Оптика Лабораторные работы 1. Л. Ф. Добро, Н. М. Богатов, О. Е. Митина
 Скачать 26.45 Mb.
|
Порядок выполнения задания 3.11. На рис. 3.5 приводится схема экспериментальной установки. Работа выполняется в затемненном помещении. Перемещая лампу накаливания, добиться максимального освещения поляроида, затем включить в сеть прибор Щ-302 (кнопки «авт.» и «I» отжаты).  Рис. 3.5. Схема экспериментальной установки для проверки закона Малюса: S – источник света (лампа накаливания); П1 – поляризатор; П2 – анализатор; I0 – интенсивность естественного света; I1,I2 – интенсивность поляризованного света; – угол между направлениями колебаний электрического вектора световой волны, пропускаемых анализатором и поляризатором В используемой экспериментальной установке поляроид, обращенный к источнику света, вращается. Второй поляроид закреплен перед фотоэлементом неподвижно. Вращая поляроид, добиться максимального значения показаний ампервольтметра. Записать значения угла и силы тока I. Поворачивайте поляроид на 360° и через каждые 10 (до завершения полного оборота) определить и записывать показания ампервольтметра. Повторите измерения, меняя угол от 360 до 0. Усреднить результаты. 2. Построить график зависимости силы фототока I, пропорциональной интенсивности J прошедшего света, от угла поворота . 3. Определить степень поляризации света по формуле  .
Контрольные вопросы к заданию 3.1
Задание 3.2. ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ. ПРОВЕРКА ЗАКОНА МАЛЮСА (компьютерная модель) Приборы и принадлежности: компьютерная модель виртуального лабораторного практикума «Изучение вращения плоскости поляризации». Проверка закона Малюса. Цель задания: проверка закона Малюса. Подготовка к заданию 1. Запустите программу «Открытая физика», в содержании найдите раздел «Оптика», а затем – виртуальную модель «Поляроиды». Модель является компьютерным экспериментом по проверке закона Малюса. Окно модели «Поляроиды» представлено на рис. 3.6. Рассмотрим детально информационные поля этой компьютерной модели, их шесть. На рис. 3.6 изображен источник света I0, поляризатор 1. После прохождения неполяризованного света через поляроид свет становится линейно поляризованным, направления колебаний которого представлено вертикальными стрелками. 2 – анализатор (поляроид), который анализирует вышедший из поляризатора свет. Если естественный свет проходит через два установленных поляроида, то интенсивность прошедшего света зависит от угла ∆φ между главными направлениями поляроида.   Рис. 3.6 . Окно виртуальной модели «Поляроиды». Если ∆φ=0 , то  . Если ∆φ=90º , то  Изменяя значения угла ∆φ от 0 º до 360 º с шагом 10 º, заполнить табл.3.1 Таблица 3.1
3. По полученным результатам построить график зависимости силы фототока от ∆φ . 4. Степень поляризации света определить по формуле 5. Построить график зависимости силы фототока от cos2 ∆φ. 6. Сравнить полученные результаты в задании 3.1 и задании 3.2. Контрольные вопросы к лабораторной работе 3
Рекомендуемая литература: [5], [7], [8], [9], [10], [12], [14]. Лабораторная работа № 4 ИЗУЧЕНИЕ ЗРИТЕЛЬНОЙ ТРУБЫ И МИКРОСКОПА Заданиe 4.1. Определение увеличения и поля зрения оптической трубы Приборы и принадлежности: оптическая труба; стенной масштаб; рулетка. Цель задания: определение увеличения и поля зрения оптической трубы. Краткая теория Для наблюдения удаленных космических объектов часто используют астрономическую зрительную трубу (трубу Кеплера), при наблюдении наземных объектов удобнее использовать зрительную трубу Галилея. Каждый из этих оптических приборов состоит из двух частей: объектива-линзы, обращенной к объекту, и окуляра-линзы, обращенной к наблюдателю. Объектив, в качестве которого всегда используется положительная линза, создает действительное изображение предмета. Это изображение рассматривается глазом через окуляр. Ход лучей в астрономической и земной зрительных трубах представлен на рис. 4.1 и 4.2.  Рис. 4.1. Ход лучей в астрономической зрительной трубе (трубе Кеплера) Поскольку зрительные трубы используются для наблюдения удаленных предметов, находящихся от объектива на расстояниях, превышающих его фокусное расстояние, изображение А предмета, даваемое объективом, находится практически в его фокальной плоскости.  