Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика») Волгоград 2007 (стр. 5 из 14)

8. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения случайной погрешности измерения показателя преломления.

Лабораторная работа № 5

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА

Цель работы: изучение закономерностей дисперсии света в прозрачном однородном конденсированном веществе.

Задача работы: экспериментально определить длину волны лазерного излучения.

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 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 нужно собирать только под присмотром лаборанта или преподавателя.

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования дисперсии света иллюстрируются ее фотографией на рис. 5.

Рис. 5. Лабораторная установка для исследования дисперсии света

Здесь: 1 – излучатель полупроводникового лазера HLDPM10-650-3 (мощность излучения 3 мВт и диаметр пучка

2 мм), – см. Приложение C;

2 – источник питания полупроводникового лазера;

3 – трехгранная стеклянная призма;

4 – гониометр для измерения угла поворота призмы, в том числе а) держатель лазерного излучателя поворотный, б) стол поворотный с лимбом (360º), в) крепление призмы к поворотному столу, г) два устройства отсчета угла поворота стола (0,5º с нониусом);

5 – экран (на трех фото к нему магнитом прикреплена линейка в качестве визира).

Лупа для наблюдения показаний гониометра на фотографии не показана.

Теория изучаемого явления

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

[1] на стр. 391…393; [2] на стр. 186…187 и 189…191.

[14] на стр. 151…156 и 162…167.

Контрольные вопросы

1. Явление рефракционной дисперсии. Нормальный и аномальный ход дисперсионной кривой.

2. Зависимость показателя преломления от длины волны (дисперсионное соотношение), дисперсионные формулы.

3. Применимы ли дисперсионные формулы Коши для окрашенных стекол и почему?

4. Теорема о минимуме отклонения.

5. Следствия из теоремы о минимуме отклонения.

6. Справедливы ли выводы и следствия из этой теоремы, если показатель преломления у среды больше, чем у материала призмы?

7. На основание и боковую грань равнобедренной призмы, установленной в минимум отклонения, падают два параллельных луча. Покажите аналитически, что лучи, отклоненный призмой и отраженный от ее основания, тоже будут параллельны.

8. Почему так важен именно минимум отклонения в призменных спектральных приборах?

9. Линейная и угловая дисперсии спектральной призмы в минимуме отклонения. Пути увеличения дисперсии.

10. Разрешающая сила спектральной призмы.

Порядок выполнения работы

1. Пользуясь справочными данными (основным показателем преломления n_e и средней дисперсией

– см. Приложение В;

;

) для материала призмы, указанного преподавателем, вычислить, применяя двучленную формулу Коши

, значения показателя преломления n на длинах волн 400…760 нм оптического спектра с шагом 10 нм.

2. Построить в программном пакете Harvard Graphics дисперсионную кривую n(λ) зависимости показателя преломления от длины волны.

3. Включить лазер 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.

4. Методом автоколлимации пучка, отражаемого поочерёдно от боковой грани и основания призмы 3, измерить преломляющий угол e. Результат занести в протокол измерений.

5. Вращая стол гониометра 4, установить призму в минимум отклонения. Угол отклонения при этом контролировать визуально (правое среднее фото).

6. Вывести призму из этого положения, увеличив угол отклонения на 5…20º, и зафиксировать положение отклоненного пучка на экране 5 (правое верхнее фото). Снять первый отсчет по лимбу. Снова установить призму в минимум отклонения и, продолжая поворот стола, добиться того же положения отклоненного пучка на экране (правое нижнее фото), которое было зафиксировано при первом отсчете. Снять второй отсчет по лимбу. Вычислить модуль полуразности первого и второго отсчетов и прибавить его к наименьшему отсчету. Результатом будет отсчет, соответствующий минимуму отклонения.

Разность этого отсчёта с отсчётом при нормальном падении пучка на эту грань (см. п. 4) даёт угол падения i в минимуме отклонения. Результат занести в протокол измерений.

7. Пользуясь выражением

, вычислить значение угла минимального отклонения d. Результат занести в протокол измерений.

8. Пользуясь выражением

, вычислить значение показателя преломления n призмы на длине волны λ используемого лазера. Результат занести в протокол измерений.

9. Сопоставляя полученное значение n с дисперсионной кривой, найти длину волны излучения лазера.

10. Выполнить операции п. 4 … п. 9 шесть раз. Найти среднее значение

. Пользуясь статистикой по семи результатам, оценить случайную погрешность определения длины волны.

11. Поместить на дисперсионную кривую полученное значение показателя преломления на длине волны излучения использованного в работе лазера.

12. 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 дисперсии (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. Подробные аналитические выкладки с таблицей результатов вычисления показателей преломления стекла указанной преподавателем марки на длинах волн видимого диапазона оптического спектра.

6. График зависимости показателя преломления этого стекла от длины волны – дисперсионную кривую, включая точки e,

7. Протокол измерений, подписанный преподавателем еще при выполнении лабораторной работы и содержащий таблицу с отсчетами и результатами измерения преломляющего угла призмы, угла падения луча на призму в минимуме отклонения, результатами вычисления угла минимального отклонения, показателя преломления материала призмы.

8. Подробные выкладки с результатами определения длины волны использованного лазера.

9. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности определения длины волны.

10. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения случайной погрешности определения длины волны.

Лабораторная работа № 6

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

Цель работы: изучение закономерностей интерференции монохроматического света в воздушном зазоре.

Задача работы: экспериментально определить радиус кривизны линзы и длину волны монохроматического излучения.

Техника безопасности

- 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: