Увеличенное Уменьшенное Нормальное

Министерство образования и науки Российской Федерации

Волгоградский государственный университет

Физико-технический институт

Белодедов М.В., Рвачева О.В., Чмутин А.М.

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

Методические указания

к выполнению лабораторных работ по физике

(раздел «Оптика»)

Волгоград

2011

ББК 22.34я73

УДК 535

Б43

Печатается по решению Ученого совета

физико-технического института

Рецензент докт. техн. наук проф. С.К. Стафеев (СПбГУ ИТМО)

Белодедов М.В., Рвачева О.В., Чмутин А.М.

Б43 Физический практикум: Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике (раздел «Оптика»). / Под ред. А.М. Чмутина. Изд. 2-е, стереотипное. – Волгоград: ВолГУ, 2011. 92 с., илл.

ISBN 978-5-9669-0909-3

Изложены и структурированы указания к подготовке, выполнению, оформлению и защите лабораторных работ по дисциплине «Физика» (раздел «Оптика»). Для студентов направления 210400 «Телекоммуникации» и специальности 030502 «Судебная экспертиза» Волгоградского государственного университета. Могут быть полезны для студентов всех инженерных специальностей Московского государственного университета печати и для студентов всех специальностей Волгоградского государственного медицинского университета.

ББК 22.34я73

ISBN 978-5-9669-0909-3

Содержание

Предисловие ……………………………………………………………………………….. Введение ………………………………………………………………………………...….. Лабораторная работа № 1. Поляризация света ……………………………………..……. Лабораторная работа № 2. Отражение света …………………………………………...... Лабораторная работа № 3. Поглощение света ………………………………………...…. Лабораторная работа № 4. Преломление света ……………..……………….………..…. Лабораторная работа № 5. Дисперсия света ………………………………………..….… Лабораторная работа № 6. Интерференция света ……………………………………...... Лабораторная работа № 7. Интерференция света ……………………………………...... Лабораторная работа № 8. Дифракция света …………………………..……………….... Лабораторная работа № 9. Дифракция света ……………………………..…………….... Лабораторная работа № 10. Распространение света …………………………………….. Лабораторная работа № 11. Восприятие света …………………………………………... Лабораторная работа № 12. Взаимодействие света …..………………………………… Лабораторная работа № 13. Взаимодействие света ……………………………………... Лабораторная работа № 14. Тонкая линза ……………………………………….…….… Лабораторная работа № 15. Сферическое зеркало …………………………………….... Лабораторная работа № 16. Матовый экран ……………………………………………... Лабораторная работа № 17. Волоконный световод ……………………………………... Лабораторная работа № 18. Микроскоп ………………………………………….…….... Списки литературы ……………………………………………………………………….. Приложение А …………………………………………………………………………….. Приложение В ……………………………………………………………………………... Приложение C ……………………………………………………………………………... Приложение D …………………………………………………………………………….. Приложение E ……………………………………………………………………………... Приложение F ……………………………………………………………………………...

4 5 6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70 74 78 80 81 83 85 86 88

Предисловие

Настоящие методические указания являются логическим продолжением книг [18, 20]. Однако, теперь в перечне лабораторных работ все больше прослеживается направленность не только на технические, медицинские, но и на информационные приложения оптической науки. Кроме того, при написании текста учтен опыт нескольких лет эксплуатации лабораторных установок на кафедрах физики МГУП и ВолГМУ; на кафедре прикладной физики (ныне – кафедре судебной экспертизы и физического материаловедения) ВолГУ. Были поставлены компьютерные лабораторные работы, – в приложениях появилось руководство по использованию программного продукта. Появились новые учебные издания, – расширился список рекомендуемой литературы. Добавлены иллюстрации.

Тем не менее, несмотря на столь существенные изменения, мы постарались сохранить не только структуру, но и стиль издания. Практика показывает, что совмещение методических указаний с лекционным материалом в форме методических пособий подчас не только резко ограничивает студента с точки зрения разнообразия получаемой информации и подходов к усвоению материала, но и просто отучает работать с литературой. А столь популярный Интернет при изучении классических основ естественных наук – отнюдь не подспорье, как минимум, из за невообразимого количества опечаток, терминологических и стилистических неоднозначностей. В предлагаемой книге темы лабораторных работ не дифференцированы по направлениям/специальностям обучаемых студентов: во-первых, мы, хоть и преподаем в разнотипных университетах (техническом, медицинском и классическом), считаем непозволительным излагать свои мнения на этот счет как столь уж неоспоримые, так и окончательные; во вторых, представленный перечень лабораторных работ еще далек от насыщения …

Авторы признательны заведующему кафедрой ТКС Волгоградского государственного университета (ВолГУ) Евгению Сергеевичу Семенову за постановку методической задачи, за пристальное внимание к приложению полученных результатов и рецензенту – заведующему кафедрой физики Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики (СПбГУ ИТМО) Сергею Константиновичу Стафееву – за ценные теоретические замечания. Особая благодарность доценту кафедры ТЭРА Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) Николаю Михайловичу Зотову, чьим старанием лабораторные работы были обеспечены точной механикой. Отдельная благодарность доценту кафедры ОТ СПбГУ ИТМО Сергею Федоровичу Старовойтову за помощь в расчете, проектировании и изготовлении оригинальной оптики.

М. Белодедов, О. Рвачева, А. Чмутин

Волгоград-Москва, 2009

Введение

В методических указаниях не предусматривается теоретический раздел: это позволило объединить базовые учебники, по которым в ВолГУ на технических специальностях преподается физика [1, 2] и прикладная оптика [3]. Соответственно, и ссылки на рекомендуемую для подготовки к каждой лабораторной работе литературу даются единым списком для студентов-связистов и для экспертов. Исчерпывающий список литературы дополнительной приведен в конце книги практически без цитирования.

Успешное освоение настоящего физического практикума предполагает хорошее знание физики с математикой в объеме стандартного школьного курса, начальные навыки пользования компьютером (работа с файлами, набор текста, построение графиков, вывод на печать и проч.) и, конечно, непреодолимое желание самого студента осилить экспериментальные премудрости оптики.

Общий порядок прохождения студентом физического практикума включает в себя следующие этапы:

- подготовка к лабораторной работе (изучение настоящих методических указаний и рекомендованной литературы), завершающаяся сдачей допуска по избранным преподавателем контрольным вопросам;

- выполнение лабораторной работы (последовательность которого детально изложена в настоящих методических указаниях), завершающееся визированием у преподавателя протокола измерений с опытными данными и расчетными результатами;

- оформление отчета по лабораторной работе (совокупность материалов которого приведена в настоящих методических указаниях), – этот этап, единственный после получения допуска, рассчитан на внеаудиторное выполнение;

- защита лабораторной работы (форма и порядок которой всецело определяются преподавателем индивидуально или, не дай Бог, коллективно – кафедральной комиссией).

При этом отметим, что в методических указаниях обобщен только перечень сведений, которые должны содержаться в отчете по каждой лабораторной работе, и намеренно не конкретизированы ни порядок заполнения таблиц, ни выкладки по анализу погрешностей, ни формулировки выводов. Авторы, не первый год преподающие в вузах, считают, что к третьей части курса физики (каковой является раздел «Оптика»), а тем более к спецкурсам (начинающимся с дисциплины «Прикладная оптика»), студенты уже должны уметь делать правильный выбор формы представления результатов, выкладок и формулировок самостоятельно.

И, наконец, пожелания: авторы очень надеются, что хоть в третьем тысячелетии студенты будут достойно вести себя на занятиях – это, конечно, не облегчит долю преподавателя, но заметно поможет практической работе в лаборатории. Кроме того, хотим напомнить, что в лаборатории 99 % критических ситуаций обязаны своим возникновением отнюдь не пренебрежению правилами техники безопасности, а обычной неаккуратности и/или неадекватному поведению.

Лабораторная работа № 1

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Цель работы: изучение закономерностей прохождения света через поляризующие устройства.

Задача работы: экспериментально определить степень поляризации естественного света поляроидом.

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 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:

[2] 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 при двулучепреломлении поляризованного света.

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 компонента?

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, вносимой 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 степени поляризации.

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:

- 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.

Теория изучаемого явления

[1] на стр. 470…494; [2] на стр. 137…151; [3] 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 произвести 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 кривую формулами Френеля, подобрав для них наиболее подходящее значение показателя преломления n.

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 погрешность косвенного измерения 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 погрешности косвенного измерения отражательной способности.

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

– рассогласования экспериментальных и теоретических кривых;

– возникновения погрешности косвенного измерения 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

- 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:

- 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;

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.

Теория изучаемого явления

[1] на стр. 563…571; [2] на стр. 134…137; [3] 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.

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 показателя поглощения.

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

- сетевое переменное напряжение (220 В, 50 Гц);

- значительная масса отдельных составных частей лабораторной установки.

Отсюда вытекают следующие требования техники безопасности при выполнении лабораторной работы:

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования преломления света иллюстрируются ее фотографией на рис. 4.

Рис. 4. Лабораторная установка для исследования преломления света.

Фокусировка на верхнюю грань. Фокусировка на нижнюю грань.

Здесь: 1 – микроскоп БИОМЕД-2 для наблюдения меток на поверхностях стекла, в том числе а) штатный монокулярный тубус, б) окуляр 10^×, в) объектив 8^×, г) предметный столик, д) наводка на резкость (грубая), е) наводка на резкость (тонкая), ж) стойка, з) башмак, – 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

[1] на стр. 277…280 и 482…494; [2] на стр. 13…15 и 18; [3] 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. Результат занести в протокол измерений.

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.

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

- 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:

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 (буссоль БГ-1), в том числе а) стол поворотный (360º), б) крепление призмы к поворотному столу, в) два устройства отсчета угла поворота стола (1° с нониусом), г) держатель лазерного излучателя поворотный;

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

[2] 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 тех граней призмы 3, которые образуют преломляющий угол e, измерить последний. 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. Результат занести в протокол измерений.

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, и .

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 переменной толщины.

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;

- значительная масса отдельных составных частей лабораторной установки.

Отсюда вытекают следующие требования техники безопасности при выполнении лабораторной работы:

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования интерференции света иллюстрируются ее фотографией на рис. 6.

Рис. 6. Лабораторная установка для исследования интерференции света.

Здесь: 1 – точечный источник света (полупроводниковый светодиод в пластмассовом кожухе с отражателем и выходным окном диаметром 27 мм, питающийся постоянным напряжением 4,5 В);

2 – источник питания полупроводникового светодиода;

3 – сменный светофильтр 80 мм;

4 – микроскоп БИОМЕД-2 для наблюдения интерференционной картины, в том числе а) штатный монокулярный тубус, б) окуляр 10^×, в) объектив (линза f = 35 мм в резьбовой оправе), г) предметный столик, д) наводка на резкость (грубая), е) наводка на резкость (тонкая), ж) стойка, з) башмак, – см. Приложение C;

5 – полупрозрачное зеркало 55 65 мм, отклоняющее горизонтальный пучок монохроматического света вниз;

6 – плоскопараллельная стеклянная пластинка диаметром 32 мм;

7 – двояковыпуклая стеклянная линза диаметром 36 мм;

8 – светопоглощающий экран;

9 – стойка с юстировочными приспособлениями;

10 – цифровая камера Logitech QuickCam Express (разрешение 640´480 pxl);

11 – держатель с юстировочными приспособлениями;

12 – компьютер PENTIUM-400.

Теория изучаемого явления

[2] на стр. 36…40, 55…59 и 64…68.

Контрольные вопросы

1. Явление интерференции.

2. Способы наблюдения интерференции.

3. Что такое апертурный угол интерференции?

4. Полосы равной толщины. Где они локализуются?

5. Чем обусловлена постоянно меняющаяся радужная окраска мыльного пузыря?

6. Кольца Ньютона.

7. Уравнение колец Ньютона.

8. Почему кольца Ньютона наблюдаются в отраженном свете, а не в проходящем?

9. Зависит ли контраст колец Ньютона от преломления окружающей среды?

10. Как можно использовать интерференцию в спектральном анализе?

Порядок выполнения работы

1. Включить источник света 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.

2. Запустить камеру 10, для чего: включить питание компьютера 12; загрузить операционную систему Windows 98; последовательно открыть окно <Launch Logitech QuickCam> на рабочем столе и выбрать опцию <Create Pictures and Videos>.

3. Выбрав и закрепив в держателе 11 соответствующий светофильтр, установить сине-фиолетовую подсветку пятна контакта пластинки 6 с линзой 7. Зафиксировать ее длину волны в протоколе измерений.

4. Сфокусировать микроскоп, поднимая/опуская его тубус, на интерференционную картину ньютоновских колец (левое нижнее фото); после этого в течение всей лабораторной работы фокусировку не менять.

5. Контролируя изображение по экрану монитора, перемещением по лабораторному столу стойки 9 с источником света 1 и светофильтром 3, установить оптимальную подсветку (получить в интерференционной картине максимальное число колец). При необходимости, последовательно устанавливая курсор на клавиши <Settings>, <Camera Settings>, <Advanced camera settings> и нажимая левую кнопку мыши, отрегулировать чувствительность камеры движком шкалы <Gain>, после чего подтвердить выбор клавишей <OK> и закрыть окно клавишей <Close>.

6. Сохранить изображение, установив курсор на кнопку <Take a Picture> и нажав левую кнопку мыши*. Зафиксировать номер кадра в протоколе.

7. В программном пакете Photoshop, версии выше 5.5, [26] измерить радиус k–го (самого большого из четко видимых) темного кольца. Результат занести в протокол.

8. Пользуясь выражением , вычислить радиус R кривизны линзы. Результат занести в протокол измерений.

9. Выполнить операции п. 7 … п. 8 четыре раза для меньших k. Найти среднее значение R. Пользуясь статистикой по пяти результатом, оценить случайную погрешность измерения радиуса кривизны.

10. Заменив в держателе светофильтр, установить красную подсветку пятна контакта. Интерференционная картина ньютоновских колец изменится (правое нижнее фото). Опять, контролируя изображение по экрану монитора, перемещением по лабораторному столу стойки 9 с источником света 1 и светофильтром 3, установить оптимальную подсветку. При необходимости, последовательно устанавливая курсор на клавиши <Settings>, <Camera Settings>, <Advanced camera settings> и нажимая левую кнопку мыши, отрегулировать чувствительность камеры движком шкалы <Gain>, после чего подтвердить выбор клавишей <OK> и закрыть окно клавишей <Close>.

11. Проделать операции п. 6 … п. 7.

12. Вычислить длину волны подсветки, пользуясь выражением , где R – среднее значение радиуса кривизны, определенное в п. 9. Результат занести в протокол измерений.

13. Выполнить операции п. 7 и п. 12 четыре раза для других k. Найти среднее значение . Пользуясь статистикой по пяти результатам, оценить случайную погрешность измерения длины волны.

14. Выключить камеру, для чего закрыть окно <Logitech QuickCam>; выгрузить операционную систему и отключить питание компьютера.

15. 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 интерференции (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 номера кадров с интерференционной картиной в свете известной длины волны, с интерференционной картиной в свете неизвестной длины волны.

6. Распечатку кадра с интерференционной картиной в свете известной длины волны.

7. Таблицу с номерами максимумов и результатами измерения радиусов интерференционных колец в свете известной длины волны.

8. Подробные выкладки с результатами вычисления радиуса кривизны верхней сферической поверхности линзы, отражение от которой обеспечивает появление интерференционной картины.

9. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения радиуса кривизны.

10. Распечатку кадра с интерференционной картиной в свете неизвестной длины волны.

11. Таблицу с номерами максимумов и результатами измерения радиусов интерференционных колец в свете неизвестной длины волны.

12. Подробные выкладки с результатами вычисления длины волны света, в котором наблюдается интерференционная картина.

13. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения длины волны.

14. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения случайных погрешностей измерения:

– радиуса кривизны,

– длины волны.

Лабораторная работа № 7

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

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

Задача работы: экспериментально определить толщину зазора в эталоне Фабри-Перо.

Техника безопасности

- 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:

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования интерференции света иллюстрируются ее фотографией на рис. 7.

Рис. 7. Лабораторная установка для исследования интерференции света.

Здесь: 1 – излучатель полупроводникового лазера IMLIS-0,53/001 (мощность излучения » 5 мВт и диаметр пучка 2 мм), – см. Приложение C;

2 – источник питания полупроводникового лазера;

3 – диафрагма Ø 2,5 мм;

4 – эталон Фабри-Перо ИФП-1;

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

6 – микрометр МК на стойке;

7 – 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 60 с), д) четыре выключателя для селекции потребного спектрального диапазона, устанавливаемого преподавателем, – см. Приложение С;

8 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

9 – рельс.

Теория изучаемого явления

[1] на стр. 120…125, 128…131, 136…141 и 145…149; [2] на стр. 59…64 и 118…121; [3] на стр. 59…66 и 68…73.

Контрольные вопросы

1. Полосы равного наклона. Где они локализуются?

2. Разновидности многолучевых интерферометров (интерференционных схем). Классификация приборов, использующих многолучевую интерференцию.

3. Формулы Эйри.

4. Докажите аналитически закон сохранения энергии в эталоне Фабри-Перо.

5. Покажите аналитически, что повреждение покрытий эталона Фабри-Перо приводит к уширению интерференционных полос.

6. Покажите аналитически, что контраст интерференционной картины улучшается с ростом коэффициента отражения покрытий эталона Фабри-Перо.

7. Как зависит пропускание эталона Фабри-Перо от коэффициента поглощения его покрытий?

8. Если использовать эталон Фабри-Перо в качестве светофильтра, то как будет определяться угловая апертура последнего?

9. Просветление оптики.

10. Применение эталона Фабри-Перо в качестве лазерного резонатора. Что вы понимаете под поперечной модой лазерного пучка?

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. Соотнести отсчеты по лимбу гониометра 5 с показаниями микрометра 6. Зафиксировать это соотношение в протоколе измерений.

3. Методом автоколлимации установить эталон Фабри-Перо 4 строго по оси лазерного пучка.

4. Вращая микрометрическую головку, отклонить ось эталона от оси лазерного пучка на 4…5º по часовой стрелке.

5. Включить измеритель мощности излучения 7.

6. Выждав не менее 1 мин, снять показания измерителя мощности, результаты занести в протокол измерений.

7. Вращая микрометрическую головку, отклонить ось эталона на ≈0,1º против часовой стрелки. Полученное значение угла падения лазерного пучка на эталон занести в протокол.

8. Выждав не менее 1 мин, снять показания измерителя мощности, результаты занести в протокол.

9. Проделывать операции п. 7 … п. 8 до тех пор, пока угол падения лазерного пучка на эталон не возрастет до 4…5º (в направлении против часовой стрелки).

10. Пользуясь заданным преподавателем точным значением мощности излучения лазера, вычислить коэффициенты пропускания τ эталона при всех значениях угла падения на него лазерного пучка.

11. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости коэффициента пропускания от угла падения.

12. Аппроксимировать полученную кривую формулой Эйри, подобрав для нее наиболее подходящее значение толщины h зазора в эталоне Фабри-Перо.

13. Оценить систематическую погрешность косвенного измерения толщины зазора, исходя из дискретности значений τ на экспериментальной кривой.

14. Выключить измеритель мощности излучения.

15. Выключить лазер.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать следующие материалы:

1. Титульный лист (см. Приложение А).

2. Цель и задачу работы.

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 пропускаемого эталоном Фабри-Перо света и углов отклонения эталона от оптической оси,

– экспериментальный график зависимости коэффициента пропускания от угла отклонения.

6. Теоретические кривую зависимости коэффициента пропускания от угла наклона (можно на графике п. 5).

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

8. Подробные выкладки с результатами вычисления толщины зазора в эталоне Фабри-Перо.

9. Подробные выкладки с результатами оценки систематической погрешности косвенного измерения толщины зазора.

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

– рассогласования экспериментальной и теоретической кривых,

– возникновения систематической погрешности косвенного измерения толщины зазора.

Лабораторная работа № 8

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Цель работы: изучение закономерностей дифракции монохроматического света на щели и дифракционной решетке.

Задача работы: экспериментально определить длину волны лазерного излучения и порядок дифракционной решетки.

Техника безопасности

- сетевое переменное напряжение (220 В, 50 Гц);

- импульсное напряжение питания излучателя лазера (при запуске до 12 000 В);

- повышенный уровень яркости излучателя;

- значительная масса отдельных составных частей лабораторной установки.

Отсюда вытекают следующие требования техники безопасности при выполнении лабораторной работы:

- запрещается прикасаться к источнику питания и проводам лазера, как включенного, так и в течение первых 10 минут после выключения;

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования дифракции света иллюстрируются ее фотографией на рис. 8.

Рис. 8. Лабораторная установка для исследования дифракции света.

Наблюдение дифракции на щели. Наблюдение дифракции на решетке.

Здесь: 1 – излучатель газового лазера ЛГН-207 / ЛГН-208 (мощность излучения 1 мВт и диаметр пучка мм), – см. Приложение C;

2 – вертикально расположенная регулируемая от 0 до 4 мм щель с отсчетным устройством (цена деления шкалы барабана 0,01 мм);

3 – дифракционная решетка 20 20 мм с вертикальным расположением штрихов для работы в проходящем свете;

4 – двусторонний экран с визиром, отсчетным устройством перемещения экрана на мм (цена деления шкалы часового индикатора 0,1 мм) на одной стороне и 300 мм линейкой (цена деления шкалы 1 мм) на другой стороне;

5 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

6 – рельс с линейкой (цена деления 1 мм) во всю длину.

Импульсный источник питания газового лазера ЛГН-207 / ЛГН-208 на фотографии не показан.

Теория изучаемого явления

[2] на стр. 99…117.

Контрольные вопросы

1. Случай дифракции Фраунгофера.

2. Может ли дифракция Фраунгофера наблюдаться без использования линзы?

3. Можно ли на одной и той же щели наблюдать и френелеву, и фраунгоферову дифракционные картины?

4. Зависимость распределения освещенности в картине фраунгоферовой дифракции от ширины щели.

5. Как влияет на картину фраунгоферовой дифракции размер источника света?

6. Дифракционная решетка: устройство и принцип действия.

7. Уравнение дифракционной решетки.

8. Что такое постоянная решетки? Как влияет значение этой постоянной на дифракционную картину?

9. Что такое порядок дифракционного спектра?

10. Разновидности дифракционных решеток.

Порядок выполнения работы

2. Установить ширину щели 2 такой, чтобы на экране была четко видна картина дифракции с не менее чем 10 максимумами по каждую сторону от нулевого (левое нижнее фото). Снять отсчет ширины щели. Результат занести в протокол измерений.

3. Измерить расстояния:

- по рельсу от щели 2 до экрана 4,

- по экрану от нулевого до некоторого k-го максимума.

Результаты занести в протокол измерений.

4. По данным п. 3 вычислить синус угла между нулевым и k-м максимумами. Результат занести в протокол измерений.

5. Пользуясь выражением , найти длину волны лазерного излучения. Результат занести в протокол измерений.

6. Выполнить операции п. 3 … п. 5 четыре раза для других k. Найти среднее значение . Пользуясь статистикой по пяти результатам, оценить случайную погрешность измерения длины волны.

7. Раскрыв щель 2, установить в пучок дифракционную решетку 3 (правое нижнее фото).

8. Измерить расстояния:

- по рельсу от решетки 3 до экрана 4,

- по экрану от нулевого до некоторого k-го максимума.

Результаты занести в протокол измерений.

9. По данным п. 8 вычислить синус угла между нулевым и k-м максимумами. Результат занести в протокол измерений.

10. Найти постоянную решетки b, пользуясь выражением , где – среднее значение длины, определенное в п. 6. Результат занести в протокол измерений.

