 1 минуты. Теория углового нониуса подробно изложена в литературе [11]. Столик укреплен в центре кольца и служит для крепления дифракционной решетки в положении, перпендикулярном оптической оси коллиматора.

Коллиматор представляет собой горизонтальную трубу (рис.9.5), внутри которой на одном конце укреплена собирающая линза, а на другом конце, обращенном к источнику света, узкая вертикальная щель, расположенная в фокальной плоскости линзы. Такое устройство коллиматора обеспечивает параллельный пучок лучей, падающий на дифракционную решетку.

Окуляр зрительной трубы имеет вертикальную нить для визирования на щель коллиматора. Если труба установлена посредством ее поворота вокруг вертикальной оси так, чтобы ее оптическая ось была на одной прямой с оптической осью коллиматора, то при освещении щели коллиматора светом ртутной лампы, в окуляре будет наблюдаться яркая белая линия (нулевой дифракционный максимум). Поворачивая зрительную трубу, наблюдают дифракционные максимумы различных порядков. При этом в спектре одного и того же порядка будут несколько линий разного цвета, соответствующие разным длинам волн.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Внимание! В качестве осветителя используется ртутная лампа, которая может вызвать ожог сетчатки глаза (см. инструкцию по технике безопасности).

  1.  Определить цену деления лимба и точность нониуса.
  2.  Включить ртутную лампу и расположить коллиматор и зрительную трубу на одной прямой. Сфокусировать окуляр на вертикальную нить и зрительную трубу на освещенную щель.
  3.  Установить на столик гониометра дифракционную решетку перпендикулярно к оптической оси коллиматора, расположить нить зрительной трубы вертикально в положении, параллельном, центральной светлой полосе.
  4.  Найти положение первого дифракционного максимума слева, установить нить на середину светлой полосы соответствующего цвета. Записать значение угла в таблицу. То же проделать для максимума справа. Каждый отсчет делать не менее трех раз. Полуразность углов при отсчетах слева и справа даст значение угла , соответствующее первому дифракционному максимуму.
  5.  По формуле (9.2) вычислить длину волны. Постоянная d (указана на дифракционной решетке.
  6.  Пункты 4 и 5 проделать для дифракционных максимумов 2-го и 3-го порядков. Вычислить среднее значение длины волны соответствующей линии.
  7.  Заменить решетку с известным значением d на решетку с неизвестным d.
  8.  Выполнить измерения (п.п. 4 − 6) и найти постоянную второй решетки, используя соотношение (9.2) и вычисленное по результатам предыдущих опытов среднее значение длины волны источника.
  9.  Оценить абсолютную и относительную погрешности и представить результат в стандартном виде.
  10.  Измерить ширину дифракционной решетки. По формулам (9.5) и (9.6) рассчитать, угловую дисперсию и разрешающую способность дифракционной решетки.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1.  Что собой представляет дифракционная решетка?
  2.  Объяснить принцип действия дифракционной решетки.
  3.  Чем отличается дифракционный спектр от спектра, полученного при помощи призмы?
  4.  Как устроен гониометр?
  5.  Какие лучи дифракционного спектра имеют больший угол дифракции красные или фиолетовые? Почему?
  6.  Что понимают под разрешающей способностью дифракционной решетки?
  7.  Что называют дисперсией дифракционной решетки? Записать формулу для дисперсии дифракционной решетки.
  8.  Как изменится дифракционная картина, если закрыть половину решетки?
  9.  Как изменится дифракционная картина, если лучи на решетку направить под углом, отличным от нулевого?

Литература:

[I; §§ 46, 47; 16; 17; §§ 62,2 − 62,4; 3, § 130; 11].

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11

ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА ПОВОРОТА ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫМИ РАСТВОРАМИ

Цель работы: ознакомление с оптическим методом определения концентрации растворов оптически активных веществ по измерению поворота плоскости поляризации.