Рис. 4.2. Ход лучей в галилеевой зрительной трубе Мнимое изображение В, даваемое окуляром, располагается на некотором расстоянии d от окуляра. Наводя оптический инструмент на резкость, наблюдатель автоматически устанавливает такое расстояние d, которое удобно для аккомодации (приспособления) глаза. Поскольку глаз обладает значительной областью аккомодации, расстояние d для одного и того же наблюдателя может существенно изменяться от опыта к опыту. При изменении аккомодации оптический прибор, вооружающий глаз, должен быть несколько перефокусирован. В зрительных трубах этого достигают перемещением окуляра. Для того чтобы исключить в теории произвол, связанный с неопределенностью расстояния d, полагают обычно, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность. При этом мнимое изображение В должно располагаться в бесконечности и, следовательно, промежуточное изображение А должно совпадать с фокальной плоскостью окуляра. При наблюдении предметов с помощью зрительной трубы угловой размер изображения, рассматриваемого глазом, оказывается существенно больше, чем угловой размер объекта при наблюдении невооруженным глазом. Отношение тангенсов углов зрения, под которым видны изображение и предмет, называют угловым увеличением оптического прибора. В случае зрительной трубы всегда предполагается, что расстояние между объектом и наблюдателем значительно превышает фокусное расстояние объектива. Увеличение астрономической зрительной трубы При наблюдении далеких предметов с помощью астрономической зрительной трубы (трубы Кеплера) глазом, аккомодированным на бесконечность, задний фокус объектива совпадает с передним фокусом окуляра. В этом случае труба является афокальной системой: параллельный пучок лучей, входящий в объектив, остается параллельным на выходе из окуляра. Такой ход лучей называют телескопическим. Рассмотрим параллельный пучок лучей, исходящий из бесконечно удаленной точки, лежащей в стороне от оптической оси (рис. 4.3). Лучи, выходящие из окуляра, снова оказываются параллельными, но угол их наклона к оптической оси при этом изменяется.  Рис. 4.3. Оптическая схема к расчету увеличения астрономической зрительной трубы Пусть пучок света, падающий в объектив, составляет с оптической осью угол 1, а пучок, выходящий из окуляра, – угол 2. Увеличение зрительной трубы по определению равно  . (4.1)Ширина параллельного пучка лучей, входящих в объектив, определяется диаметром D1 его оправы, ширина пучка, выходящего из окуляра, определяется диаметром D2 изображенияоправы объектива, даваемого окуляром. На основании простых геометрических соотношений, очевидных из рис. 4.3, имеем  , (4.2) . (4.3)С помощью (4.2) и (4.3) для увеличения найдем  . (4.4) Соотношение (4.4) показывает, что увеличение трубы можно определить тремя способами: путем измерения углов, под которыми предмет виден без трубы и через трубу, путем измерения диаметров объектива и его изображения в окуляре и, наконец, путем измерения фокусных расстояний объектива и окуляра. В настоящей работе используется первый способ. Увеличение галилеевой зрительной трубы Если заменить положительный окуляр астрономической трубы отрицательным, получается галилеева (или земная) труба. При телескопическом ходе лучей в галилеевой трубе расстояние между объективом и окуляром равно разности (точнее алгебраической сумме) их фокусных расстояний (рис. 4.4), а изображение оправы объектива, даваемое окуляром, оказывается мнимым. Это изображение располагается между окуляром и объективом. Легко показать, что формула (4.4), выведенная для астрономической трубы, справедлива и для земной трубы. Достоинством галилеевой трубы является то, что она дает прямое изображение. Поэтому зрительные трубы, бинокли и т.д. делаются по схеме Галилея.  Рис. 4.4. Оптическая схема к расчету увеличения галилеевой зрительной трубы Пусть l0 – предмет, отстоящий на расстояние d0 от глаза наблюдателя (точки О),l – изображение предмета, видимое в трубу и находящееся на расстоянии d от точки О; 0 и – соответствующие углы зрения. Согласно определению увеличение  .Спроецируем изображение l на плоскость предмета при помощи центральной проекции с центром в точке О, т.е. так, чтобы все точки изображения переместились вдоль лучей, соединяющих их с глазом наблюдателя. Спроецированное таким образом изображение займет положение L. Очевидно, что угол зрения, под которым видна эта проекция, – , а расстояние ее от глаза есть d0. В этом случае увеличение  .Пусть предмет представляет собой шкалу, длина одного деления которого есть l0. Если теперь выбрать такой отрезок шкалы, чтобы на нем улеглось n делений предмета и Nделений изображения, где nи N числа целые и n>N, то можно записать, что nl0=NL и, следовательно, увеличение трубы равно  .Если предмет расположен не так, как указано на рис. 4.5, а пересекает ось прибора, то выражение не изменится. В этом можно легко убедиться, сделав соответствующее построение.  Рис. 4.5. Иллюстрация к расчету увеличения трубы путем измерения тангенсов углов Порядок выполнения задания 4.1 Навести трубу на стенной масштаб, находящийся от трубы на расстоянии нескольких метров, и cфокусировать ее на линейку с делениями. Отсчитывать число N делений, видимых в трубу. Одновременно вторым, невооруженным глазом смотрят мимо трубы на стенной масштаб. Добиваться того, чтобы изображение в трубе налагалось на видимый невооруженным глазом масштаб, и отметить границы поля зрения трубы (рис. 4.6).  Стенной масштаб Поле зрения трубы Рис. 4.6. Определение увеличения трубы Всю эту операцию удобней делать вдвоем – один смотрит в трубу, другой стоит возле масштаба, отмечает границы поля зрения трубы (верхнюю и нижнюю) и считает число делений стенного масштаба n, совпадающих с делениями N его изображения, видимыми в трубу. Увеличение трубы находят по формуле  (4.5)и вычисляют погрешности. Таким способом можно производить определения увеличения только при малых увеличениях. Этот метод неточен, потому что условия опыта не соответствуют условиям применения трубы: зрительная труба применяется для наблюдения достаточно удаленных объектов Результаты измерений и вычислений заносят в табл. 4.1. Таблица 4.1
Контрольные вопросы к заданию 4.1
Задание 4.2. Определение увеличения микроскопа при помощи рисовального аппарата Приборы и принадлежности: микроскоп; объект-микрометр; рисовальный прибор; горизонтальный миллиметровый масштаб (миллиметровая бумага на подставке); линейка масштабная. Цель задания: экспериментальное определение увеличения микроскопа при помощи рисовального аппарата. Краткая теория Лучи от какого-либо источника света (окна или лампы) падают на зеркало 3 (рис. 4.7) и, отражаясь от него, направляются через отверстие диафрагмы Д в конденсор К.  Рис. 4.7. Схема простого микроскопа Выйдя из последнего, они сильно сходящимся пучком попадают на предмет АВ, помещенный на плоскопараллельной пластинке несколько дальше главного фокуса объектива и одновременно в фокусе конденсора. Дальше лучи света попадают на объектив. Пройдя его, лучи слабо сходящимся пучком идут до окуляра и должны дать в плоскости L1, сопряжённой с полоскостью объекта, увеличенное, обратное, действительное изображение A1B1. Но на пути их находится собирательная линза окуляра, преломляясь в которой, лучи сходятся несколько ближе к объективу в плоскости L2 и дают изображение A2B2. В этой плоскости, положение которой определяется для данного микроскопа длиной тубуса, помещается диафрагма, ограничивающая поле зрения, т.е. являющаяся диафрагмой поля зрения. Положение её в большинстве микроскопов соответствует длине тубуса, равной 160 мм. Так как плоскость L2 лежит ближе к центру глазной линзы окуляра, чем её главное фокусное расстояние, то действие этой линзы сводится к действию простой лупы, заставляющей лучи света, идущие от изображения A2B2, еще более расходиться и создавать мнимое, обратное по отношению к объекту и ещё более увеличенное изображение A3B3, лежащее в плоскости L3, положение которой зависит от установки тубуса микроскопа. Ход лучей в окуляре изображен на рис. 4.8. .  Рис. 4.8. Ход лучей в окуляре Гюйгенса Обычно плоскость L3 устанавливается наблюдателем при наводке на резкость на расстоянии наилучшего зрения его глаза. Через микроскоп видят значительно увеличенное изображение по отношению к самому предмету. Фокусировка микроскопа, т.