11. Выполнить операции п. 8 … п. 10 четыре раза для других k. Найти среднее значение b. Пользуясь статистикой по пяти результатам, оценить случайную погрешность измерения постоянной решетки.

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 дифракции (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:

– отсчеты и результаты измерения ширины щели и расстояния от щели до экрана,

– таблицу с номерами максимумов, отсчетами и результатами измерения расстояний между дифракционными максимумами, результатами вычисления синусов углов между дифракционными максимумами при еще неизвестной длине волны излучения,

– отсчеты и результаты измерения расстояния от дифракционной решетки до экрана,

– таблицу с номерами максимумов, отсчетами и результатами измерения расстояний между дифракционными максимумами, результатами вычисления синусов углов между дифракционными максимумами при уже известной длине волны излучения.

6. Подробные выкладки с результатами вычисления длины волны излучения используемого лазера.

7. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения длины волны.

8. Подробные выкладки с результатами вычисления постоянной используемой решетки.

9. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения постоянной решетки.

10. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения случайных погрешностей измерения:

– длины волны,

– постоянной решетки.

Лабораторная работа № 9

ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Цель работы: изучение закономерностей дифракции монохроматического света на круглом отверстии.

Задача работы: экспериментально определить диаметр точечной диафрагмы.

Техника безопасности

- 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:

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования дифракции света иллюстрируются ее фотографией на рис. 9.

Рис. 9. Лабораторная установка для исследования дифракции света.

Картина со светлым пятном (Пуассона). Картина с темным пятном.

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 HLDPM10-650-3;

3 – ослабитель (нейтральный светофильтр 50^×) в резьбовой оправе;

4 – конденсор (стеклянная линза диаметром 36 мм и фокусным расстоянием 55 мм) в резьбовой оправе;

5 – точечная диафрагма (pinhole) в резьбовой оправе;

6 – микроскоп МИР-2У4.2 для наблюдения дифракционной картины, в том числе а) штатный монокулярный тубус, б) окуляр 10^×, в) объектив 20^×, – см. Приложение C;

7 – измеритель (цена деления табло 0,01 мм) малых перемещений микроскопа вдоль рельса;

8 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

9 – рельс с линейкой (цена деления 1 мм) во всю длину;

10 – цифровая камера Logitech QuickCam Express (разрешение 640´480 pxl);

11 – держатель с юстировочными приспособлениями;

12 – компьютер PENTIUM-300 MMX.

Теория изучаемого явления

[1] на стр. 155…158 и 165…166; [2] на стр. 80…99 и 632.

Контрольные вопросы

1. Явление дифракции.

2. Принцип Гюйгенса.

3. Случай дифракции Френеля.

4. Метод зон Френеля.

5. Графическое сложение амплитуд. Спираль Корню.

6. Может ли дифракция Френеля наблюдаться без использования линзы?

7. Зависимость распределения освещенности в картине френелевой дифракции от диаметра отверстия.

8. Как влияет на картину френелевой дифракции размер источника света?

9. Подобие в дифракции. Теорема Бабине.

10. Понятие о зонной пластинке и её формула (в отрезках).

Порядок выполнения работы

3. Контролируя изображение по экрану монитора, отодвинуть микроскоп 6 от точечной диафрагмы 5 на такое расстояние, чтобы получить в центре френелевой дифракционной картины темное пятно, окаймленное единственным светлым кольцом. Сохранить изображение, установив курсор на кнопку <Take a Picture> и нажав левую кнопку мыши*. Зафиксировать номер кадра. Снять отсчет по линейке. Результаты занести в протокол измерений.

4. Придвинуть микроскоп к точечной диафрагме на такое расстояние, чтобы получить в центре дифракционной картины светлое пятно, окаймленное темным кольцом. Сохранить изображение, установив курсор на кнопку <Take a Picture> и нажав левую кнопку мыши. Зафиксировать номер кадра. Снять отсчет по линейке. Результаты занести в протокол измерений.

5. Придвинуть микроскоп к точечной диафрагме на такое расстояние, чтобы получить в центре картины темное пятно, окаймленное светлым кольцом. Сохранить изображение, установив курсор на кнопку <Take a Picture> и нажав левую кнопку мыши. Зафиксировать номер кадра. Снять отсчет по линейке. Результаты занести в протокол измерений.

6. Повторять п. 4 … п. 5, пока доступен визуальный контроль картины по экрану монитора. При этом, по мере приближения микроскопа к точечной диафрагме, появится возможность перейти от довольно грубого перемещения рейтера по рельсу к более плавному перемещению рейтера микровинтом и от довольно приближенных отсчетов по линейке на рельсе к более точным отсчетам по цифровому табло измерителя малых перемещений.

7. Последний отсчет по цифровому табло измерителя малых перемещений снять при фокусировке микроскопа на края точечной диафрагмы. Последовательно вычитая этот отсчет из отсчетов, зафиксированных в п. 3 … п. 6, получить ряд значений удаления фокуса микроскопа от точечной диафрагмы.

8. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости N(h) номера экстремума в центре дифракционной картины от расстояния между наблюдаемым в фокусе микроскопа сечением и точечной диафрагмой. При этом минимум, наблюдавшийся в центре дифракционной картины (п. 3) будет нумероваться N=2, максимум (п. 4) – N=3, минимум (п. 5) – N=4, и т.д.

9. Узнав у преподавателя длину волны лазерного излучения и радиус кривизны R волнового фронта, формируемого конденсором 4, аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией, подобрав для нее наиболее подходящее значение диаметра точечной диафрагмы. Результаты занести в протокол измерений.

10. Выключить камеру, для чего закрыть окно <Logitech QuickCam>; выгрузить операционную систему и отключить питание компьютера.

11. 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 дифракции (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 экстремумов, отсчетами и результатами измерений удалений фокуса микроскопа от точечной диафрагмы.

6. Распечатки последовательно скомпонованных кадров с изображениями дифракционных картин.

7. Подробные выкладки с результатами вычисления диаметра точечной диафрагмы.

8. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения диаметра.

9. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения случайных погрешностей измерения диаметра точечной диафрагмы

Лабораторная работа № 10

РАСПРОСТРАНЕНИЕ СВЕТА

Цель работы: изучение закономерностей распространения некогерентного света в однородной прозрачной среде.

Задача работы: экспериментально определить угловую апертуру измерителя мощности 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:

- 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 распространения света иллюстрируются ее фотографией на рис. 10.

Рис. 10. Лабораторная установка для исследования распространения света.

Здесь: 1 – протяженный источник света (горизонтально расположенная галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе с отражателем и выходным окном 70´110 мм, питающаяся переменным напряжением 220 В);

2 – рассеиватель (матовое стекло в экране с окном 20´70 мм);

3 – 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 1с), д) четыре выключателя для селекции потребного спектрального диапазона, устанавливаемого преподавателем, – см. Приложение С;

4 – стойка для измерителя мощности оптического излучения с устройствами его подъема, наклона (0…90°), фиксации и отсчета;

5 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

6 – рельс с линейкой (цена деления 1 мм) во всю длину.

Теория изучаемого явления

[2] на стр. 250…255, 268…269, 351 и 374; [3] на стр. 33…34.

Контрольные вопросы

1. Предмет и метод геометрической оптики.

2. Распространение света в однородной среде. Параметры и характеристики светового пучка.

3. Закон первой степени косинуса.

4. Закон Кеплера.

5. Закон четвертой степени косинуса.

6. Определите линейную, угловую и числовую апертуру применительно к измерителю мощности излучения.

7. На каких положениях геометрической оптики базируется астрономический парадокс Ольберса: «Если бы звезды в масштабах вселенной были распределены равномерно, то небо ночью выглядело бы для нас сплошь светящимся».

8. В каком случае Солнце можно полагать точечным источником света, а в каком – протяженным?

9. Чем отличаются понятия светимости, интенсивности и освещенности?

10. Покажите аналитически, как надо изменить динамический диапазон используемого в работе измерителя мощности излучения, если измерения проводить на базе (от прожектора до экрана), вдвое, втрое, … большей?

Порядок выполнения работы

1. Включить источник света 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.

2. Включить измеритель мощности излучения 3.

3. Установить стойку 4 с измерителем на минимальном расстоянии от источника света, поставить измеритель в горизонтальное положение точно напротив окна в рассеивателе 2 и зафиксировать стопорным винтом на задней стенке устройства наклона. Снять значение мощности излучения на входном окне измерителя. Результаты занести в протокол измерений.

4. Отодвинуть измеритель мощности на 10 мм от источника и снова снять показания. Результаты занести в протокол.

5. Повторять п. 4 до тех пор, пока не будет измерена засветка с максимального расстояния от источника света.

6. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости мощности засветки от удаления источника света.

7. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

8. Найти отклонения экспериментальных данных от аппроксимирующей кривой. Пользуясь статистикой по выбранным преподавателем девяти результатам, оценить погрешность косвенного измерения мощности излучения с использованием формулы, найденной в п. 7 (недостающие данные также получить у преподавателя).

9. Установить стойку с измерителем на согласованном с преподавателем расстоянии от источника света. Снять значения мощности излучения на входном окне измерителя и угла его наклона к оптической оси. Результаты занести в протокол.

10. Выкрутить фиксирующий стопорный винт и, наклоняя измеритель, поставить его под углом к оптической оси, на 5° большим. Снять показания и результаты занести в протокол.

11. Повторять п. 10 до тех пор, пока угол наклона не превысит 90°.

12. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости мощности засветки от угла наклона измерителя к оптической оси.

13. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

14. Проанализировав ход кривой, найти угловую апертуру встроенного в измеритель приемника излучения (по уровню мощности, указанному преподавателем).

15. Снова поставить измеритель в горизонтальное положение точно напротив окна в рассеивателе и зафиксировать стопорным винтом на задней стенке устройства наклона. Снять значения мощности излучения на входном окне измерителя и его смещения относительно оптической оси. Результаты занести в протокол.

16. Опуская измеритель, поставить его на 5 мм ниже оптической оси. Снять показания и результаты занести в протокол.

17. Повторять п. 16 до тех пор, пока такое смещение ещё возможно.

18. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости мощности засветки от вертикального угла, образуемого направлением света, падающего на входное окно измерителя, с горизонталью (угла смещения).

19. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

20. Выключить измеритель мощности излучения.

21. 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 распространения света (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 излучения на каждом удалении измерителя от источника света,

– таблицу с результатами измерения мощности излучения при каждом угле наклона измерителя к оптической оси,

– таблицу с результатами измерения мощности излучения при каждом угле смещения измерителя относительно оптической оси,

– экспериментальный график зависимости мощности засветки от удаления измерителя,

– экспериментальный график зависимости мощности засветки от угла наклона,

– экспериментальный график зависимости мощности засветки от угла смещения.

6. Теоретические кривые:

– зависимости мощности засветки от удаления измерителя (можно на первом графике п. 5),

– зависимости мощности засветки от угла наклона (можно на втором графике п. 5),

– зависимости мощности засветки от угла смещения (можно на третьем графике п. 5).

7. Формулы аппроксимирующих функций и выкладки, к этим формулам приводящие.

8. Подробные выкладки с результатами вычисления угловой апертуры приемника.

9. Подробные выкладки с результатами оценки инструментальной погрешности определения угловой апертуры.

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

– рассогласования экспериментальных и теоретических кривых;

– возникновения погрешности измерения угловой апертуры.

Лабораторная работа № 11

ВОСПРИЯТИЕ СВЕТА

Цель работы: изучение спектральных закономерностей восприятия света человеком.

Задача работы: экспериментально определить механический эквивалент света.

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:

- 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 восприятия света иллюстрируются ее фотографией на рис. 11.

Рис. 11. Лабораторная установка для исследования восприятия света.

