Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 4 из 14)
2. Включить измеритель мощности излучения 9.
3. Снять показания измерителя мощности, результаты занести в протокол измерений.
4. Установить в ходе пучка цветное стекло 7 толщиной 2 мм, вворачивая его оправу в стойку 8 на столе.
5. Снять показания измерителя мощности, результаты занести в протокол измерений.
6. Установить в ходе пучка еще одно цветное стекло толщиной 2 мм, вворачивая его оправу в оправу ранее установленного цветного стекла.
7. Снять показания измерителя мощности, результаты занести в протокол измерений.
8. Проделывать операции п. 6 … п. 7 до тех пор, пока не иссякнет запас цветных стекол.
9. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости пропускания цветного стекла от толщины его слоя.
10. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.
11. Вычислить показатель поглощения цветного стекла a при толщине поглощающего слоя цветного стекла 2 мм.
12. Выполнить операцию п. 11 девять раз при толщинах поглощающего слоя 4, 6, 8, 10, ... 20 мм. Найти среднее значение a. Пользуясь статистикой по десяти результатам, оценить случайную погрешность измерения показателя поглощения.
13. Выключить измеритель мощности излучения.
14. 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 абсорбции (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 толщины стекла и мощности излучения,
- экспериментальный график зависимости пропускания цветного стекла от толщины его слоя.
6. Формулу аппроксимирующей функции и выкладки, к этой формуле приводящие.
7. Теоретическую кривую зависимости пропускания цветного стекла от толщины его слоя (можно на графике п. 5).
8. Подробные выкладки с результатами вычисления показателя поглощения цветного стекла.
9. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения показателя поглощения.
10. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин:
- рассогласования экспериментальной и теоретической кривых,
- возникновения случайной погрешности измерения.
Лабораторная работа № 4
ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
Цель работы: изучение закономерностей преломления света в прозрачном однородном конденсированном веществе.
Задача работы: экспериментально определить показатель преломления бесцветного стекла.
Техника безопасности
При выполнении лабораторной работы студент может столкнуться со следующими опасными и вредными производственными факторами:
- сетевое переменное напряжение (220 В, 50 Гц);
- 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;
- 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 преломления света иллюстрируются ее фотографией на рис. 4.
Рис. 5. Лабораторная установка для исследования преломления света.
 |  |
Фокусировка на верхнюю грань. Фокусировка на нижнюю грань.
Здесь: 1 – микроскоп Биолам Р12У42 для наблюдения меток на поверхностях стекла, в том числе а) сменный бинокулярный тубус АУ-12, б) окуляры 10×, в) объектив 8×, г) предметный столик, д) наводка на резкость (грубая), е) наводка на резкость (тонкая), ж) стойка, з) башмак, и) прижимы, – см. Приложение C;
2 – исследуемое стекло;
3 – протяженный источник света – осветитель ОИ-31 (вакуумная лампа накаливания в металлическом корпусе со встроенным коллиматором диаметром 27 мм, питающаяся через выключатель переменным напряжением 220 В);
4 – часовой индикатор с рабочим ходом ±5 мм (цена деления шкалы 0,01 мм);
5 – стойка с юстировочными приспособлениями.
Средство измерения действительной толщины стекла (микрометр или штангенциркуль) на фотографии не показано.
Теория изучаемого явления
Основные теоретические положения и все необходимые для выполнения лабораторной работы теоретические выкладки обобщены в следующих учебниках:
[1] на стр. 384…385.
[13] на стр. 277…280 и 482…494; [14] на стр. 13…15 и 18; [15] на стр. 163…166 и 263…270.
Контрольные вопросы
1. Явление рефракции света.
2. Закон преломления.
3. Покажите аналитически, что лучи, входящий в стопу произвольного числа плоскопараллельных стеклянных пластин, и выходящий из нее, параллельны.
4. Покажите, что при преломлении в призме с малым преломляющим углом ε, луч, падающий на призму под любым малым углом, отклоняется на угол
.5. Может ли свет в вакууме распространяться криволинейно? В каком случае луч не является прямой линией?
6. Почему водолазу до последнего кажется, что подлетающий самолет садится на него?
7. Большим или меньшим действительного будет казаться в воде диаметр стеклянного шарика? Воздушного пузыря?
8. Ночью звезды мерцают, а Луна – нет. Почему? Объясните тот факт, что звезд всегда больше в зените, а не на горизонте.
9. Почему глубина водоема всегда больше, чем кажется, глядя на дно?
10. Как, не имея приборов, удостовериться в наличии температурной зависимости показателя преломления у воздуха? … у воды?
Порядок выполнения работы
1. Включить источник света 3. 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.
2. Снять исследуемое стекло 2 с предметного столика микроскопа 1. Измерить микрометром либо штангенциркулем действительную толщину Н стекла. Результат занести в протокол измерений.
3. Нанести на его поверхности друг под другом 2 … 3 штриха. При этом штрихи на противоположных поверхностях должны быть нанесены перпендикулярно друг другу или авторучками разного цвета. Установить получившееся перекрестье на столик микроскопа точно под его объективом и закрепить стекло прижимами.
4. Глядя на стекло в окуляр микроскопа и поднимая или опуская его тубус, навести на резкость изображение одного из верхних штрихов (левое нижнее фото).
5. Снять отчет по часовому индикатору 4. Результат занести в протокол измерений.
6. Глядя на стекло в окуляр микроскопа и опуская его тубус, навести на резкость изображение одного из нижних штрихов (правое нижнее фото).
7. Снять отсчет по часовому индикатору. Результат занести в протокол измерений.
8. Вычислить видимую толщину h предметного стекла, как разность показаний часового индикатора в п. 5 и в п. 7. Результат занести в протокол измерений.
9. Вычислить показатель преломления n, как отношение действительной толщины стекла H к видимой h.
10. Выполнить операции п. 2 … п. 9 шесть раз в разных областях стекла. Найти среднее значение n. Пользуясь статистикой по семи результатам, оценить случайную погрешность измерения показателя преломления.
11. Снять стекло со столика микроскопа, тщательно удалить все штрихи и установить его обратно под прижимы.
12. 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 рефракции (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 номерами точек и результатами измерения действительной и видимой толщин исследуемого стекла в каждой точке.
6. Подробные выкладки с результатами вычисления показателя преломления исследуемого стекла.
7. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения показателя преломления.