Отчёт (лабораторная работа №1) изучение дифракции света при помо. Лабораторная работа 1 изучение дифракции света при помощи газового лазера
 Скачать 44.26 Kb.
|
|
userdocs.ru ОТЧЁТ (ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1) ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА ПРИ ПОМОЩИ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА Цель работы: получение дифракционной картины, определение периода дифракционной решетки и длины волны излучения газового лазера. Приборы и принадлежности: оптический квантовый генератор; дифракционная решетка; экран; линейка, установленная на штативе. Краткие теоретические сведенияЯвление отклонения света от прямолинейного распространения, проявляющееся при наличии препятствий на пути световой волны, известно как дифракция света. В результате дифракции в области за препятствием наблюдается сложное распределение интенсивности света – дифракционная картина. Дифракционная картина представляет собой чередование световых и темных полос (max и min), наблюдаемых с помощью экрана. Простейшим препятствием является узкая щель в непрозрачном экране. У  словия дифракции на многих щелях (дифракционной решетке) определяются условиями: d sin = 2 m /2 = m - главные максимумы d sin = (2 m + 1) /2 - главные минимумы. Постоянная дифракционной решетки (d) зависит от расстояния между соседними щелями d = a + в, где а – расстояние между соседними щелями, в – ширина каждой щели. График распределения интенсивности ( I ) света изображен на рис. 1. Описание установки Экспериментально можно определить основную характеристику дифракционной решетки – ее период (d). Экспериментальная установка состоит из источника монохроматического света – лазера (оптического квантового генератора), дифракционной решетки и экрана, установленных на оптической скамье (рис. 2). При помощи лазера удается получить узкий направленный пучок строго монохроматического света большой интенсивности, что связано с когерентностью излучения отдельных атомов, возбуждаемых в газоразрядной трубке (1) лазера с помощью зеркал (2). В работе используется гелий-неоновый лазер, генерирующий излучение с длиной волны = 632,8 нм. Узконаправленный параллельный пучок света лазера (ОКГ) попадает на дифракционную решетку (ДР). В пространстве за решеткой с помощью экрана (Э) локализуется дифракционная картина, состоящая из чередующихся максимумов и минимумов. Анализируя распределение дифракционных максимумов и, определив расстояние от экрана до дифракционной решетки, можно определить период дифракционной решетки. ^ В  ыполнение работы Включить лазер (лазер включается только лаборантом) и пронаблюдать на экране появление светового пятна. Установить на оптической скамье между лазером и экраном исследуемую дифракционную решетку на штативе. Перемещая дифракционную решетку, получить отчетливую дифракционную картину и заметить, как она изменяется в зависимости от расстояния между дифракционной решеткой и экраном. Сделать вывод. Зафиксировать определенную дифракционную картину и произвести измерения: а) определить положения первых трех максимумов, отсчитывая в обе стороны от нулевого (центрального) максимума ( xmax ); б) определить расстояние от решетки до экрана ( l ); Определить период дифракционной решетки, используя формулу:  ,где m – порядок главного максимума (m = 1, 2, 3 . . .), – угол дифракции, под которым наблюдается max , рассчитываемый из значений x и l. Синус угла дифракции рассчитывается по формуле:  Определить длину волны излучения данного газового лазера по формуле:  ,где xmax – координата наблюдаемого max относительно центрального, d – постоянная решетки, l – расстояние от решетки до экрана, m - порядок максимума. Результаты измерений свести в таблицу. Таблица 1
Произвести оценку погрешности, результат представить в виде:  мм; Относительная погрешность:  19.2418Вывод: ОТЧЁТ (^ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6) ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА Цель работы: изучить основные законы внешнего фотоэффекта и характеристики вакуумного фотоэлемента. Приборы и принадлежности: оптическая скамья, осветитель, вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, источник постоянного тока, микроамперметр, вольтметр, потенциометр, соединительные провода. ^ Теоретическое обоснованиеЯвление испускания электронов веществом под действием падающего света получило название фотоэффекта. Различают внешний фотоэффект, когда испущенные электроны покидают пределы тела и внутренний фотоэффект, когда электроны, потерявшие cвязь со своими атомами, остаются внутри тела, изменяя его электропроводность. На основании обобщения опытных данных установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта: 1. При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световом потоку. 2. Максимальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности. 3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества величины νmin называемой красной границей фотоэффекта. Явление фотоэффекта может быть объяснено только исходя из квантовых представлений о природе света. Развивая квантовую теорию Планка, Эйнштейн выдвинул гипотезу, согласно которой не только испускание и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте света:  (1)Применяя закон сохранения энергии для объяснения явления фотоэффекта, Эйнштейн установил соотношение, которое получило название основного уравнения фотоэффекта:  (2)где А - работа выхода электрона из вещества; mv2 /2 - кинетическая энергия вырванного электрона; h - постоянная Планка. Согласно Эйнштейну, каждый фотон взаимодействует только с одним электроном. Энергия фотона полностью передается электрону, при этом часть энергии тратится на совершение работы выхода электрона из вещества, а оставшаяся часть идет на сообщение ему кинетической энергии. Из (2) для красной (низкочастотной) границы фотоэффекта имеем:  (3)Если подать на фотоэлемент задерживающее напряжение, то электроны будут тормозиться на пути к аноду. При определенной величине задерживающего напряжения будет выполняться соотношение:  , (4)то есть кинетическая энергия вырванных электронов полностью расходуется на преодоление задерживающего напряжения. В этом случае даже самые быстрые электроны не достигают анода. Фотопоток перестает существовать, и уравнение Эйнштейна (2) с учетом соотношения (4) может быть записано в виде:  (5)На использовании явления внешнего фотоэффекта основана работа вакуумных и газонаполненных фотоэлементов. Основными характеристиками вакуумного фотоэлемента являются его вольтамперная, световая, спектральная характеристики и интегральная чувствительность. Под вольтамперной характеристикой понимают зависимость силы фототока от приложенного напряжения, т.е. i=f(U). Световой характеристикой называется зависимость силы фототока от величины светового потока, т.е. i = f(Ф). Световой поток равен:  (6)Где I - сила света источника; Ω- телесный угол, в котором распространяется свет. Поскольку Ω=S/r2, то для светового потока справедливо выражение:  (7)где S - площадь входного окошка фотоэлемента, на который опирается телесный угол; R - расстояние от источника света до фотоэлемента. Под спектральной характеристикой понимают зависимость силы фототока от длины падающего света, т.е. i=f(λ). Интегральной чувствительностью фотоэлемента j называется отношение силы фототока i к величине светового потока Ф:  (8)^ Описание установкиУстановка для изучения основных характеристик фотоэлемента состоит из оптического рельса, на котором размещаются исследуемый фотоэлемент и источник света. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой щелочного металла, служащий катодом. Анод изготовлен в виде металлического кольца. Для питания лампы и фотоэлемента применяют источник постоянного тока. Сила фототока измеряется с помощью чувствительного микроамперметра, напряжение - с помощью вольтметра постоянного тока. ^ Выполнение работыУпражнение 1. Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента. 1. Разместив на оптическом рельсе источник света и фотоэлемент, собрать электрическую схему согласно рисунка 1.   Рисунок 1. 2. На фотоэлемент, установленный на расстоянии 15 см от лампы, подать напряжение 30 В и измерить силу фототока. 3. Изменяя напряжение с помощью потенциометра, через каждые 10 В (от 30 В до 100 В) фиксировать соответствующие значения силы фототока. 4. Используя результаты измерений, построить вольтамперную характеристику, т.е. i=f(U) . 5. Установить фотоэлемент на расстоянии 20 см от лампы и повторить всю серию измерений. Построить график и сделать выводы.
Упражнение 2. Снятие световой характеристики фотоэлемента 1. Установить фотоэлемент на расстоянии 10 см от источника света и подать на него напряжение 70 В. 2. Открыть фотоэлемент и измерить силу фототока. 3. Поддерживая на фотоэлементе постоянное напряжение 70В, передвинуть его на расстояние 15, 20, 25 см и т.д., зафиксировать соответствующие значения силы фототока. Вычислить по формуле (7) величину светового потока при каждом положении фотоэлемента (R=10, 15, 20, 25 см). При этом площадь светочувствительного слоя фотоэлемента S определяем как площадь круга S=πD2/4. Диаметр фотоэлемента D=39 мм. Сила света источника I=21 Кд. 4. Построить график зависимости i = f(Ф), т.е. световую характеристику. 5. Увеличить напряжение на фотоэлементе до 100 В и повторить всю серию измерений. Построить и в этом случае световую характеристику и сделать выводы.
Вывод: ^ ОТЧЁТ (ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7) ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА МИКРОСКОПОМ И ЖИДКОСТИ РЕФРАКТОМЕТРОМ АББЕ Цель работы: экспериментально определить показатели преломления стекла и жидкости, используя явления преломления и полного внутреннего отражения света на границе раздела двух сред. Приборы и принадлежности: микроскоп с микрометрическим винтом, стеклянная пластинка с царапинами на обеих поверхностях, микрометр, рефрактометр Аббе, исследуемые жидкости. ^ Часть 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА МИКРОСКОПОМТеоретическое обоснованиеДля определения показателя преломления стекла используется явление кажущегося уменьшения толщины пластинки, обусловленное преломлением световых лучей при переходе из оптически более плотной в оптически менее плотную среду.   Рисунок 1 Пусть микроскоп наведен наблюдателем на верхнюю поверхность пластинки. В этом случае, чтобы увидеть нижнюю поверхность пластинки, необходимо сдвинуть тубус микроскопа не на расстояние ОА, равное толщине пластинки d, а на меньшее расстояние АО1, равное кажущейся толщине пластинки d1. Так как в объектив микроскопа попадает очень узкий пучок света, то углы r и i малы и синусы этих углов могут быть заменены их тангенсами. Из рисунка 1 видно, что  Но так как АВ=ОС, АО1 = d1, ВС=d, то  (1)Таким образом, для определения показателя преломления стекла необходимо истинную толщину пластинки разделить на кажущуюся толщину. ^ Описание установкиДля определения показателя преломления стекла используется плоскопараллельная стеклянная пластинка с нанесенными на ее обеих сторонах царапинами. Для того, чтобы легче было распознать, какая именно поверхность пластинки наблюдается в микроскоп, удобно на одной стороне провести царапину вдоль пластинки, а на другой - поперек её. Истинная толщина пластинки d=2,2 мм измеряется микрометром. Кажущаяся толщина пластинки d1 равна разности отсчетов положений тубуса при наведении микроскопа на верхнюю и нижнюю царапины. Перемещение тубуса микроскопа от верхней до нижней царапины осуществляется с помощью микрометрического винта, который служит для медленного перемещения с точностью до 0,002 мм в пределах 23-24 оборотов. Стопорный механизм, скрытый в тубусодержателе, ограничивает возможность дальнейшего движения. При работе микрометрическим винтом следует помнить, что от неосторожного нажима на стопорный механизм может произойти его поломка, вследствие чего микроскоп будет выведен из строя. ^ Выполнение работы1. Положить пластинку на предметный столик так, чтобы пересечение царапин оказалось в центре поля зрения микроскопа. 2. Навести микроскоп на верхнюю царапину и отметить по диску микрометрического винта деление K1, стоящее против указателя. 3. Вращая микрометрический винт, добиться ясного видения нижней царапины, отсчитывая при этом число полных оборотов m и отметив K2 - деление диска, стоящее против указателя 4. Вычислить кажущуюся толщину пластинки по формуле:  учитывая, что m полных оборотов винта перемещают тубус микроскопа на (mS) мм, а разность делений винта K2-K1 соответствует перемещению тубуса на расстояние (K2-K1)Z мм, и где: S - шаг винта микроскопа, равный 0,100 мм; Z - цена деления барабана, равная 0,002 мм. Вычисления: К1=25 К2=30 S=0.100 Z=0.002 m=12 5. Вычислить показатель преломления стекла по формуле (1). n=1.5602 ^ Часть II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ РЕФРАКТОМЕТРА АББЕОписание установкиОсновной деталью рефрактометра является призма, состоящая в действительности из двух прямоугольных призм. Эти призмы сложены гипотенузами и вмонтированы в полые кожухи, выполненные в виде полуцилиндров. Нижний из них неподвижно прикреплен к корпусу, а верхний откидывается на шарнире. Обе призмы изготавливаются из тяжелого стекла, имеющего показатель преломления n=1,7, и вмонтированы в полуцилиндры так, что при наложении одной из них на другую, между основаниями призм остается свободное пространство. Это пространство при измерении заполняется исследуемой жидкостью. О  пределение показателя преломления жидкости с помощью рефрактометра может быть выполнено двумя способами. При первом способе (рис.2 а) пучок световых лучей, испускаемых источником света S, с помощью зеркальца Z направляется на грань АВ призмы ABC. Преломившись на грани АВ, лучи проходят в призму ABC и достигают грани АС. Так как эта грань сделана матовой и вызывает рассеяние света, то лучи войдут в жидкость и достигнут грани ДЕ под различными углами. Наибольший возможный угол преломления лучей на грани ДЕ равен βпред, чем и определяется граница распространения света.                 а) б) Рисунок 2. При втором способе (рис. 2 б) пучок световых лучей направляется на грань ДР. Грань ДF также матовая и поэтому лучи входят в призму ДЕF под разными углами. Положение границы раздела света и тени соответствует световым лучам, угол отражения которых от грани ДЕ равен βпред. В случае бесцветных и слабоокрашенных жидкостей, слабо поглощающих свет, следует пользоваться первым способом. При измерении показателя преломления интенсивно окрашенных жидкостей, сильно поглощающих свет, применим лишь второй способ. В обоих случаях в окуляр трубы видно поле зрения, разделенное на две части - светлую и темную. Одновременно в окуляр также видна визирная линия, состоящая из трех черточек, и шкала рефрактометра. Левая сторона шкалы позволяет отсчитать показатели преломления различных жидкостей в пределах от 1,4 до 1,54, а с правой стороны поле зрения окуляра проградуировано на процентное содержание сахара. ^ Выполнение работы1. Приподняв верхнюю призму, поместить 1-2 капли исследуемой жидкости (глицерина) на поверхность нижней призмы. При этом не следует ее касаться, чтобы не поцарапать. 2.Опустить верхнюю призму, направить луч света на систему призм согласно рис. 2 а. 3.Перемещая при помощи рычага окуляр, добиться совмещения трех черточек визирной линии с границей преломления и провести по шкале с левой стороны отсчета показателя преломления глицерина. Если граница между освещенной и неосвещенной частями окрашена в разные цвета, то следует добиться ее резкости путем поворота компенсатора. Занести в отсчет полученное значение коэффициента преломления глицерина. 4.Изменив положение зеркальца, направить отраженные лучи на систему призм в соответствии с рис. 2 б и снова сделать отсчет показателя преломления глицерина. Сравнить между собой значения показателя преломления, полученные первым и вторым способами. После окончания измерений тщательно очистить призмы рефрактометра от глицерина ваткой. 5.Аналогично найти концентрацию раствора сахара, делая отсчет с правой стороны шкалы, и полученное значение также занести в отчет. р-р сахара: n=1.356; с=15% глицерин: n=1.454; с=66% Вывод: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,
,
,
