Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика


НазваниеМетодические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика
страница1/22
Дата публикации01.08.2013
Размер1.38 Mb.
ТипМетодические указания
userdocs.ru > Физика > Методические указания
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   22


Міністерство освіти та науки України

Харківський Національній унівесрітет

ім. В.Н.Каразіна

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ФИЗИКЕ
ОПТИКА

Преподаватели:

доц. Хижковый В.П. – зав. Практикумом

ст.п. Иванов Е.Д.

ст.п. Шарапов А.И.

доц. Овчаренко В.И.

доц. Летяго В.О.

Харьков

2004


Лабораторная работа №1. Изучение погрешностей линз 4

Лабораторная работа №2. ИЗМЕРЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА 11

Лабораторная работа №3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ВОЛНЫ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ 19

Лабораторная работа №4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УГЛА МЕЖДУ ЗЕРКАЛАМИ ФРЕНЕЛЯ 21

Лабораторная работа №5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ И ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА 26

Лабораторная работа №6. ИЗМЕРЕНИЕ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛАСТИНОК СЛЮДЫ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ 29

Лабораторная работа №7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ГАЗОВ 34

Лабораторная работа №8. АНАЛИЗ ЖИДКИХ СМЕСЕЙ 38

Лабораторная Работа №9. ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ФРЕНЕЛЯ НА КРУГЛОМ OTBEPСТИИ 43

Лабораторная Работа №10. ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ 45

Лабораторная Работа №11. РАЗРЕШАЮЩАЯ СИЛА ОБЪЕКТИВА 48

Лабораторная Работа №12. ГРАДУИРОВКА МОНОХРОМАТОРА УМ 2 49

Лабораторная Работа №13. СПЕКТРОГРАФ, ФОТОГРАФИРОВАНИЕ И РАСШИФРОВКА СПЕКТРОВ 54

Лабораторная Работа №14. КАЧЕСТВЕННЫЙ СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОМ ФОТОГРАФИРОВАНИЯ 62

Лабораторная Работа №16. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ПОГЛОЩЕНИЯ РАСТВОРОВ С ПОМОЩЬЮ ФОТОМЕТРА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ СВЕТОФИЛЬТРОВ 64

Лабораторная Работа №17. ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА НА ГРАНИЦЕ ДВУХ ДИЭЛЕКТРИКОВ 69

Лабораторная Работа №18. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ МИКРОСКОП И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 72

Лабораторная работа №19. Вращение плоскости поляризации кварцем 78

Лабораторная Работа №20. САХАРИМЕТР 81

Лабораторная работа №21. Вращение плоскости поляризации оптически неактивным веществом, помещенным в продольное магнитное поле 84

Лабораторная работа№ 23. Изучение фотоэлементов с внутренним усилением фототока при помощи вторичной эмиссии электронов (фотоэлектронные умножители) 87

Лабораторная работа №25. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЕЩЕСТВ В РАСТВОРАХ С ПОМОЩЬЮ КОЛОРИМЕТРА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАЦИОННОГО 91


^

Лабораторная работа №1. Изучение погрешностей линз


Цель работы – изучение недостатков линз, искажающих изображение источника света, - астигматизма, сферической и хроматической аберрации.

При рассмотрении параксиальных лучей, т.е. лучей, составляющих малые углы с оптической осью, точечный объект с достаточной степенью точности дает точечное изображение. Однако условие параксиальности лучей исключает получение изображения точек, лежащих вне главной оптической оси системы, и вынуждает ограничиваться узкими световыми пучками, заключенными в пределах небольших телесных углов, что ведет к уменьшению освещенности изображения. Отказ от ограничения лучей условием их параксиальности и переход к относительно широким телесным углам приводит к тому, что изображение конечных размеров объекта искажается.

В работе исследуется три причины, обусловливающие искажение изображения, - астигматизм, сферическая аберрация, хроматическая аберрация.

^ Астигматизм наклонных пучков.

Рассмотрим элемент любой кривой поверхности АВСД (рис. 1.1).



