Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 3 из 14)
[1] на стр. 381…384.
[13] на стр. 470…494; [14] на стр. 137…151; [15] на стр. 16…21.
Контрольные вопросы
1. Энергетические закономерности отражения. Формулы Френеля.
2. Что такое отражательная способность вещества? Докажите аналитически ее инвариантность к поляризации зондирующего света.
3. Можно ли с помощью формул Френеля отыскивать отражательную способность цветных стекол?
4. Опишите естественный свет, используя s- и p-компоненты.
5. Можно ли с помощью формул Френеля описать отражение света от серебряного зеркала?
6. Покажите аналитически, что в промежутке между нормальным и скользящим падением имеется максимум поляризации отраженного света.
7. Зависит ли коэффициент отражения от цвета подсветки?
8. Физический и математический смысл отрицательного амплитудного коэффициента отражения.
9. Просветление оптики.
10. При каком соотношении показателей преломления сред достигается максимум пропускания их границы раздела в случае нормального падения?
Порядок выполнения работы
1. Под наблюдением преподавателя включить лазер 1 и при необходимости провести 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.
2. Включить измеритель мощности излучения 6.
3. Вращая излучатель 1 вокруг своей оси, установить некий произвольный азимут поляризации излучения.
4. Установить излучатель и стеклянную плоскость 3 так, чтобы получить минимально возможный угол падения, при этом весь отраженный свет должен попадать во входное окно измерителя мощности. Снять значение угла падения по нониусу гониометра 4 и значение мощности отраженного света по цифровому табло измерителя; результаты занести в протокол измерений.
5. Установить излучатель и стеклянную плоскость так, чтобы получить угол падения на 5° больший, при этом весь отраженный свет должен попадать во входное окно измерителя мощности. Снять значение угла падения и значения мощности отраженного света; результаты занести в протокол измерений.
6. Проделывать операции п. 5 до тех пор, пока падение не станет скользящим.
7. Пользуясь заданным преподавателем точным значением мощности излучения лазера, вычислить коэффициенты отражения при всех значениях угла падения.
8. Распространить полученные результаты на отрицательные углы падения. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости коэффициента отражения стекла от угла падения при данном азимуте поляризации излучения. Недостающие точки получить интерполяцией, для чего аппроксимировать полученную зависимость формулами Френеля, подобрав для них наиболее подходящее значение показателя преломления.
9. Вращая излучатель 1 вокруг своей оси, установить иной азимут поляризации излучения и снова проделать операции п. 4 … п. 8.
10. Проделывать операции п. 9 до тех пор, пока по внешнему виду кривой не удастся идентифицировать направление поляризации лазера. Зафиксировать примерное значение азимутального угла (угла между горизонтом и большей полуосью эллиптического сечения лазерного пучка) поляризации лазерного излучения в протоколе измерений.
11. Вычислить среднее значение подобранных в п. 8 … п. 9 показателей преломления n. Исходя из полученного
, вычислить отражательную способность использованного стекла по формуле 
.12. Пользуясь статистикой по полученным в п. 8 … п. 9 результатам, оценить случайную погрешность определения показателя преломления. Пользуясь случайной погрешностью показателя преломления, оценить косвенную погрешность определения отражательной способности.
13. Выключить измеритель мощности излучения.
14. Выключить лазер.
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 отражения (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 мощности отраженного света при каждом угле падения лазерного пучка на стеклянную плоскость,
- семейство экспериментальных графиков зависимости коэффициента отражения стекла от угла падения для разных азимутов поляризации излучения.
6. Формулу аппроксимирующей функции и все подобранные значения показателя преломления.
7. Семейство теоретических графиков зависимости коэффициента отражения стекла от угла падения для разных азимутов поляризации излучения.
8. Найденное значение азимутального угла поляризации лазерного излучения.
9. Подробные выкладки с результатами вычисления отражательной способности стекла.
10. Подробные выкладки с результатами оценки косвенной погрешности определения отражательной способности.
11. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин:
- рассогласования экспериментальных и теоретических кривых;
- возникновения косвенной погрешности определения отражательной способности.
Лабораторная работа № 3
ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА
Цель работы: изучение энергетических закономерностей поглощения света в однородной конденсированной среде.
Задача работы: экспериментально определить показатель поглощения цветного стекла.
Техника безопасности
При выполнении лабораторной 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 нужно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.
 |
Лабораторная установка
Внешний вид и устройство установки для исследования поглощения света иллюстрируются ее фотографией на рис. 3.
Рис. 3. Лабораторная установка для исследования поглощения света.
Здесь: 1 – точечный источник света (галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе, питающаяся переменным напряжением 12 В);
2 – блок питания источника света (понижающий трансформатор 220 В / 12 В);
3 – коллиматор (кварцевая линза диаметром 60 мм и фокусным расстоянием 100 мм);
4 – диафрагма диаметром
10 мм с резьбовой оправой;5 – ослабитель (нейтральный светофильтр 50×) в резьбовой оправе;
6 – стойка с резьбой для вворачивания диафрагмы и ослабителя;
7 – исследуемые цветные стекла толщиной 2 мм в резьбовых оправах (их на фото 10 шт);
8 – стойка с резьбой для вворачивания исследуемых цветных стекол;
9 – измеритель мощности оптического излучения, в том числе а) входное окно диаметром 2,5 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;
10 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;
11 – 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. 394…403; [2] на стр. 191…194.
[13] на стр. 563…571; [14] на стр. 134…137; [15] на стр. 16…17.
Контрольные вопросы
1. Закон Бугера и дополнение Бера.
2. Френелевские поправки.
3. Может ли в формулировке закона Бугера стоять не экспонента, а десятка … двойка?
4. Коэффициент поглощения и показатель поглощения: в чем разница?
5. Комплексный показатель преломления.
6. Явление абсорбции и абсорбционная дисперсия света.
7. Спектры поглощения.
8. Закономерность Кундта.
9. Многофотонное поглощение.
10. Как связан цвет прозрачного вещества с его спектром поглощения?
Порядок выполнения работы
1. Под наблюдением преподавателя включить источник света 1 и при необходимости провести 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.