Исследовательская работа Лазерный луч
 Скачать 445.5 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯСВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СВЕРДЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ «ПЕРВОУРАЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИКУМ» Исследовательская работа«Лазерный луч» Исполнители: Холмогоров Александр Викторович, Сибагатуллин Данил Борисович, Ульянов Сергей, группа 109 Руководитель: Кузнецова Алина Валентиновна Первоуральск 2012 г. Содержание. стр. Введение…………………………………………………………………………..3 Основная часть………………..…………………………………………………..4 Общие сведения о лазерном излучении………………………………… 4 Экспериментальное исследование свойств лазерного луча……………9 Представление результата исследования………………………………12 Заключение…………………………………….. ………………………………13 Литература……………………………………………………………………….14 Введение. Для успешного освоения учебной дисциплины «Физика» студенты группы 109 выбрали метод учебного исследования. О методе проектов студенты имеют смутные представления. Как правило, работа сводится к скачиванию случайной несистематизированной информации из Интернета. Поэтому, целью данной работы является освоение проектной деятельности. Задачи: изучить учебную литературу по предмету исследования; провести экспериментальное исследование его свойств; презентовать результаты исследования. Объектом нашего исследования является проектная деятельность. Исследовательский учебный проект - это деятельность, направленная на решение исследовательской учебной проблемы. Основные этапы научного исследования характерны и для учебного исследования: выявление и постановка проблемы исследования, формулирование гипотезы, планирование и разработка исследовательских действий, сбор данных (накопление фактов, наблюдений, доказательств), их анализ и синтез, сопоставление данных и умозаключений, их проверка, подготовка и написание (оформление) сообщения, выступление с подготовленным сообщением; переосмысление результатов в ходе ответов на вопросы, построение выводов, заключений. Предметом исследования был выбран лазерный луч. В работе описаны принцип получения и свойства лазерного излучения, обозначены области применения лазерного луча, приведены результаты экспериментального исследования излучения рубинового лазера, представлен анализ полученных результатов. Основная часть. Общие сведения о лазерном излучении. Принцип действия лазера. Существуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний. Выход был найден в использовании трех энергетических уровней (общее число уровней всегда велико, но речь идет о "работающих" уровнях). Существенно, что в отсутствие внешнего воздействия время, в течение которого атомная система находится в различных энергетических состояниях ("время жизни"), неодинаково. На уровне 3 система живет очень мало, порядка 10-8 с, после чего самопроизвольно переходит в состояние 2 без излучения света. (Энергия при этом передается кристаллической решетке.) "Время жизни" в состоянии 2 в 100 000 раз больше, т. е. составляет около 10-3 с. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. Это используется в лазерах. После вспышки мощной лампы система переходит в состояние 3 и спустя промежуток времени около 10-8 с оказывается в состоянии 2, в котором живет сравнительно долго. Таким образом, и создается "перенаселенность" возбужденного уровня 2 по сравнению с невозбужденным уровнем 1. Необходимые энергетические уровни имеются в кристаллах рубина. Рубин - это ярко-красный кристалл оксида алюминия Al2O3 с примесью атомов хрома (около 0,05%). Именно уровни ионов хрома в кристалле обладают требуемыми свойствами.  Устройство рубинового лазера. Из кристалла рубина изготовляется стержень с плоскопараллельными торцами. Газоразрядная лампа, имеющая форму спирали, дает сине-зеленый свет. Кратковременный импульс тока от батареи конденсаторов емкостью в несколько тысяч микрофарад вызывает яркую вспышку лампы. Спустя малое время энергетический уровень 2 становится "перенаселенным". В  результате самопроизвольных переходов 2 1 начинают излучаться волны всевозможных направлений. Те из них, которые идут под углом к оси кристалла, выходят из него и не играют в дальнейших процессах никакой роли. Но волна, идущая вдоль оси кристалла, многократно отражается от его торцов. Она вызывает индуцированное излучение возбужденных ионов хрома и быстро усиливается. Один из торцов рубинового стержня делают зеркальным, а другой полупрозрачным. Через него выходит мощный кратковременный (длительностью около сотни микросекунд) импульс красного света. Волна является когерентной, так как все атомы излучают согласованно, и очень мощной, так как при индуцированном излучении вся запасенная энергия выделяется за очень малое время.  