Известно, что любые кривые поверхности сечения, имеющие минимальные и максимальные радиусы кривизны, взаимно перпендикулярны. Через точку О на элементе поверхности проведем два взаимно перпендикулярных сечения EOQ и HOF, первому из которых пусть соответствует минимальный радиус кривизны R1, а второму - максимальный R2. Нормали к точкам Е, О, Q пересекутся в центре кривизны C1, а нормали к точкам Н, О, F - в центре кривизны C2. Возьмем близкие и параллельные сечению EOQ сечения AНВ и CFD, которым будет соответствовать радиус кривизны R1, и нормали к ним. пересекутся в точках и , лежащих на одной прямой с точкой CFD. Нормали к сечениям AED и BQC, параллельные сечению HOF пересекутся в точках b и b’, расположенных на одной прямой с точкой С2. Прямые аа' и bb' взаимно перпендикулярны. Остальные лучи, проведенные нормально к поверхности ABCD, пересекутся в точках, лежащих на одной из двух прямых аа' и bb'. Таким образом, лучи, соответствующие элементу любой кривой поверхности, пересекутся в точках двух прямолинейных, взаимно перпендикулярных отрезков aa и bb’. Пучок таких лучей называют астигматическим, оба центра кривизны главных сечений С1 и С2 - фокальными точками астигматического пучка, отрезки и , через которые проходят все лучи астигматического пучка, - фокальными линиями, а расстояние между ними именуют астигматической разностью. Пучок астигматических лучей нигде не дает точечного фокуса. Чем меньше астигматическая разность, тем ближе друг к другу располагаются фокальные линии и тем короче каждая из них.

Астигматизм оптической системы может быть исправлен подбором конструктивных элементов системы, т.е. радиусов кривизны поверхностей, показателей преломления и расстояний между поверхностями. Системы, исправленные на астигматизм, называют анастигматическими, или анастигматами.

Если с помощью исследуемой линзы отображать крест, то, очевидно, каждая точка креста даст в пространстве изображений изображение в виде двух взаимно перпендикулярных и пространственно разделенных отрезков, В случае, когда вертикальная и горизонтальная линии креста лежат соответственно в меридиональной и сагиттальной плоскостях, отрезки, изображающие отдельные точки креста, сольются в четкую прямую линию. При этом изображения вертикальной и горизонтальной линий креста будут пространственно разделены.

Аппаратура.

Для изучения величины астигматизма сагиттальных и меридиональных пучков и полной астигматической разности фокусировки в зависимости от угла падания лучей на линзу применяют оптическую схему (рис. 1.2).



Рис. 1.2

Лучи света от матовой лампочки попадают на крест K, помещенный в фокальной плоскости линзы L1 . Выходящий параллельный пучок света преломляется в исследуемой линзе L2, которая может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Углы поворота линзы измеряют с помощью лимба. Действительное изображение креста рассматривается в окуляр, который может перемещаться вдоль оптической скамьи снабженной масштабной линейкой.

Измерения.

Устанавливают исследуемую линзу L2 перпендикулярно оси коллиматора и, переметая окуляр вдоль оптической оcи, получают отчетливое изображение креста коллиматора в фокальной плоскости окуляра. Отмечают положение окуляра на- оптической скамье (нулевое положение) и, поворачивая линзу на ряд последовательно увеличивающихся углов (около 2°), определяют соответствующие им разности фокусировок для меридиональных и сагиттальных пучков по сравнению с нулевым положением.

Результаты представляют в виде трех кривых, для каждой из которых абсциссой служат углы поворота линзы, а ординатами:

  • астигматическая разность фокусировки для меридиональных пучков;

  • астигматическая разность фокусировки для сагиттальных пучков;

  • полная астигматическая разность.

Сферическая аберрация.

Данное явление состоит в том, что лучи от точечного источника света, расположенного на оптической оси, после преломления у краев линзы дают точку схождения на оси, не совпадающую с точкой схождения параксиальных лучей.

Если с помощью непрозрачного экрана АВ с круглым отверстием (рис. 1.3,а) выделить пучок параксиальных лучей, то они пересекутся в некоторой точке , отстоящей от линзы на расстоянии S'.



Рис. 1.3

Заменив круглую диафрагму диафрагмой с кольцевым отверстием CD, EQ (рис. 1.3,6), выделяют от точечного источника света Р пучок краевых лучей. Вследствие того, что краевые лучи сильнее преломляются в линзе, при прежнем положении источника света его изображение окажется на расстоянии от линзы S", меньшем расстояния S'. Расстояние = S"-S' называют продольной сферической аберрацией.

Следствие продольной сферической аберрации - размытое изображение. При падении на линзу широкого пучка лучей от точечного источника света светящаяся 'Точка дает на экране , перпендикулярном к оптической оси (рис. 3,в), изображение в виде неравномерно освещенного небольшого кружка, размеры которого зависят от положения экрана относительно линзы. От будут наименьшими в некоторой точке между точками изображения источника Р" и Р' от краевых и параксиальных лучей. Таким образом, при значительной ширине пучка стигматичность изображения не имеет места даже для точки, лежащей на оси.

Для положительной (собирательной) линзы продольная сферическая аберрация отрицательна. У отрицательных (рассеивающих) линз краевые лучи преломляются меньше параксиальных, их фокус лежит дальше от линзы, чем фокус параксиальных лучей, и продольная сферическая аберрация положительна. Учитывая это, можно исправлять сферическую аберрацию оптических систем подбором положительных и отрицательных линз с продольной аберрацией разных знаков.

Аппаратура.

Для исследования сферической аберрации применяют прибор, схема которого приведена на рис. 1.4.



Коллиматорная труба К имеет на одном конце щель S, а на другом – ахроматический объектив L1. Щель укреплена в патрубке, который может перемещаться относительно коллиматорного объектива L1. Зрительная труба Т на одном конце имеет окуляр О, а на другом – исследуемую линзу L2. На вращающемся столике N устанавливают диспергирующую призму P с постоянным углом отклонения, которую можно рассматривать как совокупность трех призм: двух диспергирующих прямоугольных призм с острыми углами в 30 и 60° и одной 45 -градусной призмы полного внутреннего отражения (рис. 1.5).



Рис. 1.5.

Если изменять угол падения параллельного немонохроматического пучка света на преломляющую грань призмы , вращая призму относительно оси, перпендикулярной к плоскости чертежа, то для каждой длины волны можно найти такой угол падения, при котором выходящий из: призмы световой пучок будет перпендикулярен падающему пучку света. Очевидно, для таких пучков угол падения i на входную грань и угол выхода i' из грани b должны быть равны. Чтобы углы или r равны, необходимо подобрать такой угол падения i, чтобы .

При этом

,

где n – показатель преломления призмы.

Очевидно, для каждой длины волны можно подобрать угол падения так, чтобы он удовлетворял этому условию. Тогда преломленный луч данной длины волны будет перпендикулярен к падающему лучу. Кроме того, луч внутри 30-градусных призм распространяется параллельно их основанию, т.е. под углом наименьшего отклонения.

С помощью такой призмы можно фиксировать в неподвижно укрепленной, зрительной трубе преломленный пучок любой длины волны, вращая призму вместе со столиком спектрометра вокруг оси, перпендикулярной к плоскости падающего и преломленного лучей. Применение обычной трёхгранной призмы потребовало бы изменения положения также и зрительной трубы.

В качестве источника света в этой работе используют ртутную - лампу (описание см.ниже). Свет ртутной лампы состоит из немногих ярких линий и падает на щель S (см.рис. 1.4), помешенную в фокальной плоскости объектива коллиматора L1. Полученные с помощью коллиматора К и призмы Р монохроматические параллельные пучки света ртутной лампы падают на исследуемую линзу L2, в главном фокусе которой получаются изображения щели в том или ином монохроматическом свете в зависимости от угла поворота призмы по отношению к коллиматору.

Столик с призмой устанавливают так, чтобы в поле зрения окуляра можно было видеть одну расширенную спектральную линию, например зеленую. Имея набор диафрагм с разным расстоянием кольцевых зон от центра и определяя для каждой Диафрагмы положение фокуса для выделенной спектральной линии, снимают кривую сферической аберрации.

Измерения.

Прежде чем производить измерения, нужно сфокусировать коллиматор на бесконечность с помощью оптической трубы, установленной на бесконечность. Для этого, передвигая окуляр трубы относительно объектива, ее устанавливают так, чтобы был ясно виден какой-нибудь отдаленный предмет. Сняв со штатива зрительную трубу Т с исследуемой линзой L2 и поместив на ее место наведенную на бесконечность оптическую трубу, передвигают патрубок-с целью коллиматора так, чтобы было видно отчетливое изображение щели. Затем убирают оптическую трубу и устанавливают на штативе зрительную.

Установив прибор, приступают к измерениям. Перед исследуемой положительной линзой L2 ставят диафрагмы с различным расстоянием зон от центра, резко фокусируют выбранную, линию и записывают соответствующее каждой диафрагме положение главного фокуса. Отсчет производят по шкале, нанесенной на тубусе окуляра.

Результаты измерений представляют в виде графика: по оси абсцисс откладывают величины продольной сферической аберрации, а по оси ординат - расстояние кольцевых зон от центра линзы.

Хроматическая аберрация.

Фокусное расстояние тонкой линзы определяют из соотношений

, (1.1)

где n – показатель преломления вещества линзы; R1 и R2 – радиусы кривизны сферических поверхностей, ограничивающих линзу.

Показатель преломления вещества линзы – функция длины волны преломляемого линзой света. Для прозрачных сред эту зависимость n от определяют по эмпирической формуле

, (1.2)

где A, В и С - константы, характерные для данного вещества.

Следовательно, фокусное расстояние линзы также является функцией . Вследствие этого фокус фиолетовых лучей при падений на линзу немонохроматического параллельного пучка света (рис.1.6) расположен блике к линзе, чем фокус красных лучей.



Рис. 1.6

Если поместить экран перпендикулярно к оптической оси на расстоянии главного фокуса фиолетовых лучей или ближе к линзе, то на экране будет виден кружок, края которого окрашены в красный цвет; если экран находится в фокусе красных лучей или дальше него, то можно наблюдать кружок с сине-фиолетовыми краями.

Этот недостаток линз получил название хроматической аберрации! Мера хроматической аберрации – разность фокусных расстояний линзы соответствующая определенным длинам волн падающего света и .

В оптических системах хроматическую аберрацию можно устранить комбинированием положительных и отрицательных линз, и подбором соответствующего стекла. Сложную линзу, исправленную на хроматическую аберрацию, называют хроматической.

Хроматическую аберрацию исследуют тем же прибором, что и сферическую (см. рис. 1.4).

Установив прибор, как описано выше, вращением призмы со столиком подводят к кресту окуляра поочередно все яркие линии спектра ртутной и неоновой ламп (табл. 1.1 и 1.2). В силу наличия хроматической аберрации у исследуемой линзы L2 положение фокуса будет изменяться в зависимости от длины волны падающего света. Резко фокусируют каждую из линий спектра и записывают соответствующее положение главного фокуса. Зная положение фокуса для ряда длин волн, строят кривую хроматической аберрации линзы, откладывая по .оси абсцисс длины волн, а по оси ординат - соответственно величины хроматической аберрации.

Таблица 1.1. Длины волн некоторых характерных спектральных линий ртути.



Цвет линий

+ 6907,0

+6234,3

6123,5

6072,6

Красный

+5790,7

+5769,6

Жёлтый

+5460,7

Зелёный

+4358,3

4347,5

4339,2

Сине-фиолетовый

4077,8

+4046,6

Фиолетовый

Примечание: Знаком "+" обозначены наиболее интенсивные линии в спектре ртутной лампы.

Таблица 1.2. Длины волн некоторых линий в спектре неона.

Положение и окраска линий

Относительная яркость

Длина волны, Å

Ярко-красная

10

6402

Красно-оранжевая; левая из двух близких линий

10

6143

Оранжевая; первая, заметная влево от четвертой линии

5

5945

Желтая

20

5852

Светло-зелёная; первая, заметная вправо отчетвертой линии

4

5760

Зеленая, левая из двух одиноких линий

6

5400

Зеленая, правая из двух одинаковых линий

8

5330

Зеленая, правая из пяти равноудаленных линий

5

5031

Сине-зеленая, одинокая

8

4849


^ Описание и схема включения ртутной лампы.

В ртутно-кварцевых лампах, применяемых во многих опытах в качестве источника света с линейчатым спектром, используют дуговой разряд в парах ртути. Для начального зажигания разряда в лампу вводят аргон до давления в несколько миллиметров ртутного столба. Во время работы лампы ртуть полностью испаряется и дает нужное для данной лампы давление паров. Потенциал зажигания у аргона при небольшом количестве паров ртути снижается, и лампа легко зажигается при включении ее в цепь переменного тока 120 (тип ПРК-4) и 220 В (тип ПРК-2).

В момент зажигания дубового разряда через лампу идет ток с силой 5-6 А, электроды накаляются и становятся источниками электронов, питающих разряд. При зажигании сопротивление лампы падает, и соответственно падение потенциала на лампе снижается почти до 20 В.

В момент, когда температура ртутной лампы повышается, давление в ртути увеличивается, напряжение на лампе растет, ток падает, и свечение, ранее заполняющее все пространство лампы, стягивается в яркий шнур шириной 2-4 мм, идущий по оси трубки. Режим лампы становится устойчивым, когда вся ртуть испарится.

Схема включения ртутной лампы дана на рис.1.7.



Рис. 1.7.

Наличие падающей вольт-амперной характеристики у дугового разряда требует включения некоторого сопротивления в цепь лампы. При обычном питании переменным током этим сопротивлением служит индуктивное сопротивление дросселя D.

Сопротивление R включают в схему для ограничения импульса тока, который в начальный момент зажигания лампы может достигать опасной для вводов лампы величины.

Конденсаторы C1 и С2 служат для облегчения зажигания лампы. После включения рубильника сети, если лампа сразу не загорелась, включают и выключают несколько раз ключ К, в результате чего на электроды лампы подаются импульсы повышенного напряжения до тех пор, пока в лампе не возникнет дуговой разряд.

Ртутно-кварцевые лампы, как и большинство газоразрядных ламп, при отсутствии соответствующих защитных устройств могут быть источниками радиопомех. Для снижения радиопомех, вызываемых высокочастотными колебаниями лампы, в сеть параллельно лампе включают конденсатор C3.

Нормальное рабочее положение лампы - горизонтальное (отклонения от этого положения не должны превышать 15°). Устанавливать лампы в других положениях не рекомендуется, так как при этом возможен перегрев электродов и сокращение времени горения лампы.

Повторное включение уже горевшей лампы возможно только после охлаждения, когда давление паров ртути понизится настолько, что напряжение зажигания разряда станет ниже напряжения цепи, питающей лампу. Для этого требуется не более 10 мин.

Для предохранения окружающих от ожогов и от действия на глаза ультрафиолетового излучения лампу помещают в специальный кожух с прямоугольным вырезом, который прикрывают стеклянной пластинкой.

Контрольные вопросы.

1. Назовите и охарактеризуйте три недостатка линз, исследуемых в данной работе.

2. Определите, какие существуют погрешности линз, кроме указанных в работе.

3. Определите, что такое анастигматы.

4. Опишите оптические схемы для исследования трех указанных в работе недостатков линз.

5. Укажите, какой ход лучей в призме с постоянным углом отклонения и каково условие получения постоянного угла отклонения.

Литература.

1. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1983.

3. Савельев И.В. Курс общей физики. - М.: Наука, 1987. - Т.З.

4. Физический практикум. Электричество и оптика/Под ред. В.И.Ивероновой. - М.: Наука, 1986.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   22

Похожие:

Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по физике «механика и молекулярная физика»
Целью эксперимента является поиск таких параметров физических явлений, которые можно измерить, получив численные значения и сравнение...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconИнформатика основы программирования в среде Turbo Pascal Методические...
Основы программирования в среде Turbo Pascal: Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности опу...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электропривод»
Получение навыка в сборке схем управления короткозамкнутым асинхронным двигателем
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электропривод»
Получение навыка в сборке схем управления короткозамкнутым асинхронным двигателем
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconМетодические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине...
Методические указания предназначены для курсантов дневной и студентов заочной формы обучения в направлении подготовки 070104 «Морской...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconМетодические указания по выполнению контрольных работ по курсу «трудовое,...
Методические указания по выполнению контрольных работ для студентов заочной формы обучения, обучающихся по специальности
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теплопередача»
«Теплопередача» для студентов специальности 1-43 01 06 Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconМетодические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электропривод»
...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconТематика и задания для контрольных работ и методические указания по их выполнению
Задания для контрольных работ и методические указания по их выполнению составлены в соответствии с программой курса «Бухгалтерский...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике оптика iconМетодические указания по выполнению курсовых работ по профессиональному модулю пм. 01
Методические указания по выполнению курсовых работ по профессиональному модулю пм. 01 «Обеспечение реализации прав граждан в сфере...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница