Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей icon

Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей




НазваМетодичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей
Сторінка1/14
Дата18.10.2012
Розмір0.87 Mb.
ТипМетодичні вказівки
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14


Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Запорізький національний технічний університет

Кафедра фізики


Методичні вказівки

до лабораторних робіт з фізикИ


Оптика

Для студентів інженерно-технічних спеціальностей

денної форми навчання


2011

Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики. Оптика. Для студентів інженерно-технічних спеціальностей денної форми навчання / Укладачі: Лоскутов С.В.., Правда М.І., Лущин С.П., Серпецький Б.О – Запоріжжя: ЗНТУ, 2011 . - 90 с.


У к л а д а ч і: Лоскутов С.В., професор, д-р. фіз-матем. наук.; Правда М.І., канд. фіз.-матем. наук, доцент; Лущин С.П., канд. фіз.-матем. наук, доцент; Серпецький Б.О., канд. фіз.-матем. наук, доцент.


Р е ц е н з е н т и: Курбацький В.П., канд. фіз.-матем. наук, доцент; Сокол Т.О., старший викладач кафедри іноземної мови.


Затверджено на засіданні кафедри фізики ЗНТУ,

протокол № 10 від 04.07.2011 р .


Відповідальний за випуск: Правда М.І. канд. фіз.-матем. наук, доцент.

ЗМІСТ


Вступ . . . . . . . . . .. . . . . ……. . . . . ………………………………….........4

1 Лабораторна робота № 61 Дослідження явища інтерференції світла……………………………………………………………………….......5

2 Лабораторна робота № 62 Дослідження дифракції Фраунгофера на щілині…………………………………………………………………..…10

3 Лабораторна робота № 63 Дифракція на дифракційній решітці ….18

4 Лабораторна робота № 64 Дослідження поляризованого світла…..23

5 Лабораторна робота № 65 Перевірка закону Стефана-Больцмана...29

6 Лабораторна робота № 66 Побудова дисперсійної кривої монохроматора УМ-2……………………………………………………………..34

7 Лабораторна робота № 67 Дослідження спектру атома водню...…38

8 Лабораторна робота № 68. Визначення показника заломлення рідини за допомогою рефрактометра………………………..………...….…….42

9 Laboratory work № 61 Studing the phenomenon of interference……...47

10 Laboratory work № 63 Investigation phenomena of polarization

of light ……………………………………………………………….…..49

11 Laboratory work № 65 Study of energy levels of a hydrogen atom…..53

12 Лабораторна робота № 62.1 дослідження явища інтерференції світла (комп’ютерний вар.)……………..…………………………………...58

13 Laboratory work № 62.1 Study of the phenomenon of light interference (cjmputer var.)……………………………….…………………………....61

14 Лабораторна робота № 64.1 Дослідження дифракції Фраунгофера на дифракційній решітці (комп’ютерний вар.)………………………..63

15 Laboratory work № 64.1 Study of difraction Fraunhofer on difraction grating (computer var.)………………………………………………........66

16 Лабораторна робота № 69 Дисперсія світла (комп’ютерний вар.)..68

17 Laboratory work № 69 Dispersion of light (computer var.)…………..69

18 Лабораторна робота № 70 Фотоефект (комп’ютерний вар.)………70

19 Laboratory work № 70 Photoeffect (computer var.)…………………..72

20 Лабораторна робота № 71 Атомні спектри (комп’ютерний вар.)…74

21 Laboratory work № 71 Atomic spectrum (computer var.)……….……75

22 Газовий лазер ……………………...……………………...………….76

23 Laser………………………………………………………………...…88


ВСТУП


Методичні вказівки містять лабораторні роботи для студентів усіх спеціальностей.

Головна спрямованість методичних вказівок з предмету фізика - дати можливість студентам за допомогою досліду вивчити важливі фізичні явища. Опис лабораторних робіт не претендує на те, щоб створити у студентів повне уявлення про явища, які вивчаються. Таке уявлення може виникнути лише внаслідок опрацювання лекцій та підручників.

Велика увага в методичних вказівках з фізики для студентів технічних спеціальностей приділяється обробленню результатів вимірювань. Для успішного виконання робіт необхідна попередня самостійна підготовка, в першу чергу теоретична.

Кожна лабораторна робота розрахована на дві академічні години занять у лабораторії. Перед заняттям студент повинен підготувати протокол лабораторної роботи, вивчивши відповідний теоретичний матеріал.

Під час заняття студенти проводять необхідні виміри, виконують розрахунки, доводять звіт до висновку. Результати вимірювання обговорюються з викладачем і затверджуються.

Повністю оформлений звіт по лабораторній роботі потрібно подати викладачу до кінця заняття. Він повинен містити: титульний лист, номер лабораторної роботи та її назву, перелік приладів і приладдя, мету роботи, схему установки, розрахункові формули, таблицю результа­тів вимірів і розрахунки, висновки за результатами роботи. Графіки повинні бути виконані на міліметровому папері.

Якщо студент не встигає захистити лабораторну роботу до кінця заняття, дозволяється оформити звіт (графіки) з використанням комп’ютерних програм (Excel, Origin) до наступного заняття.

Лабораторна робота вважається виконаною після успішно проведеного захисту шляхом співбесіди студента з викладачем (захист звіту + оцінка за теоретичний матеріал).

Захист звіту: мета роботи + експериментальна методика + висновки.

Теоретичний матеріал: знання фізичних явищ, які вивчалися у даній лабораторній роботі (закони, формули).

^ 1 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 61. ДОСЛІДЖЕННЯ ЯВИЩА ІНТЕРФЕРЕНЦІЇ СВІТЛА


Мета роботи - дослідити явище інтерференції. Визначити довжину хвилі лазерного випромінювання.

^ Прилади і обладнання: лазер, подвійна щілина, екран, лінійка.


1.1 Теоретична частина


Явище інтерференції полягає у перерозподілі світлового потоку у просторі при накладанні когерентних хвиль. Когерентними називаються хвилі, які мають однакову частоту і сталу у часі різницю фаз.

Розглянемо накладання хвиль від двох точкових джерел S 1 та S2, які випромінюють монохроматичне світло однакової частоти (рис.2.1).

Зафіксуємо у просторі довільну точку спостереження – т.Р. Для того щоб потрапити у т.Р



Рисунок 1.1


світло від джерела S 1 проходить шлях l1, а від джерела S2 - шлях l2. Величина:

(1.1)

називається різницею ходу променів, а величина

(1.2)

називається оптичною різницею ходу, де n - абсолютний показник заломлення середовища, в якому розповсюджується світло.

Якщо на оптичній різниці ходу Δ вміститься ціла кількість довжин хвиль, тобто якщо буде виконуватись умова

, (1.3)

де , то в довільну точку спостереження - Р. хвилі від джерел S 1 та S2 прийдуть в одній фазі і при накладанні посилять одна одну, так що в точці Р. виникне максимум інтенсивності світла. Тому умова (1.3) називається умовою інтерференційного максимуму.

Якщо на оптичній різниці ходу Δ вміститься напівціла кількість довжин хвиль, тобто якщо буде виконуватись умова

, (1.4)

де , то в довільну точку спостереження - Р. хвилі від джерел S 1 та S 2 прийдуть у протилежних фазах і при накладанні послаблять одна одну, так що в точці Р. виникне мінімум інтенсивності світла. Тому умова (1.4) називається умовою інтерференційного мінімуму.


^ 1.2 Експериментальна частина


Для експериментального дослідження явища інтерференції направимо промінь лазера (1) на дві близько розташовані одна від



Рисунок 1.2


одної щілини (2) (рис. 1.2) Ширина кожної щілини та відстань між ними дорівнюють приблизно 0,1 мм. Щілини освітлені лазером в такий спосіб являють собою два монохроматичних джерела світла, крім того кожна точка у просторі за щілинами має певне фіксоване значення різниці фаз коливань, що накладаються одне на одне. Тобто ми маємо два когерентних джерела світла. В результаті у просторі за щілинами утворюється сталий перерозподіл інтенсивності світла з максимумами та мінімумами інтенсивності. Якщо за щілинам розмістити екран (3), то на ньому утвориться інтерференційна картина мінімумів та максимумів інтенсивності світла, які чергуються.

З геометрії задачі отримуємо формулу для зв’язку між величинами

, (1.5)

де y - відстань між сусідніми максимумами; λ - довжина хвилі; L- відстань між щілинами та екраном; d - відстань між щілинами.

З формули (1.5) для довжини хвилі одержуємо

. (1.6)


2.3 Хід роботи


  1. Направити промінь лазера на дві щілини та отримати на екрані інтерференційну картину.

  2. Виміряти відстань L між щілинами та екраном.

  3. Зафіксувати на міліметровому папері інтерференційну картину, яка б складалася щонайменше з трьох груп ярких інтерференційних максимумів (рис. 1.3).