Здесь: 1 – протяженный источник света (вертикально расположенная галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе с отражателем и выходным окном 110´150 мм, питающаяся переменным напряжением 220 В);

2 – объектив (стеклянная линза диаметром 110 мм и фокусным расстоянием 100 мм);

3 – монохроматор УМ-2, в том числе а) вертикально расположенная регулируемая от 0 до 4 мм входная щель с отсчетным устройством (цена деления шкалы барабана 0,01 мм), б) входная (коллиматорная) труба, в) призменный стол под кожухом, г) барабан с устройством отсчета (0 … 3500 отн. ед.) угла поворота призменного стола либо длины волны монохроматического излучения, д) вертикально расположенная регулируемая от 0 до 4 мм выходная щель с отсчетным устройством (цена деления шкалы барабана 0,01 мм), е) выходная труба, – см. Приложение С;

4 – измеритель мощности оптического излучения ИМО-4с, в том числе а) приемная головка со входным окном диаметром 10 мм, б) измерительный блок, в) отсчетная шкала, г) семь клавиш для селекции потребного динамического диапазона, д) переключатель рода работ, е) выключатель питания типа тумблер, ж) регулятор установки нуля, з) регулятор калибровки;

5 – люксметр Ю-116, в том числе а) приемная головка со входным окном диаметром 50 мм, б) измерительный блок, в) отсчетная шкала, г) две клавиши для селекции потребного динамического диапазона;

6 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

7 – рельсы.

Светозащитный рукав снят, вентилятор для охлаждения источника света на фотографии не показан.

Теория изучаемого явления

[2] на стр. 247…250 и 258…268; [3] на стр. 28…33.

Контрольные вопросы

1. Что такое кривая видности? Как объясняется тот факт, что их две штуки?

2. Если человек видит красный, желтый и зеленый фонари светофора равнояркими, то как на самом деле соотносятся их излучательные способности?

3. Механический эквивалент света.

4. Световые и энергетические фотометрические величины. Их соотношение.

5. Интегральные и спектральные параметры излучения. В чем различие?

6. Для какого спектрального диапазона определена сила света?

7. Два однотипных светодиода излучают на одной и той же длине волны 1 млм и 1 мВт. Какой из них потребляет большую мощность?

8. Принцип визуальной фотометрии.

9. В чем разница между радиометром, фотометром, колориметром и спектрометром?

10. Основные требования к ослабителям (аттенюаторам) в фотометрии.

Порядок выполнения работы

1. Пользуясь справочными данными (см. Приложение D) построить график зависимости чувствительности человеческого глаза от длины волны излучения – photopic кривую.

2. Включить источник света 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.

3. Установить по согласованию с преподавателем ширину выходной щели монохроматора 3. Приняв высоту выходной щели равной 16 мм, вычислить ее площадь. Занести эти значения в протокол измерений.

4. Установить за выходной щелью монохроматора приемную головку измерителя мощности излучения 4.

5. Включить, прогреть и откалибровать измеритель мощности излучения (в соответствии с его техническим описанием и инструкцией по эксплуатации), после чего установить переключателем на передней панели его измерительного блока предел 0,003 Вт. Регулировкой нуля установить по шкале показания «0».

6. Вращая барабан монохроматора из положения 1500° в положение 3500°, снять через 50° зависимость мощности излучения от его длины волны, результаты занести в протокол измерений.

7. Исправить при необходимости полученную зависимость, вычитая фоновые показания. Пронормировать исправленный спектр мощности, приняв максимальный отсчет за единицу. Результаты занести в протокол.

8. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую нормированного спектра мощности излучения.

9. Установить переключатель рода работ в положение «арретир» и тумблером на измерительном блоке выключить измеритель мощности излучения.

10. Установить вместо приемной головки измерителя мощности приемную головку люксметра 5 (без насадок), после чего установить переключателем на верхней панели его измерительного блока самый чувствительный предел.

11. В зависимости от площади выходной щели монохроматора (п. 3) найти по градуировочному графику коэффициент M, корректирующий показания люксметра при частичном заполнении измеряемым светом его приемной апертуры.

12. Вращая барабан монохроматора из положения 1500° в положение 3500°, снять через 50° зависимость освещенности приемной апертуры люксметра от длины волны засветки, результаты занести в протокол.

13. Исправить при необходимости полученную зависимость, вычитая фоновые показания. Скорректировать исправленный спектр освещенности, умножив все его ординаты на коэффициент M. Результаты занести в протокол.

14. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую скорректированного спектра освещенности.

15. Нормируя спектр освещенности (п. 14) на спектр мощности излучения (п. 8), посчитать спектр чувствительности человеческого глаза.

16. Построить в программном пакете Harvard Graphics экспериментальную кривую спектральной чувствительности человеческого глаза.

17. Исходя из значений освещенности и мощности излучения в максимуме кривой, определить механический эквивалент света.

18. 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 восприятия света (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:

– отсчеты и результаты измерения площади выходной щели монохроматора,

– таблицу с результатами измерения мощности излучения и освещенности на каждой длине волны,

– экспериментальный график кривой спектра мощности излучения,

– экспериментальный график кривой спектра освещенности.

6. Экспериментальный график кривой спектральной чувствительности человеческого глаза.

7. Справочный график зависимости чувствительности человеческого глаза от длины волны (можно на графике п. 6).

8. Подробные выкладки с результатами определения механического эквивалента света.

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

– рассогласования экспериментальной и справочной кривых;

– отличия найденного значения механического эквивалента света от приводимого в учебной литературе [1, 2, 3].

Лабораторная работа № 12

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА

Цель работы: изучение энергетических закономерностей взаимодействия света с нелинейной конденсированной средой.

Задача работы: экспериментально определить контраст фотохромного стекла и границы нелинейного режима его поглощения.

Техника безопасности

- сетевое переменное напряжение (220 В, 50 Гц);

- повышенный уровень яркости источника света;

- значительная масса отдельных составных частей лабораторной установки.

Отсюда вытекают следующие требования техники безопасности при выполнении лабораторной работы:

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования нелинейного взаимодействия света иллюстрируются ее фотографией на рис. 12.

Рис. 12. Лабораторная установка для исследования взаимодействия света.

Здесь: 1 – точечный источник света (полупроводниковый светодиод в пластмассовом кожухе с отражателем и выходным окном диаметром 27 мм, питающийся постоянным напряжением 0…4,5 В);

2 – регулятор яркости (многооборотный резистор) и стабилизатор напряжения питания источника света;

3 – источник питания полупроводникового светодиода (понижающий трансформатор с выпрямителем и движковым выключателем);

4 – двухлинзовый конденсор диаметром 60 и фокусным расстоянием 50 мм;

5 – исследуемое фотохромное стекло;

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 динамического диапазона, устанавливаемого по рекомендации преподавателя, – см. Приложение С;

7 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

8 – рельс.

Теория изучаемого явления

[2] на стр. 489…490; [3] на стр. 30, 57…58 и 122; [25] на стр. 27…28, [29] в §3.3.

Контрольные вопросы

1. Формализуйте различие между линейно- и нелинейнооптическими явлениями.

2. Механизмы отклонения от линейного закона поглощения.

3. Явление фотохромизма (феноменология).

4. Физические основы фотохромизма (основы физики фотографического процесса).

5. Параметры и характеристики фотохромных стекол.

6. Почему утилитарны фотохромные стекла только малой толщины?

7. Поглощение света в любом фотоматериале обусловлено микровключениями металлического серебра. Как соотносятся размеры этих микровключений у фотобумаг и фотохромных стекол?

8. Фотохромное стекло сильнее потемнеет от засветки накальной или люминесцентной лампой равной мощности?

9. Как определить светочувствительность применительно к фотохромному стеклу?

10. Практическое использование эффектов нелинейного поглощения.

Порядок выполнения работы

1. Установить в юстировочное приспособление фотохромное стекло, выданное преподавателем.

2. Включить измеритель мощности излучения 6.

3. Включить источник света 1. Отрегулировать источник света на максимум яркости.

4. Под наблюдением преподавателя 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.

5. Отрегулировать источник света на минимум яркости. Выключить источник света.

6. Установить рейтер с фотохромным стеклом 5 на рельс 8 непосредственно перед измерителем мощности.

7. Включить источник света и сразу же снять показания с цифрового табло измерителя мощности. Результат занести в протокол измерений.

8. Выждав ровно 2 мин, снова снять показания измерителя мощности. Результат занести в протокол измерений.

9. Убрав с рельса рейтер с фотохромным стеклом, еще раз снять показания измерителя. Результат занести в протокол измерений.

10. Установить мощность засветки, на 20% большую, и сразу же выключить источник света.

11. Установить рейтер с фотохромным стеклом обратно и выждать 18 мин.

12. Проделывать операции п. 7 … п. 11 до тех пор, пока не будет достигнут максимум яркости источника света.

13. Выключить измеритель мощности излучения.

14. Вычислить значения коэффициентов поглощения (до и после облучения) при каждой мощности засветки.

15. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости коэффициента поглощения фотохромного стекла (после облучения) от мощности засветки.

16. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

17. Проанализировав ход кривой, найти границы нелинейного режима поглощения света фотохромным стеклом.

18. Достроить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости коэффициента поглощения фотохромного стекла (до облучения) от мощности засветки – на графике п. 15.

19. Распространить минимальное значение коэффициента поглощения фотохромного стекла (до облучения) на все мощности засветки, для чего добавить на график п. 15 соответствующую прямую.

20. Применительно к области насыщения поглощения вычислить контраст фотохромного стекла как отношение его коэффициентов поглощения (после и до облучения).

21. На той же мощности засветки оценить погрешность косвенного измерения контраста, исходя из понятия о погрешности коэффициента поглощения фотохромного стекла как разности его значений – текущего и минимального.

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 нелинейного взаимодействия (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 засветки и пропускания фотохромного стекла (до и после облучения),

– экспериментальный график зависимости коэффициентов поглощения фотохромного стекла от мощности засветки.

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

7. Теоретическую кривую зависимости поглощения фотохромного стекла от мощности засветки (можно на графике п. 5) с указанием границ нелинейного режима.

8. Подробные выкладки с результатами вычисления контраста фотохромного стекла.

9. Подробные выкладки с результатами оценки погрешности косвенного измерения контраста.

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

– рассогласования экспериментальной и теоретической кривых,

– возникновения погрешности косвенного измерения контраста фотохромного стекла.

Лабораторная работа № 13

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВЕТА

Цель работы: изучение частотных закономерностей взаимодействия света с движущейся средой.

Задача работы: экспериментально определить амплитуду вибрации объекта.

Техника безопасности

- 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:

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования неупругого взаимодействия света иллюстрируются ее фотографией на рис. 13.

Рис. 13. Лабораторная установка для исследования взаимодействия света.

Сигнал при вращении светорассеивателя Сигнал при вибрации светорассеивателя

Здесь: 1 – излучатель газового лазера ЛГН-214 (мощность излучения » 1 мВт и диаметр пучка » 1 мм), – см. Приложение C;

2 – источник питания газового лазера;

3 – светоделительная склейка 13´11´14 мм, отклоняющая часть лазерного пучка на 90° влево;

4 – поворотная призма, отклоняющая оставшуюся часть лазерного пучка на 90° влево;

5 – объектив (стеклянная линза диаметром 110 и фокусным расстоянием 400 мм);

6 – конденсор (стеклянная линза диаметром 80 мм);

7 – фотоприемное устройство;

8 – блок фильтрации верхних частот;

9 – контрольный осциллограф С1-65А;

10 – компьютер PENTIUM-100 со встроенной платой АЦП;

11 – электродвигатель с круглым (цилиндр Ø10 мм) светорассеивателем;

12 – вибростол B&K4810 с плоским (пластина 15×15 мм) светорассеивателем;

13 – генератор Г3-112 для питания вибростола;

14 – частотомер Ч3-34А для контроля частоты вибрации;

15 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

16 – рельсы.

Анализатор спектра С4-25, блок питания электродвигателя и тахометр для контроля частоты его вращения на фото не показаны.

Теория изучаемого явления

[1] на стр. 432…440; [22] на стр. 126…142 и 169…182; [23] на стр. 320…321.

Контрольные вопросы

1. Эффект Доплера.

2. Доплеровская схема с опорным пучком.

3. Дифференциальная доплеровская схема.

4. Что такое вектор чувствительности для случая дифференциальной схемы?

5. Структура сигнала фотоприемника.

6. Как связаны фаза и мгновенная частота доплеровского сигнала?

7. Как связаны скорость движения объекта и частота доплеровского сигнала для случая дифференциальной схемы?

8. Как связаны амплитуда вибрации и ее частота с длительностью выборки и зарегистрированным числом импульсов доплеровского сигнала?

9. Физический смысл и математическое выражение калибровочного числа для случая дифференциальной схемы.

10. Стохастический доплеровский сигнал. Понятие о спеклах.

Порядок выполнения работы

1. Под наблюдением преподавателя включить лазер 1 и провести юстировку оптической схемы по уровню сигнала на контрольном осциллографе 9 (см. левое фото). 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 электродвигатель 11 и установить параметры его питания по указанию преподавателя. Измерить частоту вращения светорассеивателя с помощью тахометра и вычислить скорость V движения его поверхности. Результаты занести в протокол измерений.

3. Измерить, используя дифференциальную доплеровскую схему со спектральным анализом, частоту f доплеровского сигнала. Результат занести в протокол измерений.

4. Пользуясь выражением , найти калибровочное число дифференциальной доплеровской схемы. Результат занести в протокол измерений.

5. Выключить электродвигатель.

6. Под наблюдением преподавателя заменить электродвигатель с круглым светорассеивателем на вибростол 12 с плоским светорассеивателем. Включить питающий вибростол генератор 13 с контрольным частотомером 14 и установить параметры питания по указанию преподавателя. Зафиксировать в протоколе измерений значение частоты вибрации. Провести с помощью преподавателя юстировку оптической схемы по уровню сигнала на контрольном осциллографе (см. правое фото).

7. Включить компьютер 10 и запустить АЦП. Интерфейс соответствующей программы приведен в Приложении F.

8. Переключив разъем СР-50 со входа анализатора спектра на вход платы АЦП, перейти от спектрального анализа доплеровского сигнала к его цифровой обработке.

9. Контролируя отклик фотоприемника по экрану монитора, записать доплеровский сигнал (выборка не короче полупериода вибрации)*. Измерить, используя дифференциальную доплеровскую схему с временным анализом, число j импульсов доплеровского сигнала за полупериод вибрации.

10. Пользуясь выражением , вычислить амплитуду вибрации. Результат занести в протокол измерений.

11. Выполнить операции п. 9 … п. 10 девять раз. Найти среднее значение x₀. Пользуясь статистикой по десяти результатам, оценить случайную погрешность измерения амплитуды вибрации.

12. Разгрузить и выключить компьютер.

13. Выключить осциллограф, анализатор спектра, генератор, частотомер и источник питания лазера.

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 неупругого взаимодействия (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:

– результаты измерения частоты вращения светорассеивателя и соответствующей частоты доплеровского сигнала,

– заданное значение частоты вибрации и результаты подсчета числа импульсов за полупериод вибрации.

6. Распечатку оцифрованного доплеровского сигнала.

7. Формулу аппроксимирующей функции и выкладки к этой формуле приводящие.

8. Теоретическую кривую временной развертки доплеровского сигнала (можно на графиках п. 6).

9. Подробные выкладки с результатами вычисления амплитуды вибрации.

10. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения амплитуды вибрации.

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

– рассогласования экспериментальной и теоретической кривых,

– возникновения случайной погрешности измерения амплитуды вибрации.

Лабораторная работа № 14

ТОНКАЯ ЛИНЗА

Цель работы: изучение закономерностей построения изображения с помощью тонкой линзы.

Задача работы: экспериментально определить фокусное расстояние и продольную хроматическую аберрацию тонкой линзы.

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:

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования работы тонкой линзы иллюстрируются ее фотографией на рис. 14.

Рис. 14. Лабораторная установка для исследования тонкой линзы.

Увеличенное Уменьшенное Нормальное

изображение. изображение. изображение.

Здесь: 1 – протяженный источник света (горизонтально расположенная галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе с отражателем и выходным окном 110 70 мм, питающаяся переменным напряжением 220 В);

2 – сменный светофильтр 80 мм;

3 – исследуемая тонкая линза, исправленная на сферическую аберрацию;

4 – экран;

5 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

6 – рельс с линейкой (цена деления 1 мм) во всю длину.

Ящик с набором сменных светофильтров на фотографии не показан.

Теория изучаемого явления

[2] на стр. 308…330 и 337…346.

Контрольные вопросы

1. Типы и виды линз. Параметры линзы.

2. Как и насколько изменится фокусное расстояние линзы из стекла с показателем преломления , если одну из ее сферических поверхностей погрузить в жидкость с показателем преломления ?

3. Правило знаков в геометрической оптике.

4. Понятие тонкой линзы и её формула (в отрезках).

5. Увеличение тонкой линзы. Инвариант Лагранжа-Гельмгольца.

6. Изображение, даваемое тонкой линзой. Формула Ньютона.

7. Как зависит фокусное расстояние тонкой линзы от ее геометрии и показателя преломления ее материала?

8. Оптическая сила тонкой линзы. Определение диоптрии.

9. Явление хроматической аберрации. Продольная и поперечная хроматическая аберрация.

10. Иные виды аберраций.

Порядок выполнения работы

2. Вынуть из ящика красный светофильтр 2 (λ=640…760 нм) и установить его в держатель между источником света 1 и исследуемой линзой 3.

3. Установить линзу 3 так, чтобы на экране 4 было чётко видно увеличенное изображение нити накала в лампе источника.

4. Измерить расстояния:

- от лампы до линзы ;

- от линзы до экрана .

Результаты занести в протокол измерений.

5. Вычислить фокусное расстояние f линзы, используя для этого выражение . Результат занести в протокол измерений.

6. Установить линзу так, чтобы на экране было чётко видно уменьшенное изображение нити накала в лампе. Повторить операции п. 4 … п. 5.

7. Установить линзу и экран так, чтобы на экране было чётко видно изображение нити накала по возможности натуральных размеров. Повторить операции п. 4 … п. 5.

8. Дважды последовательно проделать операции п. 3 … п. 7.

9. Найти среднее значение f . Пользуясь статистикой по девяти результатам, оценить случайную погрешность определения фокусного расстояния линзы.

10. Заменить красный светофильтр оранжевым (λ=595…640 нм) и повторить операции п. 3 … п. 9.

11. Провести такие же процедуры (п. 10) с жёлтым (λ=555…595 нм) светофильтром, с зелёным (λ=520…555 нм), с голубым (λ=485…520 нм), с синим (λ=440…485 нм), с фиолетовым (λ=380…440 нм).

12. Построить в программном пакете Harvard Graphics аберрационную кривую f(λ) зависимости фокусного расстояния линзы от длины волны засветки. Эффективную длину волны пропускания каждого светофильтра можно узнать у преподавателя.

13. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

14. Найти продольную хроматическую аберрацию линзы, как разность ее фокусных расстояний на длинах волн и .

15. Убрать фиолетовый светофильтр в ящик. 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 тонкой линзы (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 c эффективными длинами волн пропускания каждого светофильтра, отсчетами и результатами измерения фокусных расстояний исследуемой линзы на каждой длине волны,

– экспериментальный график зависимости фокусного расстояния тонкой линзы от длины волны засветки – аберрационную кривую, включая точки и .

6. Подробные выкладки с результатами вычисления фокусных расстояний тонкой линзы на каждой длине волны.

7. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения каждого фокусного расстояния.

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

9. Подробные выкладки с результатами определения продольной хроматической аберрации тонкой линзы.

– фокусных расстояний,

– продольной хроматической аберрации.

Лабораторная работа № 15

СФЕРИЧЕСКОЕ ЗЕРКАЛО

Цель работы: изучение закономерностей построения изображений с помощью сферического зеркала.

Задача работы: экспериментально определить фокусное расстояние и поперечную сферическую аберрацию зеркала.

Техника безопасности

- 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:

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования работы сферического зеркала иллюстрируются ее фотографией на рис. 15.

Рис. 15. Лабораторная установка для исследования сферического зеркала.

2 – источник питания полупроводникового лазера;

3 – отсчетное устройство смещения излучателя (цена деления шкалы часового индикатора 0,1 мм);

4 – сферическое зеркало диаметром 60 мм;

5 – экран, перемещающийся в меридиональной плоскости зеркала, с точечным фотодиодом в качестве визира;

6 – измеритель фотоотклика Mastech M-837;

7 – измеритель перемещения экрана (1 мм с нониусом);

8 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

9 – рельс.

Теория изучаемого явления

[2] на стр. 305…316 и 337…343; [3] на стр. 152…154; [21] на стр. 397…409.

Контрольные вопросы

1. Типы и виды зеркал. Параметры зеркала.

2. Правило знаков в геометрической оптике.

3. Понятие сферического зеркала и его формула (в отрезках).

4. Увеличение сферического зеркала. Инвариант Лагранжа-Гельмгольца.

5. Изображение, даваемое сферическим зеркалом. Формула Ньютона.

6. Как зависит фокусное расстояние сферического зеркала от его геометрии?

7. Оптическая сила сферического зеркала. Чему равна оптическая сила системы из плосковыпуклой линзы, вложенной в вогнутое зеркало того же радиуса кривизны?

8. Покажите аналитически, что сферическое зеркало не обладает хроматической аберрацией.

9. Явление сферической аберрации. Каустика. Понятие параксиальной области.

10. Иные виды аберраций.

Порядок выполнения работы

2. Включить измеритель 6 фотоотклика.

3. Установить излучатель так, чтобы лазерный луч шел параллельно оптической оси сферического зеркала 4 в пяти миллиметрах от нее – смещение луча контролировать по отсчетному устройству 3. Зафиксировать это значение в протоколе измерений.

4. Перемещая экран 5 вдоль оптической оси зеркала, добиться максимальных показаний измерителя фотоотклика. Снять отсчет по нониусу измерителя 7 перемещения экрана и, скорректировав его на согласованную с преподавателем поправку, получить удаление фокуса зеркала от его центра. Результат занести в протокол измерений.

5. Установить излучатель так, чтобы лазерный луч шел параллельно оптической оси зеркала на расстоянии от нее, на миллиметр большем. Зафиксировать полученное смещение в протоколе измерений.

6. Проделывать операции п. 4…п. 5 до тех пор, пока лазерный пучок не коснется края зеркала.

7. Выполнить операции п. 3…п. 6 четыре раза. Найти средние значения удаления фокуса зеркала при каждом значении размера промежутка между осью пучка и осью зеркала. Пользуясь статистикой по пяти результатам, оценить (для заданного преподавателем значения размера промежутка) случайную погрешность определения положения фокуса зеркала.

8. Распространить полученные результаты на отрицательные значения размера промежутка между осью пучка и осью зеркала. Построить в программном пакете Harvard Graphics аберрационную кривую зависимости f(h) среднего удаления фокуса от размера промежутка между осью пучка и осью зеркала. Недостающие точки получить интерполяцией, для чего аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией, подобрав для них наиболее подходящее значение радиуса R кривизны зеркала.

9. По аппроксимирующей кривой определить фокусное расстояние f и все возможные значения продольной сферической аберрации зеркала. Результаты занести в протокол измерений.

10. Вычислить все возможные значения поперечной сферической аберрации зеркала. Оценить (по заданному преподавателем уровню поперечной сферической аберрации) диаметр области, для исследуемого зеркала являющейся параксиальной. Результаты занести в протокол измерений.

11. Выключить измеритель фотоотклика.

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 сферического зеркала (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 размерами промежутка между осью пучка и осью зеркала и соответствующими удалениями фокуса зеркала от его центра,

– экспериментальный график зависимости среднего удаления фокуса от размера промежутка между осью пучка и осью зеркала – аберрационную кривую.

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

7. Теоретическую кривую зависимости удаления фокуса от размера промежутка между осью пучка и осью зеркала – аберрационную кривую (можно на графике п. 5).

8. Найденное значение фокусного расстояния зеркала (можно на графике п. 7).

9. Найденное значение диаметра параксиальной области зеркала (можно на графике п. 5).

10. Подробные выкладки с результатами вычисления всех значений поперечной сферической аберрации зеркала.

11. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения заданного значения поперечной сферической аберрации зеркала.

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

– рассогласования экспериментальной и теоретической кривых,

– возникновения случайной погрешности измерения поперечной сферической аберрации.

Лабораторная работа № 16

МАТОВЫЙ ЭКРАН

Цель работы: изучение закономерностей рассеяния света на однородной непрозрачной поверхности.

Задача работы: экспериментально выявить из ряда образцов ламбертову поверхность и определить ее альбедо.

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:

- 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 работы матового экрана иллюстрируются ее фотографией на рис. 16.

Рис. 16. Лабораторная установка для исследования матового экрана.

Здесь: 1 – протяженный источник света (вертикально расположенная галогенная лампа накаливания в металлическом кожухе с отражателем и выходным окном 70´110 мм, питающаяся переменным напряжением 220 В);

2 – черный экран 325´325 мм с зажимами для крепления образцов и масок на лицевой стороне, с магнитным основанием для крепления зеркала на тыльной стороне;

3 – поворотный (360°) столик с расположенной под ним шкалой (2°) для отсчета угла поворота экрана вокруг вертикальной оси;

4 – образец бумаги формата А4 (210´297 мм);

5 – 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 1с), д) четыре выключателя для селекции потребного спектрального диапазона, устанавливаемого преподавателем, – см. Приложение С;

6 – рейтер с юстировочными приспособлениями;

7 – рельс с линейкой (цена деления 1 мм) во всю длину.

Измеритель мощности излучения может работать и от встроенного источника питания (аккумулятора), и от внешнего (сетевого адаптера). Адаптер, а также ширма с черной драпировкой, зеркало с магнитным подвесом и сменные черные маски на фотографии не показаны.

Теория изучаемого явления

[1] на стр. 46…49; [2] на стр. 255…258; [3] на стр. 33; [31] на стр. 147…149.

Контрольные вопросы

1. Что такое яркость излучателя?

2. Закон Ламберта и понятие ламбертова излучателя.

3. Чем объясняется отклонение от закона Ламберта при падении света на шероховатую поверхность под углами, близкими к скользящим?

4. Чем объясняется отклонение от закона Ламберта при произвольном падении на шероховатую поверхность когерентного света?

5. Чем объясняется отклонение от закона Ламберта при нормальном падении на шероховатую поверхность хорошо сфокусированного пучка когерентного света?

6. Как определяется альбедо?

7. Соотношения светимости, яркости и освещенности для случая рассеяния света на ламбертовой поверхности.

8. Свет от излучателя, рассеиваясь на малом экране с ламбертовой поверхностью, попадает на входное окно измерителя мощности излучения. Как зависят показания измерителя от угла разворота экрана в плоскости этих трех приборов?

9. Нарисуйте диаграммы направленности* яркости, светимости и мощности излучения плоского ламбертова источника.

10. Две причины, по которым в кинотеатре трудно смотреть картину с крайних боковых мест первых рядов.

Порядок выполнения работы

1. Установить рейтер 6 с источником света и измерителем мощности излучения на указанном преподавателем расстоянии L от экрана.

3. Включить измеритель мощности излучения 5.

4. Найти освещенность экрана. Для этого развернуть экран 2 на 180°, с помощью магнита установить на нем в точке пересечения оптических осей источника и приемника света зеркало с заданным преподавателем коэффициентом отражения и произвести 5…7 замеров мощности. Вычислить искомую освещенность с учетом линейной апертуры (2r=10 мм) измерителя и соотношения расстояний от экрана до источника света и до измерителя. Результаты занести в протокол измерений.

5. Прикрепить к экрану четырьмя зажимами сверху и снизу первый образец бумаги 4 и маску, выданные преподавателем. Маска должна располагаться в центре экрана на пересечении оптических осей источника и приемника света.

6. Установить экран под углом, соответствующим скользящему падению излучения на бумажный лист. Снять отсчет угла разворота экрана вокруг своей оси и значение мощности рассеянного излучения на входном окне измерителя. Результаты занести в протокол.

7. Повернуть экран на 2° и снова снять отсчет угла и показания измерителя. Результаты занести в протокол.

8. Повторять п. 7 до тех пор, пока падение излучения на бумажный лист снова не станет скользящим.

9. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости мощности засветки входного окна измерителя от угла разворота экрана.

10. Аппроксимировать полученную кривую наиболее подходящей функцией.

11. Провести операции п. 5 … п. 10 для остальных образцов бумаги.

12. Сравнивая полученные данные, выявить образец, наилучшим образом соответствующий приближению ламбертовой поверхности.

13. Зная мощность света, рассеиваемого в конусе высотой L и основанием радиуса r поверхностью образца, выявленного в п. 12, и соотнося объем такого конуса с объемом шара радиуса L/2, вычислить мощность света, рассеиваемого во всех направлениях.

14. Найти альбедо ламбертова образца, как отношение мощности рассеянного во всех направлениях света к произведению освещенности экрана на площадь маски.

15. Пренебрегая отклонением кривой от закона Ламберта, вычислить инструментальную погрешность косвенного измерения альбедо, исходя из дискретности отсчета значений мощности оптического излучения по цифровому табло измерителя.

16. Выключить измеритель мощности излучения.

17. 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 матового экрана (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:

– результаты измерения освещенности экрана,

– таблицу с результатами измерения мощности рассеянного экраном света и угла разворота экрана,

– экспериментальные графики зависимости мощности рассеянного света от угла разворота экрана.

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

7. Теоретическую кривую зависимости мощности рассеянного света от угла разворота экрана (можно на графике п. 5).

8. Подробные выкладки с результатами вычисления альбедо.

9. Подробные выкладки с результатами оценки инструментальной погрешности косвенного измерения альбедо.

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

– рассогласования экспериментальной и теоретической кривых,

– возникновения инструментальной погрешности косвенного измерения альбедо.

Лабораторная работа № 17

ВОЛОКОННЫЙ СВЕТОВОД

Цель работы: изучение закономерностей передачи света с помощью волоконного световода.

Задача работы: экспериментально определить числовую апертуру и материалы световода.

Техника безопасности

- 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:

- 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 работы волоконного световода иллюстрируются ее фотографией на рис. 17.

Рис. 17. Лабораторная установка для исследования волоконного световода.

2 – источник питания полупроводникового лазера;

3 – волоконный световод;

4 – гониометр для измерения угла поворота световода, в том числе а) стол поворотный (360°), б) крепление световода к поворотному столу, в) два устройства отсчета угла поворота стола (10' с нониусом). Лупа для наблюдения показаний гониометра на фотографии не показана;

5 – измеритель мощности оптического излучения, в том числе а) входное окно диаметром 10 мм с разъемом для крепления световода, 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;

6 – рейтеры с юстировочными приспособлениями;

7 – рельс.

Теория изучаемого явления

[1] на стр. 482…488 и 898…899; [2] на стр. 18…21 и 145…148; [3] на стр. 21 и 163…166.

Контрольные вопросы

1. Явление полного внутреннего отражения. Опыт Мандельштама-Зелени.

2. Как определяется предельный угол падения?

3. Оптоволокно: устройство и принцип действия.

4. Разновидности оптоволокна и волоконные световоды.

5. Параметры волоконных световодов.

6. Почему при засветке входной апертуры световода протяженным источником на выходе получается кольцо?

7. Как зависит числовая апертура световода от свойств его материалов? Выведите формулу, исходя из закономерностей полного внутреннего отражения.

8. Зависимость пропускания световода от угла падения луча на его входной торец. Какими факторами она обусловлена?

9. Зачем при сращивании световодов применяют иммерсию?

10. Показать аналитически, что при полном внутреннем отражении тангенс полуразности фаз _┴ и || компонент отраженного света равен .

Порядок выполнения работы

1. 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.

2. Включить измеритель мощности излучения 5.

3. Методом автоколлимации лазерного пучка установить излучатель и стол гониометра 4 так, чтобы получить минимально возможный угол падения излучения на торец световода 3.

4. Вращая стол гониометра, отклонять ось входного окна световода от оси лазерного пучка до тех пор, пока не установятся минимальные показания измерителя мощности.

5. Снять значение угла падения по нониусу гониометра и значение мощности излучения на выходе световода по цифровому табло измерителя; результаты занести в протокол измерений.

6. Развернув входное окно световода относительно излучателя, уменьшить угол падения на 1° и снять показания измерителя. Значение угла падения и мощности излучения занести в протокол.

7. Проделывать операции п. 6 до тех пор, пока снова не установятся минимальные показания измерителя мощности.

8. Построить в программном пакете Harvard Graphics кривую зависимости мощности на выходе световода от угла падения.

9. Из графика определить угловую апертуру 2α световода (по уровню мощности излучения, указанному преподавателем).

10. Пользуясь той же кривой, оценить методическую погрешность измерения апертурного угла.

11. Вычислить числовую апертуру световода для заданных преподавателем условий его эксплуатации.

12. Пользуясь полученными у преподавателя справочными данными (пропускание световода), вычислить, исходя из формулы для отражательной способности (см. стр. 13) и пренебрегая поглощением стекла, показатель преломления материала сердцевины световода.

13. Пользуясь выражением , вычислить показатель преломления материала оболочки световода.

14. По таблице (Приложение Е) найти марки стекол, из которых выполнены сердцевина и оболочка.

15. Выключить измеритель мощности излучения.

16. 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 волоконного световода (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 излучения при каждом угле падения;

– экспериментальный график зависимости мощности на выходе световода от угла падения лазерного пучка на его входной торец;

– значения угловой апертуры световода и уровня мощности излучения, на котором она определена (можно на том же графике).

6. Подробные выкладки с результатами вычисления числовой апертуры световода.

7. Подробные выкладки с результатами оценки методической погрешности определения угловой апертуры.

8. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения погрешности:

– измерения числовой апертуры;

– определения материала оболочки.

Лабораторная работа № 18

МИКРОСКОП

Цель работы: изучение закономерностей построения изображения в микроскопе.

Задача работы: экспериментально определить увеличение микроскопа и аккомодационную глубину резкости микроскопического изображения.

Техника безопасности

- сетевое переменное напряжение (220 В, 50 Гц);

- повышенный уровень яркости источника света;

- значительная масса отдельных составных частей лабораторной установки.

Отсюда вытекают следующие требования техники безопасности при выполнении лабораторной работы:

- запрещается заглядывать в выходное окно при включенном питании источника света и совать под свет блестящие предметы;

Лабораторная установка

Внешний вид и устройство установки для исследования работы микроскопа иллюстрируются ее фотографией на рис. 18.

Рис. 18. Лабораторная установка для исследования микроскопа.

Здесь: 1 – микроскоп Биолам Р12У42 для наблюдения тест-объектов, в том числе а) сменный бинокулярный тубус АУ-12, б) окуляры 7^× штатный и 7^× с сеткой, в) объективы 8^×, 20^×, 40^×и с неизвестным увеличением, г) предметный столик, д) наводка на резкость (грубая), е) наводка на резкость (тонкая), ж) стойка, з) башмак, и) прижимы, – см. Приложение C;

2 – объект-микрометр типа ОМО (0,01 мм);

3 – 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);

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

5 – часовой индикатор с рабочим ходом 2 мм (цена деления шкалы 0,01 мм);

6 – стойка с юстировочными приспособлениями;

7 – цифровая камера Genius VideoCAM Web (разрешение 640´480 pxl);

8 – держатель с юстировочными приспособлениями;

9 – компьютер PENTIUM-166 MMX.

Теория изучаемого явления

[1] на стр. 323…331; [3] на стр. 183…189; [13] на стр. 19…37, 278…279 и 464…473.

Контрольные вопросы

1. Нарисуйте оптическую схему, поясняющую формирование увеличенного изображения объекта с помощью микроскопа.

2. Оптическая длина тубуса. Чем она отличается от механической?

3. В каком месте тубуса нужно расположить прозрачную линейку при необходимости измерить фрагмент изображения?

4. Как определяется увеличение микроскопа?

5. Насколько и в каком направлении нужно переместить окуляр используемого в лабораторной работе микроскопа, чтобы скомпенсировать действие очков с линзами по 2,5 дптр?

6. Роль иммерсии при наблюдении объекта с помощью микроскопа.

7. Микропроекция.

8. Схемы микроскопических осветителей для наблюдения прозрачных объектов.

9. Опак-иллюминатор.

10. Как вычисляется глубина резкости микроскопического изображения?

Порядок выполнения работы

1. Включить источник света. 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. Установить на предметный столик и закрепить прижимами объект-микрометр. Сфокусировать микроскоп на его шкалу (среднее фото справа). Сопоставляя оцифровку шкалы объект-микрометра с оцифровкой сетки окуляра при установке всех объективов, определить увеличения немаркированного объектива и микроскопа с ним. Результаты занести в протокол измерений.

3. Провести операции п. 2 девять раз. Вычислить среднее значение увеличения микроскопа. Пользуясь статистикой по 10 результатам, оценить случайную погрешность измерения этой величины.

4. Установив объектив по указанию преподавателя, еще раз сфокусировать микроскоп на штрихи шкалы объект-микрометра, после чего, плавно опуская тубус, найти такое положение, при котором штриховка пропадает (нижнее фото справа). Снять отсчет по часовому индикатору. Результат занести в протокол измерений.

5. Плавно поднимая тубус, снова сфокусировать микроскоп на штрихи шкалы объект-микрометра и, продолжая подъем, найти такое положение, при котором штриховка пропадает (верхнее фото справа). Снять отсчет по часовому индикатору. Результат занести в протокол измерений.

6. Вычислить полную глубину резкости микроскопа, как разность показаний часового индикатора в п. 5 и п. 4. Результат занести в протокол измерений.

7. Запустить камеру 6, для чего: включить питание компьютера 8; загрузить операционную систему Windows 98; последовательно открыть окно <Camera Plus> на рабочем столе и выбрать опцию <Capture and edit full motion video>.

8. Наблюдая на экране монитора шкалу объект-микрометра, сфокусировать микроскоп на ее штрихи, после чего, плавно опуская тубус, найти такое положение, при котором штриховка пропадает. Сохранить изображение, установив курсор на кнопку <Snap> и нажав левую кнопку мыши*. Снять отсчет по часовому индикатору. Результат занести в протокол измерений.

9. Глядя на экран монитора и плавно поднимая тубус, снова сфокусировать микроскоп на штрихи шкалы объект-микрометра; сохранить изображение, установив курсор на кнопку <Snap> и нажав левую кнопку мыши. Продолжая подъем, найти такое положение, при котором штриховка пропадает; сохранить изображение, установив курсор на кнопку <Snap> и нажав левую кнопку мыши. Снять отсчет по часовому индикатору. Результат занести в протокол измерений.

10. Вычислить частную глубину резкости микроскопа, как разность показаний часового индикатора в п. 9 и п. 8. Результат занести в протокол измерений.

11. Вычитая из полной глубины резкости (п. 6) частную глубину резкости (п. 10), найти аккомодационную компоненту глубины резкости микроскопического изображения. Результат занести в протокол измерений.

12. Провести операции п. 4 … п. 6 и п. 8 … п. 11 девять раз. Вычислить среднее значение аккомодационной глубины резкости. Пользуясь статистикой по 10 результатам, оценить случайную погрешность измерения этой величины.

13. Выключить камеру, для чего последовательно закрыть окно <Capture and edit full motion video>, подтвердить команду <Exit>, закрыть окно <Camera Plus>; выгрузить операционную систему и отключить питание компьютера.

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 микроскопа (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:

– серийный номер объект-микрометра,

– результаты измерений при оцифровке шкал,

– результаты измерений глубины резкости изображений.

6. Распечатку последовательно скомпонованных кадров с изображениями шкалы объект-микрометра (расфокусированным нижним, сфокусированным промежуточным и расфокусированным верхним).

7. Подробные выкладки с результатами вычисления увеличения микроскопа.

8. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения увеличения микроскопа.

9. Подробные выкладки с результатами вычисления аккомодационной глубины резкости.

10. Подробные выкладки с результатами оценки случайной погрешности измерения аккомодационной глубины резкости.

11. Выводы по результатам проведенного исследования, включая собственные соображения по поводу причин возникновения случайных погрешностей измерения:

– увеличения,

– аккомодационной глубины резкости.

Список литературы

Основная

1. Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. 928 с.

2. Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики. В 3 т. Т. 3. Оптика и атомная физика. – СПб.: Лань, 2006. 656 с.

3. Прикладная оптика. / Под ред. Н.П. Заказнова. – М.: Машиностроение, 1988. 312 с.

Дополнительная

4. Апенко М.И., Дубовик А.С. Прикладная оптика. – М.: Наука, 1982. 352 с.

5. Турыгин И.А. Прикладная оптика. Геометрическая оптика и методы расчета оптических систем. – М.: Машиностроение, 1965. 366 с.

6. Турыгин И.А. Прикладная оптика. Фотографические, проекционные и фотоэлектрические системы. Методы аберрационного расчета оптических систем. – М.: Машиностроение, 1966. 432 с.

7. Нагибина И.М., Москалев В.А., Полушкина Н.А., Рудин В.Л. Прикладная физическая оптика. – М.: Высшая школа, 2002. 565 с.

8. Климков Ю.М. Прикладная лазерная оптика. – М.: Машиностроение, 1985. 128 с.

9. Шишловский А.А. Прикладная физическая оптика. – М.: ГИФМЛ, 1961. 824 с.

10. Мартин Л. Введение в прикладную оптику. – М.-Л.: ОНТИ НКТП, 1935. 240 с.

11. Гвоздева Н.И., Коркина К.И. Прикладная оптика и оптические измерения. – М.: Машиностроение, 1976. 384 с.

12. Мальцев М.Д., Каракулина Г.А. Прикладная оптика и оптические измерения. – М.: Машиностроение, 1968. 472 с.

13. Скворцов Г.Е., Панов В.А., Поляков Н.И., Федин Л.А. Микроскопы. – Л.: Машиностроение, 1984. 231 с.

14. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. – М.: Искусство, 1978. 543 с.

15. Афанасьев В.А. Оптические измерения: Учебник. – М.: Высшая школа, 1981. 229 с.

16. Вычислительная оптика: Справочник. / Под общ. ред. М.М. Русинова. – Л.: Машиностроение, 1984. 423 с.

17. ГОСТ 8.332-78. Световые измерения. Значения относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения. – М.: Изд-во стандартов, 1979. 6 с.

18. Белодедов М.В., Чмутин А.М. Физический практикум: Методические указания к выполнению работ по курсу физики (раздел «Оптика»). – М.: МГУП, 2005. 40 с.

19. Васильев А.Ф., Чмутин А.М. Лекции по фотометрии. Ч. 1. Фотоэлектрические преобразователи излучения: Учебное пособие (для студентов специальностей 010400 «Физика» и 350600 «Судебная экспертиза»). – Волгоград, ВолГУ, 2005. 78 с.

20. Рвачева О.В., Чмутин А.М. Физический практикум: Методические указания к выполнению работ по курсу физики (раздел «Оптика»). – Волгоград: ВолГМУ, 2007. 64 с.

21. Курс физики. В 2 т. Т. 2. Электричество, оптика, физика атомного ядра. / Под ред. Н.Д. Папалекси. – М.-Л.: ГИТТЛ, 1948. 696 с.

22. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков. – М.: МЭИ, 1990. 288 с.

23. Матвеев А.Н. Оптика. – М.: Высшая школа, 1985. 351 с.

24. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей. – М.: Высшая школа, 1968. 280 с.

25. Справочник технолога-оптика. / Под общ. Ред. С.М. Кузнецова и М.А. Окатова. – Л.: Машиностроение, 1983. 414 с.

26. Мак-Клелланд Д. Photoshop 6.0: Библия пользователя. – М.: Вильямс, 2002. 992 с.

27. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1980. 752 с.

28. Застрогин Ю.Ф. Прецизионные измерения параметров движения с использованием лазера. – М.: Машиностроение, 1986. 272 с.

29. Хацевич Т.Н. Медицинские оптические приборы. Часть 2. Очковая оптика. – HTTP://www.ssga.ru. 05.02.2009.

30. Крылов К.И., Прокопенко В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. – Л.: Машиностроение, 1990. 316 с.

31. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. – М.-Л.: Машиностроение, 1966. 564 с.

Приложение А

Образец оформления титульного листа отчета по лабораторной работе.

Волгоградский государственный университет Факультет физики и телекоммуникаций Кафедра телекоммуникационных систем Отчет по лабораторной работе № 1 ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА Выполнил: студент гр. Ф-001 Иванов И.И. 01 апреля 2009 г. Проверил: ст. преподаватель Петров П.П. 30 апреля 2009 г. Волгоград 2009

Приложение B

Справочные данные оптических бесцветных стекол [28].

Марка стекла	Основной показатель преломления n_e	Средняя дисперсия n_F _¢ – n_C _¢
ЛК1	1,4414	0,00639
ЛК3	1,4891	0,00700
ЛК5	1,4799	0,00733
ЛК4	1,4922	0,00758
ЛК6	1,4721	0,00708
ЛК7	1,4846	0,00732
ЛК8	1,4725	0,00691
ФК11	1,5218	0,00757
ФК13	1,5488	0,00814
ФК14	1,5821	0,00898
ФК24	1,5837	0,00905
К1	1,5001	0,00770
К2	1,5023	0,00763
К3	1,5120	0,00811
К5	1,5130	0,00800
К8	1,5183	0,00812
К14	1,5168	0,00856
К15	1,5359	0,00971
К18	1,5212	0,00867
К19	1,5208	0,00848
К20	1,5285	0,00878
БК4	1,5302	0,00884
БК6	1,5399	0,00913
БК8	1,5467	0,00877
БК10	1,5688	0,01024
БК11	1,5546	0,00878
БК12	1,5629	0,00969
БК13	1,5617	0,00992
ТК1	1,5661	0,00935
ТК2	1,5749	0,01005
ТК4	1,6138	0,01105
ТК8	1,6168	0,01125
ТК9	1,6199	0,01153
ТК12	1,5710	0,00911
ТК13	1,6063	0,01004
ТК14	1,6155	0,01020
ТК16	1,6152	0,01059
ТК17	1,6305	0,01067
ТК20	1,6247	0,01107
ТК21	1,6600	0,01299
ТК23	1,5915	0,00970
СТК3	1,6622	0,01160
СТК8	1,7065	0,01430
СТК9	1,7460	0,01492
СТК10	1,7416	0,01549
СТК12	1,6950	0,01268
СТК15	1,7124	0,01306
СТК16	1,7900	0,01742
СТК19	1,7476	0,01489
СТК20	1,7685	0,01536

Марка стекла	Основной показатель преломления n_e	Средняя дисперсия n_F _¢ – n_C _¢
КФ4	1,5203	0,00866
КФ6	1,5027	0,00882
КФ7	1,5200	0,01022
БФ1	1,5271	0,00964
БФ4	1,5505	0,01026
БФ6	1,5724	0,01164
БФ7	1,5822	0,01087
БФ8	1,5857	0,01269
БФ11	1,6251	0,01183
БФ12	1,6298	0,01622
БФ13	1,6428	0,01340
БФ16	1,6744	0,01435
БФ21	1,6178	0,01554
БФ24	1,6386	0,01750
БФ25	1,6108	0,01333
БФ28	1,6687	0,01900
БФ32	1,5824	0,01255
ТБФ3	1,7602	0,01860
ТБФ4	1,7836	0,02072
ТБФ7	1,8980	0,02992
ТБФ8	1,8641	0,02374
ТБФ9	1,8130	0,01912
ТБФ10	1,8206	0,02474
ТБФ11	1,8374	0,01955
ТБФ25	1,8175	0,01955
ЛФ5	1,5783	0,01409
ЛФ9	1,5837	0,01547
ЛФ10	1,5509	0,01209
Ф1	1,6169	0,01681
Ф4	1,6285	0,01707
Ф6	1,6070	0,01611
Ф9	1,6280	0,01801
Ф13	1,6241	0,01730
ТФ1	1,6522	0,01940
ТФ2	1,6776	0,02118
ТФ3	1,7232	0,02469
ТФ4	1,7462	0,02670
ТФ5	1,7617	0,02788
ТФ7	1,7343	0,02611
ТФ8	1,6947	0,02249
ТФ10	1,8138	0,03233
ОФ1	1,5319	0,01032
ОФ4	1,6541	0,01513
СТФ2	1,9554	0,04116
СТФ3	2,1683	0,07022
СТФ11	2,0711	0,06491
ОФ2	1,55661	0,01151
ОФ3	1,61573	0,01403
ОФ5	1,66640	0,01603

Приложение C

Элементы инструментальной оптосхемотехники.

Позиционные обозначения на рисунках соответствуют используемым в тексте методических указаний.

Рис. C1. Оптическая схема микроскопа и ход лучей в бинокулярном тубусе. Здесь

к – разделительный призменный блок, л – компенсирующая линза, м – поворотная призма.

Рис. C3. Измеритель мощности излучения.

Рис. C4. Оптические схемы излучателей лазера полупроводникового (слева) и газового (справа). Здесь а – активный элемент, б – глухое зеркало, в – полупрозрачное выходное зеркало, г – коллимирующая линза.

Приложение D

Значения относительной спектральной световой интенсивности монохроматического излучения для дневного зрения [29].

Длина волны, нм	V (l)	Длина волны, нм	V (l)
400	0,00040	590	0,75700
410	0,00120	600	0,63100
420	0,00400	610	0,50300
430	0,01160	620	0,38100
440	0,02300	630	0,26500
450	0,03800	640	0,17500
460	0,06000	650	0,10700
470	0,09100	660	0,06100
480	0,13900	670	0,03200
490	0,20800	680	0,01700
500	0,32300	690	0,00820
510	0,50300	700	0,00410
520	0,71000	710	0,00210
530	0,86200	720	0,00105
540	0,95400	730	0,00052
550	0,99500	740	0,00025
560	0,99500	750	0,00012
570	0,95200	760	0,00006
580	0,87000

Под относительной спектральной световой интенсивностью V(l) монохроматического излучения с длиной волны l понимают отношение двух потоков излучения с длинами волн l_m и l, вызывающих в точно определенных фотометрических условиях зрительные ощущения одинаковой силы; при этом длина волны l_m выбрана таким образом, что максимальное значение этого отношения равно единице.

Приложение E

Показатели преломления оптических бесцветных стекол на длинах волн, используемых в волоконной оптике.

Марка стекла	0,6328 мкм	0,85 мкм	1,3 мкм	1,55 мкм
ЛК1	1,4386	1,4349	1,4322	1,4317
ЛК3	1,4860	1,4820	1,4791	1,4784
ЛК4	1,4888	1,4845	1,4813	1,4807
ЛК5	1,4766	1,4724	1,4694	1,4687
ЛК6	1,4690	1,4649	1,4620	1,4613
ЛК7	1,4813	1,4771	1,4741	1,4734
ЛК8	1,4694	1,4654	1,4626	1,4620
ФК11	1,5184	1,5141	1,5110	1,5103
ФК13	1,5452	1,5405	1,5371	1,5364
ФК14	1,5781	1,5729	1,5692	1,5684
ФК24	1,5797	1,5745	1,5707	1,5699
К1	1,4969	1,4922	1,4891	1,4884
К2	1,4989	1,4945	1,4914	1,4907
К3	1,5084	1,5037	1,5004	1,4996
К5	1,5094	1,5048	1,5015	1,5008
К8	1,5147	1,5100	1,5067	1,5059
К14	1,5130	1,5081	1,5045	1,5038
К15	1,5315	1,5260	1,5220	1,5211
К18	1,5173	1,5123	1,5088	1,5080
К19	1,5170	1,5121	1,5087	1,5079
К20	1,5246	1,5195	1,5159	1,5151
БК4	1,5263	1,5212	1,5175	1,5167
БК6	1,5358	1,5306	1,5268	1,5260
БК8	1,5428	1,5377	1,5341	1,5333
БК10	1,5643	1,5583	1,5541	1,5532
БК11	1,5507	1,5456	1,5420	1,5412
БК12	1,5586	1,5530	1,6151	1,6142
БК13	1,5573	1,5516	1,5475	1,5466
ТК1	1,5619	1,5565	1,5527	1,5519
ТК2	1,5704	1,5646	1,5605	1,5596
ТК4	1,6089	1,6025	1,5980	1,5970
ТК8	1,6118	1,6053	1,6007	1,5997
ТК9	1,6148	1,6081	1,6034	1,6023
ТК12	1,5670	1,5617	1,5580	1,5571
ТК13	1,6018	1,5960	1,5919	1,5910
ТК14	1,6110	1,6051	1,6009	1,6000
ТК16	1,6105	1,6044	1,6000	1,5991
ТК17	1,6258	1,6196	1,6152	1,6142
ТК20	1,6198	1,6134	1,6088	1,6078
ТК21	1,6542	1,6467	1,6414	1,6402
ТК23	1,5872	1,5816	1,5776	1,5767
СТК3	1,6570	1,6504	1,6456	1,6445
СТК8	1,7001	1,6919	1,6860	1,6847
СТК9	1,7394	1,7308	1,7246	1,7233
СТК10	1,7347	1,7258	1,7194	1,7180


Марка стекла	0,6328 мкм	0,85 мкм	1,3 мкм	1,55 мкм
СТК12	1,6894	1,6820	1,6768	1,6757
СТК15	1,7066	1,6991	1,6937	1,6925
СТК16	1,7823	1,7722	1,7650	1,7635
СТК19	1,7410	1,7324	1,7263	1,7249
СТК20	1,7617	1,7528	1,7465	1,7451
КФ4	1,5165	1,5115	1,5079	1,5071
КФ6	1,4988	1,4937	1,4901	1,4893
КФ7	1,5155	1,5096	1,5054	1,5044
БФ1	1,5228	1,5173	1,5133	1,5124
БФ4	1,5459	1,5400	1,5358	1,5349
БФ6	1,5672	1,5605	1,5557	1,5547
БФ7	1,5774	1,5711	1,5666	1,5656
БФ8	1,5801	1,5727	1,5675	1,5664
БФ11	1,6198	1,6130	1,6082	1,6071
БФ12	1,6226	1,6132	1,6066	1,6051
БФ13	1,6368	1,6291	1,6236	1,6224
БФ16	1,6680	1,6597	1,6538	1,6525
БФ21	1,6109	1,6019	1,5955	1,5941
БФ24	1,6308	1,6207	1,6135	1,6119
БФ25	1,6049	1,5972	1,5917	1,5905
БФ28	1,6603	1,6493	1,6415	1,6398
БФ32	1,5768	1,5696	1,5644	1,5633
ТБФ3	1,7520	1,7414	1,7336	1,7319
ТБФ4	1,7744	1,7624	1,7539	1,7520
ТБФ7	1,8847	1,8674	1,8551	1,8524
ТБФ8	1,8536	1,8399	1,8301	1,8279
ТБФ9	1,8045	1,7935	1,7856	1,7839
ТБФ10	1,8096	1,7953	1,7852	1,7829
ТБФ11	1,8287	1,8173	1,8094	1,8076
ТБФ25	1,8088	1,7975	1,7895	1,7877
ЛФ5	1,5720	1,5639	1,5581	1,5568
ЛФ9	1,5768	1,5679	1,5615	1,5601
ЛФ10	1,5455	1,5386	1,5336	1,5325
Ф1	1,6094	1,5997	1,5928	1,5913
Ф4	1,6209	1,6111	1,6040	1,6025
Ф6	1,5998	1,5905	1,5839	1,5825
Ф9	1,6200	1,6096	1,6022	1,6006
Ф13	1,6164	1,6064	1,5993	1,5977
ТФ1	1,6436	1,6324	1,6244	1,6226
ТФ2	1,6682	1,6560	1,6473	1,6453
ТФ3	1,7122	1,6980	1,6878	1,6856
ТФ4	1,7343	1,7189	1,7080	1,7055
ТФ5	1,7493	1,7332	1,7218	1,7192
ТФ7	1,7227	1,7076	1,6969	1,6945
ТФ8	1,6847	1,6717	1,6625	1,6604
ТФ10	1,7994	1,7808	1,7675	1,7645

Приложение F

Руководство пользователя.

Из под Norton Commander запуск программы осуществляется путем выделения курсором исполняемого файла, как это показано на рис. F1, и нажатия клавиши <Enter>.

Рис. F1. Старт программы (экранная копия).

На экране появляется командная страница. Для установки частоты дискретизации доплеровского сигнала необходимо сначала переместить курсор в соответствующую строку меню, как это показано на рис. F2, затем нажать клавишу <Enter>.

Рис. F2. Командная страница (экранная копия).

В появившейся снизу строке (см. рис. F3) необходимо указать требуемое значение частоты дискретизации в герцах и нажать клавишу <Enter>.

Рис. F3. Выбор частоты дискретизации (экранная копия).

В разделе <Initial installations> пропишется выбранное пользователем значение частоты дискретизации, как это показано на рис. F4.

Рис. F4. Частота установлена (экранная копия).

Аналогичным образом устанавливаются потребные время задержка и объем выборки (число считываемых и отображаемых точек), корректируются режимы измерения и синхронизации, в реальном времени выводится на полный экран осциллограмма доплеровского сигнала. В последней опции возврат от осциллографирования к командной странице производится нажатием клавиши <Escape>.

Для записи выборки на винчестер необходимо сначала переместить курсор в соответствующую строку меню, как показано на рис. F5, затем нажать клавишу <Enter>.

Рис. F5. Запись выборки в файл (экранная копия).

В появившейся снизу строке (см. рис. F6) необходимо указать файл, в который будет записана выборка, и нажать клавишу <Enter>.

Рис. F6. Присвоение файлу данных имени и расширения (экранная копия).

Для выхода из программы необходимо сначала переместить курсор в соответствующую строку меню, как показано на рис. F7, затем нажать клавишу <Enter>.

Рис. F7. Окончание работы (экранная копия).

По завершении работы программы осциллографирования доплеровского сигнала откроется исходное окно Norton Commander с записанными файлами данных.

Рис. F8. Файл с записанной выборкой (экранная копия).

Учебное издание

Белодедов Михаил Владимирович

Рвачева Оксана Викторовна

Чмутин Алексей Михайлович

Физический практикум: Методические указания

к выполнению лабораторных работ по физике

(раздел «Оптика»)

Главный редактор А.В. Шестакова

Печатается в авторской редакции с готового оригинал-макета.

Подписано в печать 21.09.2011 г. Формат 60 84/16.

Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 5,4.

Уч.-изд. л. 5,8. Тираж 200 экз. (1-й завод 75 экз.). Заказ 168. «С» 161.

Издательство Волгоградского государственного университета.

400062, г. Волгоград, Университетский пр., 100.

*На винчестере соответствующий файл будет находиться по адресу C:\My documents\QuickCam\Album\Pictures\.

*На винчестере соответствующий файл будет находиться по адресу C:\USERS\YAR\IN06\.

* Диаграммы направленности принято изображать в полярных координатах.

*На винчестере соответствующий файл будет находиться по адресу D:\0\.

Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 401; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!