Свойства лазерного излучения. Излучение лазера представляет собой поток летящих почти параллельно одинаковых фотонов. Это придает ему ряд важных особенностей. Во-первых, очень малая расходимость лазерного излучения. Если, например, диаметр лазерного пучка 1 см, а длина волны 5·10-5 см, то угол расходимости составит всего 0,003°, то есть, фактически, получаем параллельный поток излучения. Спомощью собирающих линз и зеркал лазерные лучи можно сфокусировать в точку размером 500 нм (для видимого света). Если такой луч послать на Луну, то он высветит на её поверхности круг диаметром 30 м. Луч хорошего прожектора осветилбы поверхность диаметром 40000 километров. Во-вторых, лазерное излучение обладает высокой монохромностью, т. е. имеет практически одну-единственную частоту и соответствующую ей одну-единственную длину волны. Это объясняется тем, что у всех фотонов в лазерном луче одинаковая энергия. Для рубинового лазера длина волны излучения 693,3 нм. Третья особенность лазерного излучения состоит в том, что можно в широких пределах управлять длительностью излучения от сколь угодно длительных до сверхкоротких вплоть до 10-15 с импульсных вспышек. Импульсы такой малой длительности имеют в пространстве ничтожно малую длину и огромную мощность. Современные лазеры излучают в одном таком импульсе энергию до нескольких тысяч джоулей. Это сравнимо с мощностью крупнейших электростанций. Огромная мощность лазерного излучения приводит к тому, что вещества, освещенные лазером, могут быть нагреты до весьма высоких температур. Интенсивность сфокусированного лазерного луча может быть 1020 Вт/см2 и более, при этом напряженность электрического поля в луче достигает 1011 В/см. Под действием такого сильного поля происходит не только ионизация атомов - они расщепляются на электроны и положительные ионы, но и термоядерные реакции, в ходе которых одни элементы превращаются в другие. Применеие лазеров. Лазер дает возможность осуществлять сильную концентрацию световой мощности в пределах весьма узких частотных интервалов: при этом возможна плавная перестройка частоты. Поэтому лазеры применяются для получения и исследования оптических спектров веществ. Лазерная спектроскопия отличается исключительно высокой степенью точности(высоким разрешением). Лазеры позволяют также осуществить избирательное возбуждение тех или иных состояний атомов и молекул, избирательный разрыв определенных химических связей. В результате оказывается возможным инициирование конкретных химических связей, управление развитием этих реакций, исследование их кинетики. Пикосекундные лазерные импульсы дали начало исследованиям целого ряда быстропротекающих процессов в веществе и, в частности, в биологических структурах. Отметим, например, фундаментальные исследования процессов фотосинтеза. Эти процессы весьма сложны и, к тому же, протекают крайне быстро – в пикосекундной временной шкале. Использование сверхкоротких световых импульсов дает уникальную возможность проследить за развитием подобных процессов и моделировать отдельные их звенья. Роль лазеров в фундаментальных научных исследованиях исключительно велика. Лазеры имеют многочисленные применения в технике для сварки, резки и плавления металлов, в медицине, как бескровные скальпели при лечении разных болезней. Лазерная локация позволила измерить скорость вращения планет и уточнить характеристики движения Луны и Венеры. Лазеры используются в оптоволоконных линиях связи для передачи и обработки большого объема информации. Лазеры считывают информацию с компакт-дисков в каждом компьютере и проигрывателе. Наконец, применяя лазеры для нагрева плазмы, пытаются решить проблему управляемого термоядерного синтеза. В настоящее время созданы лазеры, генерирующие излучение в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. За создание лазеров советские физики Н. Басов и А. Прохоров вместе с американским физиком Ч. Таунсом в 1964 году получили Нобелевскую премию. 