Оборудование: полутеневой поляриметр с осветителем, трубка, исследуемые растворы.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Поляризованный свет, распространяясь в некоторых кристаллах (кварц, киноварь и др.) вдоль их оптических осей, испытывает вращение плоскости поляризаций. Это явление наблюдается и в некоторых чистых жидкостях (скипидар), а также в растворах многих веществ (водный раствор сахара, раствор виннокаменной кислоты и др.). Вещества, вращающие плоскость поляризации света, называются оптически активными.

Если смотреть навстречу лучу, то плоскость поляризации оптически активным веществом может быть повернута либо по ходу часовой стрелки, либо против хода часовой стрелки. Вещества, вращающие плоскость поляризации по часовой стрелке, называются правовращающими, а вращающие против часовой стрелки − левовращающими.

Вращение плоскости поляризации можно объяснить, если представить плоскополяризованный пучок света как результат сложения двух пучков, поляризованных по кругу с правым и левым направлением вращения, распространяющихся в оптически активной среде с разными скоростями. Угол поворота плоскости поляризации в твердом теле можно рассчитать по формуле:

                             (11.1)

где ппр, пл − показатели преломления лучей, право- и левополяризованных по кругу, 0 − длина волны света в вакууме, d − толщина пронизываемого светом слоя оптически активного вещества, [] − коэффициент, называемый удельным вращением и зависящий от температуры тела и длины световой волны.

В случае растворов угол вращения плоскости поляризации пропорционален не только толщине d но и концентрации С раствора, т.е.

                                       (11.2)

Удельное вращение для растворов относят к концентрации 1 г/см3 и толщине 1 дм.

Для раствора сахара при t = 20 °С для желтых лучей ( = 5893 Å) [] = 66,46 град∙см3/дм∙г.

Из уравнения (11.2) можно найти концентрацию раствора

                                       (11.3)

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА И ТЕОРИЯ МЕТОДА

Для измерения угла поворота плоскости поляризации растворами используются поляриметры.

Одним из наиболее точных является полутеневой поляриметр (рис. 11.1), в котором установка производится не на полную темноту, а на равное затемнение двух или более частей поля зрения. Добиваются этого таким образом. Световой пучок, исходящий от матовой лампы накаливания, пройдет желтый светофильтр (Ф), конденсор и поляризатор (П) с плоскостью пропускания РРо, своей средней частью проходит через кварцевую пластину(К) и анализатор (А), а двумя крайними частями − только через анализатор.

Кварцевая пластина (средняя часть рис. 11.2) вызывает поворот плоскости поляризации на небольшой угол 0 (от плоскости РРо до плоскости РКо). Поэтому интенсивность лучей, прошедших через анализатор, будет в общем случае, различна для средней и крайних частей поля зрения.

Интенсивности света (и, следовательно, яркости соответствующих, частей поля зрения) пропорциональны квадратам проекций амплитуд напряженности электрического поля на плоскость пропускания анализатора РАо (рис. 11.2). ЕРо − амплитуда вектора напряженности электрического поля волны, прошедшей только через поляризатор (мимо кварцевой пластинки − крайние части поля зрения), ЕКо  амплитуда волны, прошедшей и через кварц (средняя часть поля зрения).

Значит, возможны лишь два положения анализатора, при которых проекции амплитуд вектора  и интенсивности частей поля зрения одинаковы: 1) когда след плоскости пропускания анализатора совпадает с биссектрисой угла (части поля зрения одинаково ярко освещены); 2) когда след этой плоскости РАо перпендикулярен биссектрисе угла 0 (части поля зрения одинаково затемнены). Второе положение может быть зафиксировано точнее (чувствительность глаза выше при меньшей освещенности), поэтому поляриметр обычно настраивают на затемнение, что соответствует почти полному скрещиванию поляризатора и анализатора (86 − 87°), так как угол, на который поворачивается плоскость колебаний в кварце, 0  5 − 7°. Это положение анализатора РАо называется нулевой точкой.

Трубка с исследуемым раствором помещается между поляризатором (с кварцевой пластинкой) и анализатором (рис. 11.1). Если исследуемое вещество является оптически активным, то оно поворачивает плоскости поляризации всех лучей (идущих и через кварц и вне его) на определенный угол . Интенсивности частей поля зрения становятся различными. Но можно снова установить анализатор на равное затемнение поля зрения. Для этого придется установить след его плоскости пропускания перпендикулярно биссектрисе нового угла между плоскостями поляризации света, прошедшего через кварц и мимо него (РА, рис. 11.3).

Угол между нулевой точкой и новым положением анализатора (при одинаковом затемнении поля зрения) равен углу, на который поворачивает плоскость поляризации исследуемое вещество; он измеряется по шкале анализатора.

Круговой поляриметр, используемый в работе, состоит из следующих основных узлов: головки анализатора, поляризационного устройства, осветителя, штатива и трубки для растворов.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Включить осветитель кругового поляриметра.
  2.  Перемещая муфту зрительной трубы, добиться резкого изображения тройного поля.
  3.  Вращая анализатор, добиться равномерного затемнения тройного поля и записать показания по шкале лимба и нониуса. Это будет нулевой точкой.
  4.  Поместить в поляриметр трубку с раствором сахара, добиться равномерного затемнения тройного поля, записать показания.
  5.  Найти угол поворота плоскости поляризации раствором сахара.
  6.  Пользуясь формулой (11.3), вычислить концентрацию раствора сахара.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

  1.  Какие вещества называются оптически активными?
  2.  Как объяснить вращение плоскости поляризации?
  3.  Каков смысл удельного вращения?
  4.  Почему в поляриметрах используется полутеневой метод?
  5.  Каким образом проводится измерение углов поворота плоскости поляризации?
  6.  Сформулировать закон Малюса.
  7.  Объяснить устройство и принцип действия полутеневого поляриметра.
  8.  Объяснить действие углового нониуса.

Литература:

[1, §§ 163 − 168; 11; 12; 7; § 94].

СПОСТЕРЕЖЕННЯ ТРЕКІВ -ЧАСТИНОК У КАМЕРІ ВІЛЬСОНА

Завдання: вивчити принцип дії і будову камери Вільсона, набути навичок роботи з нею [1,2].

Прилади і матеріали: 1) камера Вільсона; 2) проекційний апарат; 3) пробірка з робочою сумішшю; 4) шматок сукна.

Теоретичні відомості, опис приладів та методики вимірювання

Камера Вільсона відноситься до так званих трекових детекторів іонізуючого випромінювання. Всередині її робочого об'єму отримуються видимі сліди траєкторій польоту швидких заряджених частинок. Це досягається конденсацією перенасиченого пару, що заповнює об'єм камери, на центрах конденсації, якими є іони, що утворюються вздовж траєкторії польоту зарядженої частинки. Пар конденсується в краплі, що досягають видимих розмірів, і траєкторія частинки являє собою ланцюжок таких крапель − трек. Треки спостерігають безпосередньо, або фотографують декількома фотоапаратами для отримання стереоскопічного зображення. Вивчення параметрів треків (його довжини, кривини в магнітному полі, кількості крапель на одиницю довжини і т.і.) дає можливість зробити висновки про природу та властивості частинки.

Камера Вільсона дає змогу проводити фізичні дослідження в дуже широкому діапазоні енергій частинок (103 − 1010) еВ/с. Винайдена англійським фізиком Вільсоном у 1911 р., камера була єдиним трековим детектором до 40-х років, звільнивши місце дифузійним, бульбашковим та іскровим камерам. Однак у наш час за рахунок створення багатопластинчастих камер великих розмірів керування їх роботою лічильниками, камера Вільсона з успіхом конкурує з іншими трековими приладами.

У цій роботі використовується демонстраційна камера Вільсона з джерелом -частинок, що весь час знаходиться всередині камери у вигляді тонкого шару радіоактивної речовини, нанесеної на стержень 7 (рис. 40).

Корпус камери являє собою пластмасове кільце 1, що; має з двох боків колові канали 3.

Робочий об'єм камери обмежений зверху і знизу двома прозорими пластинами з оргскла 6, що приклеєні до торцьових поверхонь корпуса. Він сполучений з коловими каналами корпусу через дві колові щілини 4, що утворені бортиком 5 і прозорими пластинками 5. Ширина щілин калібрована і складає 0,03 мм. Через вертикальний отвір 10 колові канали за допомогою штуцера 2 з гнучкою трубкою з'єднуються з пробіркою 9, в якій знаходиться робоча суміш.

