оптика. Практикум Оптика и атомная физика

• Название: Практикум Оптика и атомная физика
• Дата: 05.03.2023
• Размер: 2.29 Mb.
• Имя файла: оптика.doc
• Тип: Практикум; #969896
• страница: 6 из 9

Контрольные вопросы.

1. 
   Природа света . Естественный и поляризованный свет .
   
2. 
   Поляризация света при отражении от диэлектрика . Закон Брюстера .
   
3. 
   Поляризация света при двойном лучепреломлении .
   
4. 
   Устройство призмы Николя .
   
5. 
   Закон Малюса .
   
6. 
   Описание установки и ход выполнения работы .
   

Литература
1. И.В.Савельев Курс общей физики, т2.- М.: «Наука» 1978, С.419-430

2. Т.И.Трофимова Курс физики, М.: «Высшая школа», 2002г., С.355-362

3. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф Курс физики, т.3. – М.: «Высшая школа», 1979г. С.142-154


Лабораторная работа № 3.7
Определение концентрации раствора сахара поляриметром.
Приборы и принадлежности: поляриметр, раствор сахара.
Краткая теория метода
Вращение плоскости поляризации, обнаруженное впервые на кристаллах кварца, заключается в повороте плоскости поляризации плоскополяризованного света при прохождении через вещество.

Вещества, обладающие способностью вращать плоскость поляризации, называются оптически активными.

Пусть свет падает от источника S на систему «поляризатор» Р – «анализатор» А, которые поставлены «скрещено», т.е., их плоскости поляризации взаимно-перпендикулярны рр  аа. В этом случае свет до наблюдателя не дойдет, так как анализатор не пропускает свет в соответствии с законом Малюса (φ=90°).

Если же между поляризатором и анализатором поместить оптически активное вещество Т, происходит просветление поля зре­ния, которое, однако, можно погасить, повернув анализатор на угол φ. Следовательно, свет по выходе из вещества остается плоскополяризованным, но плоскость колебаний его светового вектора оказывается повернутой на угол φ.

Оптической активностью могут обладать кристаллы (кварц, киноварь), жидкости (скипидар, никотин) и их пары, растворы оптически активных веществ (водные растворы сахара, спиртовые растворы камфары и др.)

Угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален толщине слоя d оптически активного вещества:

φ=αd,

где α – постоянная вращения, равная углу поворота плоскости поляризации слоем вещества единичной толщины.

Для большинства оптически активных веществ (кварца, сахара и т.д.) обнаружено существование двух модификаций, осуществляющих вращение соответственно по и против часовой стрелки (если посмотреть по ходу луча). Первая модификация называется правовращающей, вторая – левовращающей.

В растворах, как показал Ж.Био, угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален толщине раствора l и его концентрации с:

φ=αlс

где α – постоянная прибора,

l– толщина раствора,

с – концентрация раствора.

Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предположил, что в оптически активных веществах световые волны, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с неодинаковой скоростью.

Плоскополяризованный свет можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн, правого и левого вращения, с одинаковыми амплитудами и частотами. На рис. 1 а обозначены: - световой вектор левой составляющей, - правой, рр – направление суммарного вектора Е.

Е сли скорости распространения обоих волн неодинаковы, то по мере прохождения через вещество один из векторов, например , будет отставать в своем вращении от вектора (рис. 1 б), т.е. результирующий вектор будет поворачиваться в сторону более «быстрого» вектора , и займет положение QQ. Угол поворота будет равен φ.

Различие в скорости распространения света с разными направлениями круговой поляризации обусловлено асимметрией молекул. Молекулы право и левовращающих веществ являются зеркальным отображением друг друга. Модели зеркально-симметричных молекул яблочной кислоты показаны на рис.2.

Э ти молекулы нельзя совместить ни поворотом, ни перемещением.