е. установка его на резкость изображения предмета, производится перемещением тубуса микроскопа относительно предмета с помощью кремальеры (винта). Увеличение микроскопа слагается из увеличения объектива и окуляра. Если объектив рассматривать как проекционный прибор, то величина изображения A1B1 представляется формулой  , (4.6)где F1 – главное фокусное расстояние объектива; – расстояние от центра объектива до изображения. Действие обеих линз окуляра можно заменить действием эквивалентной линзы с фокусным расстоянием F2 (лупой). В этом случае ход лучей в микроскопе можно изобразить упрощенно (рис 4.9).  Рис. 4.9. Ход лучей в простом микроскопе Для лупы справедливо соотношение  , (4.7)где L0 – расстояние наилучшего зрения глаза наблюдателя. Согласно формуле (4.1) имеем:  .Тогда поперечное (линейное) увеличение микроскопа будет  . (4.8)Так как изображение A1B1 должно лежать весьма близко к главному фокусу окуляра, а фокусное расстояние объектива весьма мало, то с достаточной точностью можно считать равным расстоянию между верхним фокусом объектива и нижним фокусом окуляра, которое называется оптической длиной микроскопа. Субъективное увеличение микроскопа определяется формулой  ,где и 0 – углы зрения изображения A2B2 и предмета AB. Из рис. 4.10 ясно, что ;  ,где l – расстояние от объекта до плоскости П, в которой помещается глаз наблюдателя; L0 – расстояние наилучшего зрения.  Рис. 4.10. Определение увеличения микроскопа Следовательно,  (4.9)Используя формулу (3), находим субъективное увеличение  (4.10)Описание конструкции микроскопа Микроскоп состоит из следующих составных частей (рис. 4.11): зеркала 1; предметного столика 2; ахроматических объективов 3; тубуса 4; окуляров 5; механизма грубой фокусировки 6; микрометрического механизма 7; держателя тубуса 8; основания 9. Основание 9 представляет собой отливку подковообразной формы с тремя опорными площадками.  Рис. 4.11. Общий вид микроскопа Тубус состоит из двух частей, в верхнюю часть вставляют окуляры, в нижнюю ввёртываются объективы. Микрометрический механизм 7 служит для обеспечения точной фокусировки микроскопа. Маховичок микромерического механизма жёстко соединён с барабаном, по окружности которого нанесено 50 делений. Один оборот барабана соответствует линейному перемещению тубуса на 0,1 мм, два штриха на направляющей показывают диапазон перемещения тубуса микрометрическим механизмом. С помощью этого можно определить также толщину исследуемого под микроскопом прозрачного объекта путем двух последовательных фокусировок на верхнюю и нижнюю его поверхности и отсчётов показаний на барабане. Предметный столик 2 посредством кронштейна соединен с держателем тубуса. Для зажима препарата на столике имеются пружинящие клеммы. Снизу к столику крепится гильза для установки сменных диафрагм. На каждом из ахроматических объективов 3 (сменных) нанесены увеличение и апертура. Механическая длина тубуса – 160 мм, толщина покровного стекла – 0,17 мм. Окуляры Гюйгенса изготовлены так, что при замене одного из них другим изображение остается в той же плоскости. На каждом окуляре нанесено его увеличение. Зеркало 1, вращающееся вокруг оси, позволяет наилучшим образом направить свет от источника освещения на наблюдаемый объект. Описание рисовального аппарата Объект-микрометр представляет собой стеклянную пластину с делениями в 0,1 мм или 0,01 мм. Рисовальный аппарат (рис. 4.12) состоит из двух призм в оправе и зеркала.  Рис. 4.12. Принцип работы рисовального аппарата Он позволяет наблюдать объект, который находится в стороне от направления визирования. Порядок выполнения задания 4.2
Пусть N1 делений шкалы по a1 мм каждое совпало с N2 делениями микрометра по a2 мм каждое; тогда увеличение микроскопа равно  .Увеличение определять несколько раз, производя отсчёты в разных частях микрометра. Данные измерения записывают в табл.4.2. Таблица 4.2
Контрольные вопросы к заданию 4.2
Задание 4.3. Определение увеличения объектива микроскопа с помощью окулярного микрометра Приборы и принадлежности: микроскоп; окулярный микрометр; объект-микрометр. Цель задания: экспериментальное определение увеличения объектива микроскопа с помощью окулярного микрометра. Устройство окулярного микрометра МОВ-1-15х Микрометр окулярный винтовой MOB-1-15х является принадлежностью к микроскопу и служит для измерения линейных размеров объектов, рассматриваемых в микроскоп. МОВ-1-15x состоит из 15-кратного окуляра с диоптрийной наводкой в пределах ±5 диоптрий и отсчётного механизма. Пределы измерения от 0 до 8 мм. В фокальной плоскости окуляра микрометра расположена неподвижная пластинка со шкалой (от 0 до 8), каждое деление которой равно 1 мм. В этой же плоскости расположена вторая пластинка с перекрестием и индексом (рис. 4.13). Эта пластинка соединена с точным микрометренным винтом так, что при вращении микрометренного винта перекрестие и риски перемещаются в поле зрения окуляра относительно неподвижной шкалы.  