Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 2 из 14)

- 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 нужно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования поляризации света иллюстрируются ее фотографией на рис. 1.

Рис. 1. Лабораторная установка для исследования поляризации света.

Здесь: 1 – точечный источник света – осветитель ОИ-19 (вакуумная лампа накаливания в металлическом кожухе со встроенными коллиматором диаметром 25 мм и ирисовой диафрагмой, питающаяся переменным напряжением 8 В);

2 – блок питания осветителя (понижающий трансформатор 220 В / 8 В с регулятором яркости и выключателем типа тумблер);

3 – поляризатор (дихроичный поляроид в резьбовой оправе);

4 – анализатор (дихроичный поляроид во вращающейся оправе с лимбом 360º);

5 – стойка с резьбой для крепления поляризатора;

6 – стойка крепления оправы анализатора;

7 – конденсор (кварцевая линза диаметром 60 мм и фокусным расстоянием 100 мм);

8 – 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 1 с), д) четыре выключателя для селекции потребного спектрального диапазона, устанавливаемого преподавателем, – см. Приложение C;

9 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

10 – рельс.

Измеритель мощности излучения может работать и от встроенного источника питания (аккумулятора), и от внешнего (сетевого адаптера). Последний на фотографии не показан.

Теория изучаемого явления

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

[1] на стр. 403…409; [2] на стр. 153…158.

[14] на стр. 42…45, 177…181, 184…189 и 195…199.

Контрольные вопросы

1. Явления поляризации и двулучепреломления.

2. Чем характерна оптическая ось кристалла?

3. Опишите закон сохранения энергии излучения при его двулучепреломлении.

4. Способы получения поляризованного света.

5. Как определяется угол Брюстера?

6. Если отраженная компонента (исходно естественного света) поляризуется полностью, то под каким углом к ней идет преломленная компонета?

7. Что такое степень поляризации?

8. Чему равна интенсивность света, прошедшего два поляризатора, развернутые друг относительно друга на угол

9. Поляризационные призмы.

10. Принцип действия поляроида.

Порядок выполнения работы

1. Убедиться, что регулятор яркости на блоке питания 2 источника света 1 находится в минимуме (повернут до упора против часовой стрелки).

2. Включить источник света тумблером на блоке питания. 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. Отрегулировать источник света на максимум яркости.

4. Включить измеритель мощности излучения 8.

5. Установить по лимбу поляроида-анализатора 4 любой угол, кратный 5º. Снять показания по цифровому табло измерителя мощности. Занести в протокол измерений значение угла, а также соответствующей этому углу мощности света, прошедшего через два поляроида.

6. Установить по тому же лимбу угол, на 5º больший, и снова снять показания по цифровому табло измерителя мощности. Зафиксировать вновь полученные значения угла и мощности в протоколе измерений.

7. Повторять п. 6 до тех пор, пока суммарный угол поворота анализатора не составит 725º.

8. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости пропускания двух поляроидов от угла между их направлениями поляризации.

9. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

10. Полагая оба поляроида одинаковыми, вычислить степень поляризации q, вносимую одним поляроидом.

11. Выполнить операцию п. 10 три раза на иных интервалах значений аппроксимирующей функции. Найти среднее значение q. Пользуясь статистикой по четырем результатам, оценить случайную погрешность измерения степени поляризации.

12. Установить регулятор яркости на блоке питания источника света в минимум (повернуть до упора против часовой стрелки).

13. Выключить измеритель мощности излучения.

14. Тумблером на блоке питания 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 поляризации (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 с результатами измерения угла поворота и мощности излучения,

- экспериментальный график зависимости пропускания пары поляроидов от взаимного разворота их азимутов поляризации.

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

7. Теоретическую кривую зависимости пропускания пары поляроидов от взаимного разворота их азимутов поляризации (можно на графике п. 5).

8. Подробные выкладки с результатами вычисления степени поляризации света, обеспечиваемой поляроидом.

9. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения степени поляризации.

10. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин:

- рассогласования экспериментальной и теоретической кривых,

- возникновения случайной погрешности измерения.

Лабораторная работа № 2

ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА

Цель работы: изучение энергетических закономерностей отражения света от диэлектрической среды.

Задача работы: экспериментально определить азимут поляризации излучения лазера и отражательную способность стекла.

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 излучателя;

- 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 в выходное окно лазера при включенном питании и совать в его пучок блестящие предметы;

- 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 отражения света иллюстрируются ее фотографией на рис. 2.

Рис. 2. Лабораторная установка для исследования отражения света.

Симметричный нониус. Поляризация _┴. Поляризация ||.

Здесь: 1 – излучатель полупроводникового лазера HLDPM10-650-3 (мощность излучения » 3 мВт и сечение пучка » 1´2 мм), – см. Приложение С;

2 – источник питания полупроводникового лазера;

3 – стеклянная плоскость 70´110´4 мм;

4 – гониометр для измерения угла поворота плоскости (буссоль БГ-1), в том числе а) стол поворотный (360°), б) крепление плоскости к поворотному столу, в) два устройства отсчета угла поворота стола (1° с нониусом). Лупа для наблюдения показаний гониометра на фотографии не показана;

5 – держатель лазерного излучателя поворотный (180°) с устройством разворота (360°) излучателя вокруг своей оси;

6 – 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 1 с), д) четыре выключателя для селекции потребного спектрального диапазона, устанавливаемого преподавателем, – см. Приложение С;

7 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

8 – рельс.

Теория изучаемого явления