В зависимости от пространственной структуры молекул одно и то же вещество может вращать плоскость поляризации по часовой стрелке (вправо), или против часовой стрелки (влево).

Кроме естественной оптической активности, вещество может обладать искусственной оптической активностью, которая возникает в нем под влиянием внешних воздействий, например, при внесении вещества в магнитное поле (эффект Фарадея).

Эффект Фарадея заключается в том, что оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации света, распространяющегося вдоль магнитного поля, в которое помещено вещество.

Опыт ставится по схеме (рис. 3): между скрещенными поляризатором и анализатором вводится оптически неактивное вещество, помещенное внутри катушки с большим числом витков. При включении электрического тока внутри катушки благодаря большому числу витков возникает сильное продольное магнитное поле. При этом наблюдатель видит посветление поля зрения прибора. Вращением анализатора можно убедиться, что действительно имеет место поворот плоскости поляризации на некоторый угол φ.

У
гол φ оказывается пропорциональным величине напряженности магнитного поля Н и длине исследуемого вещества l

Φ=VHl

Коэффициент V наз. постоянной Верде и зависит от рода вещества и длины волны света.

В последнее время эффект Фарадея широко используется в научных исследованиях.

Описание прибора.

Вращение плоскости поляризации нашло широкое применение для различных целей, в частности для определения процентного содержания сахара в растворах.

В данной работе для этих целей используется прибор, называемый поляриметром. Устройства, предназначенные для исследования сахара, называются сахариметрами.

Вращение плоскости поляризации нашло широкое применение для различных целей, в частности, для определения процентного содержания сахара в растворах.

В данной работе для этих целей используется прибор, называемый поляриметром. Часто приборы, предназначенные для измерения концентрации сахара, называют сахариметрами.

Основные части поляриметра: два николя П (поляризатор) и А (анализатор), расположенные в корпусе прибора, поддерживаемом штативом.

На поляризатор П падает естественный луч от осветителя. После поляризатора луч проходит исследуемый раствор, залитый в стеклянную трубку, помещенную в корпус прибора. Луч, прошедший через раствор, затем проходит через анализатор и попадает в окуляр. Анализатор может поворачиваться при помощи кремальеры. Угол поворота анализатора отсчитывается при помощи нониуса по разделенному на градусы лимбу.

Установить николи в положение перекрещивания по наблюдению изменения интенсивности прошедшего через них света с большой точностью очень трудно. Поэтому для повышения точности наблюдений, применяется полутеневой поляризатор, отличающийся от обычного специальной конструкцией поляризатора и анализатора. Поле зрения в таком поляриметре кажется разделенным на две половины. Анализатор необходимо вращать до тех пор, пока обе половины поля зрения не окажутся одинаково затемненными (рис.4 )

Ч асть стенки корпуса прибора представляет собой крышку, которая может откидываться на петлях. Во внутреннюю часть корпуса помещают поочередно трубки с исследуемыми растворами сахара. Длина стеклянной трубки в нашем приборе – 2 дм.

Порядок выполнения работы.

1. Включить источник света.

2. Открыв крышку и убедившись, что из прибора вынута трубка с раствором сахара, смотрят в нижний окуляр и вращением кремальеры устанавливают анализатор так, что обе половины поля зрения окуляра будут затемнены одинаково.

3. В верхнем окуляре наблюдают лимб с нониусом. При правильной установке угол φ будет равен нулю, т.е. против нуля верхней шкалы (нониуса) стоит нуль нижней (лимба).

4. Определяют постоянную. Прибора следующим образом: заливают в стеклянную трубку раствор сахара известной концентрации и измеряют длину трубки в дециметрах, затем помещают трубку в корпус прибора, закрывают крышку и смотрят в нижний окуляр. Вращением кремальеры добиваются того, чтобы обе половины поля зрения были одинаково затемнены, как это было при начальной установке прибора.

Глядя в верхний окуляр, определяют угол поворота плоскости поляризации φ₀.