Рисунок 1.3


  1. Для розрахунку довжини хвилі за формулою (1.6) необхідно виміряти середню відстань між сусідніми максимумами -, але ця відстань занадто мала, щоб її можна було виміряти звичайною міліметровою лінійкою. Тому підрахуємо кількість ярких максимумів в центральній групі максимумів. Нехай ця кількість дорівнює , а проміжків між ними (а це саме і є відстань y) буде . Виміряємо відстань S 1, між крайніми максимумами в цій групі. Аналогічно виміряємо відстані S2 , S 3, так як показано на рис. 1.3 і обчислимо відповідно три значення за формулами:

. (1.7)

Результати вимірювань занесемо в таблицю 1.1.


Таблиця 1.1




Si , мм

yi , мм

, мм

L , мм

d , мм

λ , мм

1













0,22




2







3









5. За формулою (1.6), користуючись середнім значенням , розрахувати довжину хвилі лазерного випромінювання в міліметрах, одержаний результат перевести в метри і остаточно в нанометри. Експериментальне значення λ порівняти з табличним.

6. Похибки вимірювань обчислити за формулами (1.8) – (1.12).

; (1.8)

, де , ; (1.9)

, де , ; (1.10)


, де ; (1.11)


. (1.12)

6. Остаточний результат вимірів довжини хвилі λ представити у вигляді

. (1.13)

Порівняти одержаний результат з табличним значенням:

λ табл. = 630 нм

Контрольні запитання

  1. В чому полягає явище інтерференції світла?

  2. Які джерела хвиль називають когерентними?

  3. Що таке оптична різниця ходу?

  4. Якими формулами визначаються умови інтерференційного максимуму та мінімуму?


Література


  1. Ландcберг Г. С. Оптика. – М.: Наука, 1976.- с. 62 – 94.

  2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. – т. 4. – М.: Наука, 1980.- с 188- - 256.

  3. Савельев И. В. Курс общей физики.– т. 2. – М.: Наука, 1982.- с. 347 – 374.



^ 2 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 62. ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ ФРАУНГОФЕРА НА Щ1ЛИНІ


Мета роботи - дослідити явище дифракції на одній щілині.

Прилади і обладнання: лазер, щілина, екран, лінійка.


^ 2.1 Теоретична частина


В початковому вузькому сенсі дифракція це є огинання хвилями перешкод, у сучасному, більш широкому – будь-яке відхилення від законів геометричної оптики при розповсюдженні хвиль. Дифракцією називають сукупність явищ при розповсюдженні світла в середовищі з різкими неоднорідностями, такими як маленький круглий отвір, вузька щілина, дифракційна решітка тощо. В звичайних умовах дифракцію світла спостерігають у вигляді нерізкої розмитої границі тіні освітленого предмета.

Між явищами інтерференції та дифракції немає принципової фізичної різниці. Обидва ці явища полягають у перерозподілі світлового потоку при суперпозиції (накладанні) когерентних хвиль. Але при суперпозиції хвиль від точкових джерел говорять про інтерференцію, а при суперпозиції хвиль від джерел, які мають певні кінцеві розміри говорять про дифракцію.

Явища дифракції зазвичай класифікують в залежності від відстаней між джерелом i точкою спостереження (екраном) та перешкодою, що розташована на шляху світла. Якщо ці відстані великі (нескінченно великі) то говорять про дифракцію в паралельних променях – дифракцію Фраунгофера. У протилежному випадку говорять про дифракцію в непаралельних променях – дифракцію Френеля.

Простим для розрахунку та практично важливим випадком дифракції є дифракція на довгій прямокутній щілині. Світлове поле за щілиною знайдеться за принципом Гюйгенса-Френеля, який полягає в наступному: кожна точка хвильового фронту є джерелом вторинних хвиль, притому інтенсивність світла у довільній точці простору можна розглядати як результат інтерференції вторинних хвиль, які випромінюються нескінченно малими ділянками хвильової поверхні.

При застосуванні принципу Гюйгенса-Френеля на випадок щілини, будемо розглядати інтенсивність світла у довільній точці спостереження як результат інтерференції когерентних вторинних хвиль, що випромінюються різними ділянками хвильового фронту на щілині.

Нехай на щілину шириною нормально падає плоска монохроматична хвиля довжиною . Розглянемо інтерференційну картину на екрані, який розташований на відстані L >> b від щілини – ця умова є умовою дифракції Фраунгофера (рис.2.1).