Рис. 4.13. Поле зрения окулярного микрометра Шаг винта равен 1 мм. Таким образом, при повороте барабана винта на один оборот (шаг) риски и перекрестие в поле зрения перемещаются на одно деление шкалы. Следовательно, неподвижная шкала в поле зрения служит для отсчета полных оборотов винта, т.е. для отсчета полных миллиметров перемещения перекрестия окуляра. Барабан винта разделён на 100 частей. Следовательно, поворот барабана на одно деление соответствует перемещению перекрестия на 0,01 мм. Таким образом, шкала барабана служит для отсчета сотых долей миллиметра. Полный отсчет по шкалам окулярного микрометра складывается из отсчёта по неподвижной шкале и отсчета по барабану винта. Отсчет по неподвижной шкале в поле зрения определяется положением рисок, т.е. подсчитывается, на сколько полных делений шкалы переместились риски, считая от нулевого деления шкалы. В поле зрения по шкале окуляра отсчитываем полные миллиметры и видим, что риски не дошли до 5 деления, следовательно, отсчет будет 4,00 мм. Отсчёт по барабану микрометренного винта производится точно так же, как и на обычном микрометре. Индекс барабана приходится против деления 45 шкалы барабана. Так как цена одного деления шкалы барабана равна 0,01 мм, то отсчет по барабану будет 0,45 мм. Полный отсчёт по шкалам окуляра будет 4,00 мм + 0,45 мм = 4,45 мм. Порядок выполнения задания 4.3 Для измерения линейного увеличения объектива микроскопа применяется объект-микрометр (он устанавливается на столик микроскопа) и окулярный микрометр, который одевается на окулярную трубку тубуса микроскопа до упора (сняв предварительно стандартный окуляр) и закрепляется на ней винтом. Если тубус микроскопа выдвижной, то следует установить выбранную длину тубуса. После этого, вращая окуляр за накатанную часть, необходимо установить резкое изображение перекрестия. Далее, перемещая тубус микроскопа, следует получить резкое изображение шкалы объект-микрометра и после этого приступить к измерению увеличения объектива. По шкале объект-микрометра взять некоторое число делений, укладывающихся в 2/3 поля зрения окуляра. Не рекомендуется при измерении пользоваться всем полем зрения окуляра, так как на краю поля качество изображения несколько хуже, чем в центре. Для удобства измерения объект-микрометр установить так, чтобы нулевой штришок его шкалы был расположен на расстоянии 1/3 радиуса поля зрения от края. После этого, наблюдая в окуляр и вращая барабан, подвести центр перекрестия окуляра до совпадения с изображением нулевого штриха шкалы объект-микрометра и сделать по шкале окулярного микрометра отсчет. Далее вращением барабана по часовой стрелке подвести центр перекрестия до совпадения с изображением штриха, который расположен приблизительно на расстоянии 1/3 радиуса поля зрения от края, и сделать второй отсчёт по шкалам окулярного микрометра. Подсчитать число делений шкалы объект-микрометра, принятых при измepeнии, вычислить разность отсчетов по шкалам окулярного микрометра и данные подставить в формулу  ,где – линейное увеличение объектива; z – разность двух отсчетов по шкалам окулярного микрометра; n – число делений объект-микрометра, принятых при измерении; a – цена одного деления шкалы объект-микрометра. Увеличение объектива микроскопа обычно обозначается на его оправе числом, за которым стоит знак ×. Это число обычно больше найденного опытным путем увеличения объектива. Несоответствие величин объясняется тем, что в окуляре Гюйгенса так называемая нулевая линза, обращенная к объективу, несколько уменьшает изображения объектива. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 4.3. Таблица 4.3
Контрольные вопросы к заданию 4.3
Контрольные вопросы к лабораторной работе 4
Рекомендуемая литература: [5], [7], [8], [9], [10], [12], [14]. Лабораторная работа 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА ПОЛЯРИМЕТРОМ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
?