Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 10 из 14)

7. Установить линзу и экран так, чтобы на экране было чётко видно изображение нити накала по возможности натуральных размеров. Повторить операции п. 4 … п. 5.

8. Дважды последовательно проделать операции п. 3 … п. 7.

9. Найти среднее значение f . Пользуясь статистикой по девяти результатам, оценить случайную погрешность определения фокусного расстояния линзы.

10. Заменить красный светофильтр оранжевым (λ=595…640 нм) и повторить операции п. 3 … п. 9.

11. Провести такие же процедуры (п. 10) с жёлтым (λ=555…595 нм) светофильтром, с зелёным (λ=520…555 нм), с голубым (λ=485…520 нм), с синим (λ=440…485 нм), с фиолетовым (λ=380…440 нм).

12. Построить в программном пакете Harvard Graphics аберрационную кривую f(λ) зависимости фокусного расстояния линзы от длины волны засветки. Эффективную длину волны пропускания каждого светофильтра можно узнать у преподавателя.

13. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

14. Найти продольную хроматическую аберрацию линзы, как разность ее фокусных расстояний на длинах волн

и .

15. Убрать фиолетовый светофильтр в ящик. Выключить источник света.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие материалы:

1. Титульный лист (см. Приложение А).

2. Цель и задачу работы.

3. Краткое изложение теории тонкой линзы (как правило, в том объеме, в котором это необходимо для уверенного ответа на контрольные вопросы).

4. Оптическую схему лабораторной установки с расшифровкой ее элементов.

5. Протокол измерений, подписанный преподавателем еще при выполнении лабораторной работы и содержащий:

- таблицу c эффективными длинами волн пропускания каждого светофильтра, отсчетами и результатами измерения фокусных расстояний исследуемой линзы на каждой длине волны,

- экспериментальный график зависимости фокусного расстояния тонкой линзы от длины волны засветки – аберрационную кривую, включая точки

и .

6. Подробные выкладки с результатами вычисления фокусных расстояний тонкой линзы на каждой длине волны.

7. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения каждого фокусного расстояния.

8. Формулу аппроксимирующей функции и выкладки, к этой формуле приводящие.

9. Подробные выкладки с результатами определения продольной хроматической аберрации тонкой линзы.

10. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения случайных погрешностей измерения:

- фокусного расстояния,

- продольной хроматической аберрации.

Лабораторная работа № 11

МАТОВЫЙ ЭКРАН

Цель работы: изучение закономерностей рассеяния света на однородной непрозрачной поверхности.

Задача работы: экспериментально выявить из ряда образцов ламбертову поверхность и определить ее альбедо.

Техника безопасности

При выполнении работы студент может столкнуться со следующими опасными и вредными производственными факторами:

- сетевое переменное напряжение (220 В, 50 Гц);

- повышенный уровень яркости источника света;

- повышенная температура кожуха источника света;

- значительная масса отдельных составных частей лабораторной установки.

Отсюда вытекают следующие требования техники безопасности при выполнении лабораторной работы:

- подключение (отключение) электрических устройств к сети должно производиться только в присутствии преподавателя или лаборанта;

- запрещается заглядывать под кожух при включенном питании источника света и совать под свет блестящие предметы;

- запрещается прикасаться к кожуху источника света, как включенного, так и в течение первых 10 минут после выключения;

- не допускается перемещение установки, разборка и нештатное использование ее элементов: а) падение некоторых из них может серьезно повредить руки/ноги не только собственные, но и соседа; б) разбитое при падении стекло можно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования работы матового экрана иллюстрируются ее фотографией на рис. 11.

Рис. 11. Лабораторная установка для исследования матового экрана.

Здесь: 1 – протяженный источник света (вертикально расположенная галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе с отражателем и выходным окном 70´110 мм, питающаяся переменным напряжением 220 В);

2 – черный экран 325´325 мм с зажимами для крепления образцов и масок на лицевой стороне, с магнитным основанием для крепления зеркала на тыльной стороне;

3 – поворотный (360°) столик с расположенной под ним шкалой (2°) для отсчета угла поворота экрана вокруг вертикальной оси;

4 – образец бумаги формата А4 (210´297 мм);

5 – измеритель мощности оптического излучения, в том числе а) входное окно диаметром 10 мм, б) цифровое табло для отсчета значений мощности засветки входного окна в относительных единицах, в) выключатель питания, г) переключатель постоянной времени измерений (при работе должен быть установлен в положение 1с), д) четыре выключателя для селекции потребного спектрального диапазона, устанавливаемого преподавателем, – см. Приложение С;

6 – рейтер с юстировочными приспособлениями;

7 – рельс с линейкой (цена деления 1 мм) во всю длину.

Измеритель мощности излучения может работать и от встроенного источника питания (аккумулятора), и от внешнего (сетевого адаптера). Адаптер, а также ширма с черной драпировкой, зеркало с магнитным подвесом и сменные черные маски на фотографии не показаны.

Теория изучаемого явления

Основные теоретические положения и все необходимые для выполнения лабораторной работы теоретические выкладки обобщены в следующих учебниках:

[1] на стр. 384 и 465…468; [2] на стр. 212.

[13] на стр. 46…49; [14] на стр. 255…258; [15] на стр. 33.

Контрольные вопросы

1. Что такое яркость излучателя?

2. Закон Ламберта и понятие ламбертова излучателя.

3. Чем объясняется отклонение от закона Ламберта при падении света на шероховатую поверхность под углами, близкими к скользящим?

4. Чем объясняется отклонение от закона Ламберта при произвольном падении на шероховатую поверхность когерентного света?

5. Чем объясняется отклонение от закона Ламберта при нормальном падении на шероховатую поверхность хорошо сфокусированного пучка когерентного света?

6. Как определяется альбедо?

7. Соотношения светимости, яркости и освещенности для случая рассеяния света на ламбертовой поверхности.

8. Свет от излучателя, рассеиваясь на малом экране с ламбертовой поверхностью, попадает на входное окно измерителя мощности излучения. Как зависят показания измерителя от угла разворота экрана в плоскости этих трех приборов?

9. Нарисуйте диаграмму направленности мощности излучения ламбертова источника.

10. Две причины, по которым в кинотеатре трудно смотреть картину с крайних боковых мест первых рядов.

Порядок выполнения работы

1. Установить рейтер 6 с источником света и измерителем мощности излучения на указанном преподавателем расстоянии R от экрана.

2. Включить источник света 1. При необходимости провести с помощью преподавателя юстировку оптической схемы. По окончании юстировки положение всех, кроме упоминаемых ниже особо, оптических элементов схемы должно оставаться постоянным до окончания измерений: разъюстировка хотя бы одного элемента даже на завершающей стадии работы может привести к необходимости проводить все измерения заново. Особенно отметим такую ситуацию, когда факт разъюстировки ни «на глаз» ни «по показаниям» незаметен, а проявляется лишь при обработке результатов.

3. Включить измеритель мощности излучения 5.

4. Найти освещенность экрана. Для этого развернуть экран 2 на 180°, с помощью магнита установить на нем в точке пересечения оптических осей источника и приемника света зеркало с заданным преподавателем коэффициентом отражения и произвести 5 … 7 замеров мощности. Вычислить искомую освещенность с учетом 10 мм линейной апертуры измерителя и соотношения расстояний от экрана до источника света и до измерителя. Результаты занести в протокол измерений.

5. Прикрепить к экрану четырьмя зажимами сверху и снизу первый образец бумаги 4 и маску, выданные преподавателем. Маска должна располагаться в центре экрана на пересечении оптических осей источника и приемника света.

6. Установить экран под углом, соответствующим скользящему падению излучения на бумажный лист. Снять отсчет угла разворота экрана вокруг своей оси и значение мощности рассеянного излучения на входном окне измерителя. Результаты занести в протокол.

7. Повернуть экран на 2° и снова снять отсчет угла и показания измерителя. Результаты занести в протокол.

8. Повторять п. 7 до тех пор, пока не будет измерена засветка образца под углом, равным исходному (см. п. 6), но с обратным знаком.

9. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости мощности засветки входного окна измерителя от угла разворота экрана.

10. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

11. Провести операции п. 5 … п. 10 для остальных образцов бумаги.

12. Выключить измеритель мощности излучения.

13. Выключить источник света.

14. Сравнивая полученные данные, выявить образец, наилучшим образом соответствующий приближению ламбертовой поверхности.

15. Вычислить мощность света, рассеиваемую в полусферу радиуса R поверхностью образца, выявленного в п. 14.