Рисунок 2.1


Інтерференційна картина буде являти собою чергування на екрані світлих (max), та темних (min) смуг. Умова дифракційного мінімуму в цьому випадку має вигляд

, (2.1)

де - кут дифракції; - порядок дифракційного мінімуму;

А умова дифракційного максимуму виглядає

, (2.2)

де - порядок дифракційного максимуму;

Умова (2.1) означає: різниця ходу між хвилями, що випромінюються крайніми точками щілини, повинна містити ціле число хвиль

, (2.3)

В той же час з геометрі задачі маємо:

. (2.4)

Одержаний результат легко пояснити без будь-яких розрахунків. Припустимо, з початку, що і формула (2.1) приймає вигляд

. (2.5)

Розділимо щілину на дві рівні частини. Тоді хвилі від цих частин щілини прийдуть в певну точку спостереження, для якої виконується умова , в протилежних фазах i погасять одна одну при інтерференції – утвориться min інтенсивності 1-го порядку. Якщо ж виконується умова (2.1), то щілину треба розділити на 2k ділянок однакової ширини. Хвилі від ділянок з непарними номерами прийдуть в певну точку спостереження в фазах, протилежних фазам хвиль, що прийшли від частин з парними номерами.


^ 2.2 Експериментальна частина


Схему лабораторної установки, яка складається з лазера (1), щілини (2) та екрану (3) представлено на рис. 2.2.



Рисунок 2.2

Завдання 1. Визначити ширину щілини по відомій довжині хвилі .

Порядок виконання:

  1. Направити промінь лазера (1) на щілину (2) та отримаємо на екрані (3) інтерференційну картину мінімумів та максимумів інтенсивності світла, що чергуються (рис.3.2).

  2. Виміряти відстань від щілини до екрану .

  3. Зафіксувати на міліметровому папері інтерференційну картину, яка повинна містити не менше трьох мінімумів та максимумів інтенсивності світла в обидві сторони від центрального – нульового максимуму (рис.2.2). Виміряємо відстані між двома мінімумами 1-го порядку -, 2-го порядку - , та 3-го порядку -. Величини занесемо в таблицю 3.1.


Таблиця 2.1

k

y , мм

b , мм

L , мм

λ ,мм

мм

1

















2







3






  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

Схожі:

Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до практичних занять з фізики. Розділ: Оптика, фізика атома. Для студентів заочників інженерно технічних спеціальностей
Методичні вказівки до практичних занять з Фізики. Розділ: Оптика, фізика атома. Для студентів – заочників інженерно – технічних спеціальностей...
Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни фізика твердого тіла Для студентів інженерно-технічних спеціальностей
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни фізика твердого тіла. Для студентів інженерно-технічних спеціальностей денної...
Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до лабораторних робіт з фізики механіка. Молекулярна фізика Частина 2 Для студентів інженерно-технічних спеціальностей
Механіка. Молекулярна фізика. Частина Для студентів інженерно-технічних спеціальностей денної форми навчання / Укладачі: Лоскутов...
Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до лабораторних робіт з фізики механіка. Молекулярна фізика Частина 1 Для студентів інженерно-технічних спеціальностей
Механіка. Молекулярна фізика. Частина Для студентів інженерно-технічних спеціальностей денної форми навчання / Укладачі: Лоскутов...
Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики Розділ „коливання та хвилі частина 1 Для студентів інженерно-технічних спеціальностей
Методичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики розділ „Коливання та хвилі”. Частина Для студентів інженерно-технічних спеціальностей...
Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики Розділ „коливання та хвилі частина 2 Для студентів інженерно-технічних спеціальностей
Методичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики розділ „Коливання та хвилі”. Частина Для студентів інженерно-технічних спеціальностей...
Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до самостійної роботи студентів інженерно-технічних спеціальностей денної форми навчання з фізики
Методичні вказівки до самостійної роботи студентів інженерно-технічних спеціальностей денної форми навчання з фізики. Молекулярна...
Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики розділ „фізика твердого тіла частина 1 Для студентів інженерно-технічних спеціальностей
Методичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики. Розділ „Фізика твердого тіла”. Частина Для студентів інженерно-технічних...
Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до контрольної роботи №1 з фізики. Механіка. Молекулярна фізика. Термодинаміка. Електродинаміка. Для студентів інженерно-технічних спеціальностей
Методичні вказівки до контрольної роботи №1 з фізики. Механіка. Молекулярна фізика. Термодинаміка. Електродинаміка. Для студентів...
Методичні вказівки до лабораторних робіт з фізики оптика Для студентів інженерно-технічних спеціальностей iconМетодичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики розділ „фізика твердого тіла частина 2 Для студентів інженерно-технічних спеціальностей
Методичні вказівки до лабораторного практикуму з фізики. Розділ „Фізика твердого тіла”. Частина Для студентів інженерно-технічних...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи