КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Стр 1 из 10Следующая ⇒

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Пермский государственный технический университет

Лысьвенский филиал

Кафедра естественнонаучных дисциплин

ОПТИКА

Методические указания по выполнению лабораторных работ

Для всех специальностей и направлений обучения

Лысьва – 2006г.

Составил: А.Н.Селиванов. Методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Физика.Оптика», 51 с.

Утверждено на заседании кафедры ЕН

« » 2006г.

Зав. кафедры ЕН доцент А.В. Волков

Практикум включает в себя 9 лабораторных работ. В начале каждой работы даны краткие теоретические сведения, а в конце – вопросы для самоконтроля. Приведен порядок выполнения работ.

Практикум предназначен для студентов очной, очно-заочной и заочной форм обучения. Студенты всех форм обучения выполняют лабораторные работы в пределах учебной нагрузки.

Лысьвенский филиал

Пермский государственный

технический университет,

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Определение показателя преломления твердых тел
с помощью микроскопа. 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Фокусные расстояния и увеличения линз. 11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
Бипризма Френеля. 18

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
Отражение сферической волны от пластины.. 24

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
Измерение толщины волоса. 26

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
Измерение малых деформаций. 31

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
Поляризатор и анализатор. 37

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
Показатель преломления воздуха. 43

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9
Основы фотометрии. 45

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Определение показателя преломления твердых тел
с помощью микроскопа

Цель работы: ознакомиться с методом измерения показателя преломления с помощью микроскопа.

Приборы и принадлежности: микроскоп, штангенциркуль, пластинки из обычного стекла и оргстекла.

Сведения из теории

Плоская световая волна на границе двух однородных изотропных прозрачных диэлектриков частично отражается, частично, преломляясь, проходит во вторую среду (рис.1.1, где АВ - падающий луч, ВС – отраженный луч, BD - преломленный луч, MN - нормаль к границе раздела двух cред).

Законы отражения:

1. Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной из точки падения.

2.Угол отражения равен углу падения: a^’= a.

Законы преломления:

1. Преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной из точки падения.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная (не зависит от угла падения) для двух данных сред:

Величина n₂₁ называется относительным показателем преломления (второй среды по отношению к первой). Если роль среды 1 выполняет вакуум, то не говорят о «показателе преломления среды» 2 по отношению к вакууму, а соответствующую величину называют абсолютным показателем преломления среды 2 (например, показатель преломления воды, стекла и т.д.) и обозначают буквой n. Показатель преломления вакуума принимают равным 1. Для любой другой среды он больше 1. Среда, имеющая больший показатель преломления, называется оптически более плотной. Световые лучи обладают свойством обратимости: если направить луч из среды 2 под углом b, то, преломившись в среде 1, он пойдет под углом a к перпендикуляру к границесред. Следовательно, отношение

есть показатель преломления первой среды по отношению ко второй. Отсюда видно, что n₁₂=1/n₂₁.

Показатели преломления сред связаны со скоростями распространения света в этих средах. Так, , n₁и n₂ - скорости распространения света соответственно в средах 1 и 2. Очевидно, что абсолютный показатель преломления среды , где с - скорость распространения света в вакууме, a v - скорость распространения света в данной среде. Отсюда следует, что если n₁ и n₂ - абсолютные показатели преломления среды соответственно для сред 1 и 2, то . Последнеепозволяет записать: или .

Если n₁> n₂, т.е. если свет идет из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то угол преломления b будет больше угла падения a (рис. 1.2). При увеличении угла a, естественно, растет и угол b, следовательно, существует такой угол падения a_пред, при котором b = 90° (преломленный луч скользит по границе раздела двух сред). Этот угол падения называется предельным и определяется из условия

При углах a > a_пред свет полностью отражается от второй среды. Такое явление называется полным внутренним отражением. Оно широко используется в оптике в так называемых поворотных (рис. 1.3 а) и б)) и оборотных (рис. 1.3 в)) призмах, которые изготовляются из стекла с большим показателем преломления, например, из тяжелого флинта. Флинт имеет показатель преломления n = 1,6 ¸ 1,8, и предельный угол для этого сорта стекла составляет 30¸35°, который оказывается, как видно, сравнимо меньше 45°. Такие призмы используются, например, в биноклях и зрительных трубах с большой кратностью увеличения (~ 7 ¸ 10 и более раз). В биноклях стоит две призмы с углом поворота 180°, благодаря которым, изображение переворачивается и, с другой стороны, их наличие позволяет сильно сократить расстояние между объективом и окуляром бинокля (20¸30 см вместо 60¸80 см).

Описание метода

Пусть имеется плоскопараллельная, прозрачная пластинка, толщина которой d. На верхней и нижней поверхностях этой пластинки в точках О₁ и О₂ (рис.1.4) нанесены каким-либо способом (например, тушью) метки в виде точек илилиний. Если такую пластинку освещать рассеянным светом, то метка, нанесенная на нижней поверхности (как, впрочем, и другая метка), будет отражать свет по всем направлениям, т.е. на верхнюю поверхность пластинки лучи будут падать под разными углами, например по нормали и под углом a.

Первый луч пройдет через поверхность без преломления, второй - преломится под углом b. Если эти лучи направить в глаз наблюдателя, то точка О₂ будет казаться ему расположенной на пересечении продолжения преломленного луча с первым лучом (точка О), т.е. ближе, чем она располагается в действительности.

Положение точки О (а следовательно, расстояние O₁O) при данной толщине пластинки зависит от ее показателя преломления и может быть использовано для его измерения.

, (1.1)

где х = О₁О. С другой стороны

где n – показатель преломления пластинки. Значит,

. (1.2)

Для малых углов b и a (только такие лучи в нашем случае попадают в объектив микроскопа)

Следовательно, сравнивая (1.1) и (1.2), имеем .

Таким образом, для определения n надо измерить d - истинную толщину пластинки, и х - кажущуюся толщину. В настоящей работе d измеряется микрометром, а х - с помощью микроскопа, тубус которогоснабжен винтом. В последнем случае микроскоп надо один раз сфокусировать на метку О₁ и зафиксировать расстояние а, а затем на метку О₂ и зафиксировать расстояние b. Расстояние, на которое пришлось при этом приподнять (или опустить) тубус по отношению к неподвижной части микроскопа (части корпуса с неподвижным основанием), и даст значение х = ½а - b½.

План работы

1. Измерить штангенциркулем толщину одной из пластинок в разных местах 7 раз. Результаты измерений занести в таблицу 1.1.

2. Расположить на предметном столике микроскопа эту же пластинку с нанесёнными на неё метками. С помощью винта грубой настройки, находящегося сзади, поочерёдно получить резкое изображение каждой метки. Убедиться, таким образом, что обе метки попадают в поле зрения.

3. Измерить 10 раз расстояние х. Для этого винтами плавной настройки, находящимися по бокам, сначала добиться резкого изображения верхней метки. Затем выступом у штангенциркуля сверху замерить расстояние а. Таким же образом добившись резкого изображения нижней метки, так же измерить расстояние b. Определить х по формуле:

Результаты этих измерений записать в таблицу 1.1.

4. По вычисленным средним значениям <d> и <n> рассчитать показатель преломления вещества по формуле:

<n> = <d>/<x>.

5. Описанным выше способом определить показатель преломления для всех предложенных пластинок. Результаты занести в таблицу 1.1.

6. Вычислить погрешность измерений Dnпредложенных пластинок. Для этого:

а) определить погрешность отдельных измерений Dd, их квадраты, сумму квадратов (см. таблицу 1.1) и квадрат средней квадратичной погрешности:

где N - число измерений.

б) задавшись надёжностью (a=0.95) рассчитать полуширину доверительного интервала для d:

;

где k = t_a_,_¥ - коэффициент Стьюдента при .

d - погрешность прибора.

D- цена деления прибора.

В данной работе d = D.

в) по результатам расчётов в пунктах а) и б) определить при такой же надёжности полуширину доверительного интервала (для x).

г) по и вычислить абсолютную погрешность в определении показателя преломления:

;

д) результаты записать в виде n= при a = 0,95.

7. Сделать вывод.

8. Ответить на следующие контрольные вопросы:

§ Сформулировать законы отражения и преломления света.

§ Что такое относительный и абсолютный показатели преломления и их физический смысл?

§ Явление полного внутреннего отражения.

§ Как с помощью микроскопа измерить показатель преломления?

Таблица 1.1.

Вещ-во	№ изм.	d_i, мм	d_i -<d>, мм	(d_i-<d>)², мм²	a_i, мм	b_i, мм	х_i, мм	х_i - <x>, мм	(х_i - <x>)², мм²	<n>
оргстекло









Сумма
Среднее знач.
стекло









Сумма
Среднее знач.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
Фокусные расстояния и увеличения линз

Цель работы: изучить методы определения фокусного расстояния линз и увеличения объектива.

Оборудование: ЛКО-2 (модули: 06, 07, 08 – 2 шт, 12; объект 56, окуляр – микрометр, шкала решётка линейная 0,3 мм, красный фонарь (КФ)).

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