Пробірка також з'єднується о гумовою грушею 9 через перехідник 11. Робоча суміш складаються з етилового спирту (60 %,), дистильованої води (15 %) і ацетону (25 %). Вона знаходиться в пробірці у вигляді рідини і насиченої пари, яка переводиться у стан перенасичення шляхом зниження температури. Стан перенасичення в нестійким, і при виникненні центрів конденсації (наприклад, іонів) пар конденсується на них.

Плавно (повільно) стискуючи грушу, ізотермічно підвищують тиск у робочому об'ємі камери. Потім різко відпускають грушу. В результаті адіабатичного розширення пара охолоджується і переходить у стан перенасичення, який відбувається одночасно в усьому об'ємі камери внаслідок спеціальної конструкції каліброваних щілин 4. Регулюючий гвинтовий затискач 11 забезпечує необхідну швидкість розширення, при якій треки стають більш помітними. Найкраща якість треків отримується, якщо співвідношення "початкового" і "кінцевого" об'ємів камери складає величину 1,32 − 1,36.

Робочий простір камери Вільсона проектується на екран за допомогою проекційного ліхтаря. Треки, що спостерігаються, швидко зникають, тому що з результаті нагрівання відбувається швидке випаровування сконденсованих крапель.

Так як джерело радіоактивного випромінювання випускає частинки неперервно, то в камері дуже швидко може утворитися велика кількість іонів, які дифундуючи, рівномірно розподіляються по всьому об'єму. В таких умовах спостереження слідів частинок, що з'являються знову, стає неможливим із-за утворення суцільного туману. Відвернути це явище можна за рахунок "відсосу" та нейтралізації іонів зарядами статичної електрики, які можна утворити на поверхні оргскла 6 натиранням його суконним або ватним тампоном.

Порядок виконання роботи

Перед початком роботи з приладами слід впевнитися у кому, що камера суха і чиста. У випадку наявності в приладі вологи її необхідно видалити легким прогріванням камери над електролампою або іншим джерелом тепла.

  1.  Наелектризувати прозорі поверхні камери, протерши їх сукном або ватним тампоном. Бажано, щоб деякий час. після електризації камера знаходилась у неробочому стані. Де буде сприяти вирівнюванню електричного поля і одержанню чітких слідів -частинок.
  2.  Кінець гумового шлангу, що проходить від посудини з робочою сумішшю води, спирту та ацетону, з'єднати із штуцером 2 камери.
  3.  Спроектувати робочий об'єм камери на екран за допомогою проекційного ліхтаря.
  4.  Плавним натисканням груші підвищити тиск у камері.
  5.  Регулюючи швидкість розширення затискачем 11, добитися появи на екрані чітких треків.
  6.  Після закінчення роботи від'єднати від камери шланг, що з'єднує її з посудиною із сумішшю і затиснути її затискачем, щоб рідина із посудиш не випаровувалась.

Контрольні запитання

  1.  У чому полягає принцип роботи камери Вільсона? Які "характерні конструкційні особливості камери?
  2.  Чому утворюються треки в камері Вільсона?
  3.  Від чого залежить форма і довжина треків у камері Вільсона?
  4.  Чому треки швидко зникають?
  5.  З якою метою слід натирати камеру сукном?
  6.  Яким чином можна відрізнити треки -частинок від треків інших заряджених частинок?
  7.  Які основні властивості -частинок, що вилітають при -розпаді?

16


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28193. Физика атомного ядра и Элементарных частиц 1.51 MB
  Ядерная физика – наука о строении свойствах и превращениях атомного ядра. Во всей области масштабов физики ядра вещество встречаются только в двух формах: в форме атомных ядер и в форме элементарных частиц. В ядерной физике приходится иметь дело с различными по порядку временами так например среднее время жизни нейтрона в свободном состоянии а время жизни ядра урана – .
28194. Вклад У. Джеймса в развитие психологической науки 34.5 KB
  Функционализм психологическое направление появившееся в США в конце ХIХ в исследующее процессы сознания с точки зрения их функции в приспособлении организма к среде. С позиций функционализма психология понималась как наука о функциях или €œдеятельностях€ сознания в их отношениях к нуждам организма и в связи с задачей его эффективной адаптации к изменяющемуся природному и социальному окружению. Задача функционализма изучить каким образом индивид посредством психических функций приспосабливается к изменчивой среде исследование...
28195. Бихевиоризм и необихевиоризм (Дж.Уотсон, Э.Толмен, Б.Скиннер и др.) 38.5 KB
  Бихевиоризм и необихевиоризм Дж. Предметом психологии бихевиоризм считает не сознание а поведение. Бихевиоризм от англ. Манифестом бихевиоризма считается статья его основателя американского психолога Дж.
28196. Психоанализ (З.Фрейд, К.Юнг, А.Адлер, К.Хорни и др.) 49.5 KB
  Наиболее существенными для развития личности Фрейд считал сексуальные инстинкты. Вместо того чтобы изучать сны Адлер обратился к исследованию ранних воспоминаний которые считал ключом к пониманию поведения мотивации и личности. Стиль жизни формируется к 5ти годам под влиянием творческой силы личности и в связи с ним формируется тип личности: Управляющий – активный антисоциальный; Берущий – низко активный паразитирующий; Избегающий – не активный нет социального интереса; Социальнополезный – высокий соц. В качестве механизмов...
28197. Гештальтпсихология (М.Вертгеймер, В.Келер, К.Коффка, К.Левин и др.) 41 KB
  История гештальтпсихологии берет начало в Германии в 1912 когда М. В противовес представлениям ассоцианистов о том что образ создается через синтез отдельных элементов и свойства целого определяются свойствами частей гештальтпсихологи выдвинули идею целостности образа свойства которого не сводимы к сумме свойств элементов в связи с этим часто подчеркивается роль гештальтпсихологии в становлении системного подхода в науке. Согласно гештальтпсихологии для человека существуют два отличных друг от друга мира: мир физический лежащий за...
28198. Предмет психологии. Специфические особенности и классификация психических явлений 68.5 KB
  Психология наука о закономерностях развития и функционирования психики как особой формы жизнедеятельности. Практическая психология ее задачи и роль в общественной практике. Психология изучает психику в закономерностях ее развития. Современная психология представляет собой широко развернутую область знаний включающую ряд научных дисциплин и направлений.
28199. Классификация методов современной психологии 37.5 KB
  Ананьева методы психологического исследования являются системами операций с психологическими объектами и вместе с тем являются гносеологическими объектами самой психологической науки.Пирогова: Собственно методы. Вспомогательные методы А Математические статистические Б Графические В Биохимические физиологические и др. Методические методы А Генетические Б Психофизиологические.
28200. Возникновение и развитие психики в процессе эволюции. Стадии развития психики 61 KB
  Под инстинктами понимаются действия или более менее сложные акты поведения которые появляются сразу как бы готовыми не зависят от выучки и индивидуального опыта будучи наследственно закрепленным продуктом филогенетического развития. Индивидуальноизменчивые формы поведения. Уже на ранних ступенях развития наблюдая поведение животных мы встречаем индивидуальноизменчивые формы поведения которые могут быть охарактеризованы как навыки новые реакции или действия которые возникают на основе выучки или индивидуального опыта и функционируют...
28201. Вклад В.Вундта в оформление психологии как самостоятельной науки. Создание психофизики (Г.Фехнер) 33 KB
  Кризис психологии выявился в наибольшей своей остроте когда сформировалась поведенческая психология рефлексология в России и бихевиоризм в Америке потому что поведенческая психология выдвинув поведение как предмет психологии с особенной остротой выявила кризис центрального понятия всей современной психологии понятия сознания. Согласно Вундту предметом изучения психологии является сознание а именно состояния сознания связи и отношения между ними законы которым они подчиняются. Используя метроном Вундт выделил ряд основных...