2. Экспериментальное исследование свойств лазерного луча. Исследованию подлежит луч, который даёт лазерная указка. Это рубиновый лазер малой мощности. Если направить луч на экран, то можно наблюдать точку красного цвета. Наша задача: проверить монохромность и поляризацию излучения, определить длину волны и угол расхождения пучка. Опыт 1. Проверка монохромности излучения. Пропускаем луч через цветные стёкла (оптические фильтры). Наблюдаем изменение интенсивности проходящего света. Красное, оранжевое и жёлтое стёкла незначительно влияют на интенсивность луча. Зелёное и синее стекло заметно ослабляют проходящий луч. Фиолетовое стекло вообще не пропускает излучение лазера. Вывод: Лазерное излучение – это монохромное излучение. Опыт 2. Проверка поляризации излучения. Пропускаем луч через поляризатор. Поворачиваем поляризатор перпендикулярно плоскости фильтра. Наблюдаем, что интенсивность луча уменьшается при повороте от 0 до 90о, затем при повороте от 90о до 180оинтенсивность увеличивается до первоначального значения. При повороте от 180о до 360о наблюдаем снова уменьшение и увеличение интенсивности. Вывод: Лазерное излучение частично поляризовано. При полной поляризации луч вообще бы не проходил через фильтр. Опыт 3. Определение угла расхождения пучка излучения. Для определения угла расхождения светового пучка измеряем диаметр лазерного пятна как можно ближе от выходного отверстия на белом листе картона, расположенного вертикально D1. Затем измеряем диаметр пятна на противоположной стене учебного кабинета D2. Расстояние между пятнами L измеряем рулеткой. Сделаем построение:      α L D1 D2 D1 = 5 мм = 5 . 10-3 м; D2 = 6 мм = 6 . 10-3 м; L = 5 м. Найдём угол расхождения пучка света α: tg α = (D2 – D1) = (6– 5).10-3 = 1 . 10-4 = 0,0001; α = 0,0001 рад = 0,006о 2L 2.5 Вывод : Полученное значение имеет такой же порядок, как значение из источника [9] – 0,003 о. Опыт 4. Определение длины волны излучения. Для определения длины волны используем дифракционную решётку. Устанавливаем решётку в держателе с линейкой, закрепляем экран с линейкой. Направляем лазерный луч через решётку на экран. Наблюдаем центральный максимум и по два боковых максимума слева и справа. Измеряем расстояние от решётки до экрана а и расстояние от центрального максимума до первого бокового максимума b.  1 max  b  φ а  0 max дифракционная решётка b 1 max экран Рассчитаем длину волны с помощью уравнения дифракционной решётки: d . sin φ = k . λ, где d – период дифракционной решётки, k = 1 – порядок максимума. d = 0,01 мм = 1 . 10-2 мм = 1 . 10-5 м; а = 50 см = 0,50 м; b = 3,5 см = 0,035м; sin φ = tg φ = a (для малых углов); λ = d.b ; b а λк = 1 . 10-5 . 0,035 = 7,0 . 10-7 м = 700 нм. 0,50 Вывод: Длина волны равна 700 нм. Это значение совпадает с длиной волны излучения, которую даёт рубиновый лазер (693,3нм). 3. Представление результата исследования. После завершения экспериментов приступаем к оформлению результата исследования. Соблюдаем требованию к структуре и содержанию учебного проекта [1]. Результатом этого этапа проектной деятельности является данная работа, представленная в печатном виде. Для представления результата исследования готовим электронную презентацию проекта. Используем рисунки из источников [8], [9] и фотографии, сделанные во время выполнения экспериментальной части проекта.   Презентуем свой исследовательский проект на научно-практической конференции «Путь к успеху - 2012», которая традиционно проходит в Ревдинском многопрофильном техникуме. Защита проекта предусматривает ответы на вопросы жюри, а также переосмысление результатов в ходе ответов, построение выводов, заключений. Заключение. В ходе учебного исследования были освоены этапы проектной деятельности. Полученные теоретические знания и практические навыки можно использовать в учебном процессе. Проектная деятельность способствует развитию способностей к самостоятельным системным действиям, анализу, проектированию в профессиональной деятельности. В дальнейшем планируется продолжение исследовательской работы. Литература. Человек и информация. Информационно-библиографическое обеспечение учебной деятельности: Учеб.пособие для основной и сред. шк./ М.В. Ивашина, А.Г. Гейн, О.В. Брюхова и др. – Екатеринбург: Центр «Учебная книга», 2007 Касьянов В.А. Физика 11 кл. Учебник для общеобразовательных учреждений- М: Дрофа, 2004 Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика: Учебник для 11-ого класса средней школы- М.: Просвещение, 2000 Енохович А.С. Справочник по физике- М.: Просвещение, 1990 Шахмаев Н.М.и др. Физический эксперимент в средней школе.- М. :Просвещение, 1991 Аракелян Э.М. Словарь терминов и понятий по курсу физики.- М.: Высшая школа, 1982 Храмов Ю.А. Физики: Биографический справочник. - М.: Наука, 1983 Энциклопедический словарь юного физика / М.: «Педагогика-Пресс», 1997 Большой энциклопедический словарь школьника / М.: «Большая Российская энциклопедия», 2001 |