5. Подставляя найденное значение φ₀, известное значение с₀ и измеренную длину трубки l в дм, из формулы

φ=κlс₀

находят постоянную прибора к: к= φ₀/ lс₀ (град/дм %)

6. Измерения угла φ делают 3 раза и находят три соответствующих значения к, из которых вычисляют среднее значение к_ср.

7. Выливают известный раствор, моют трубку, споласкивая дистиллированной водой, и заливают раствор неизвестной концентрации с₁. Помещают трубку в прибор и определяют угол φ₁.

8. Подставляя φ₁, к_ср, l в формулу: φ₁= к_ср l с определяют концентрацию с₁ (%)

9. То же самое проделывают со вторым раствором.

10. Все данные заносят в таблицу.

Вопросы.

1. Явление вращения плоскости поляризации. Оптически активные вещества.

2. Гипотеза Френеля о вращении плоскости поляризации.

3. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации? Как его измерить?

Литература
1. И.В.Савельев Курс общей физики, т2.- М.: «Наука» 1978, С.440-442

2. Т.И.Трофимова Курс физики, М.: «Высшая школа», 2002г., С.365-367

3. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф Курс физики, т.3. – М.: «Высшая школа», 1979г. С.162-165

Лабораторная работа № 3.8
Определение постоянной Стефана-Больцмана

при помощи оптического пирометра.
Электромагнитное излучение обусловлено колебаниями электрических зарядов, в частности зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества. Так, например , колебательное и вращательное движение молекул и атомов создает инфракрасное излучение , определенные перемещения электронов в атоме создают видимое и ультрафиолетовое излучение , торможение свободных электронов создает рентгеновское излучение и т.д.

Самым распространенным в природе видом излучения является тепловое излучение ; оно совершается за счет внутренней энергии вещества , и поэтому ведет к охлаждению излучающего тела .

Тепловое излучение присуще всем телам при любой температуре, отличной от нуля Кельвина . Оно имеет сплошной спектр , однако , распределение энергии в нем существенно зависит от температуры : при низких температурах тепловое излучение является преимущественно инфракрасным ( с длиной волны от 0,76 до 2000 мкм , при высокой температуре некоторую долю излучения составляют видимые световые лучи ( от 0,4 мкм до 0,76 мкм ) и невидимые ,ультрафиолетовые лучи .

Всякое тело . излучая само , вместе с тем поглощает часть энергии , излучаемой другими ( окружающими ) телами . Процесс поглощения ведет к нагреванию тела . Очевидно , что теряя энергию путем испускания и в то же время получая энергию путем поглощения , данное тело в конце концов должно прийти в состояние теплового равновесия , при котором потеря энергии за счет испускания компенсируется энергией за счет поглощения . Температура , соответствующая этому состоянию , называется температурой теплового равновесия .

Тепловое излучение - единственное , которое может находиться в равновесии ( термодинамическом ) с излучающим телом.
Характеристики теплового излучения .
Для количественной оценки процессов теплового излучения и поглощения вводят следующие характеристики .

Энергической светимостью ( излучательностью ) тела называется физическая величина ε_т , численно равная энергии электромагнитных волн всевозможных частот ( или длин волн ) от 0 до ∞ , излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела .

Она выражается в джоулях на квадратный метр в секунду .
Спектральной плотностью энергетической светимости (спектральной плотностью излучательности ) тела называется физическая величина , числено равная отношению энергии dW , излучаемой за единицу времени с единицы площади поверхности тела посредством электромагнитных волн в узком интервале частот от  до   d ( или длин волн в вакууме от  до   d ) , к ширине этого интервала .



Значения или зависят от частоты ( длины волны ) , температуры , рода вещества и состояния его поверхности .

Размерность , - джоуль на квадратный метр ,

Энергетическая светимость ( излучательность ) тела связана с ( )соотношением :



Поглощательной способностью ( монохроматическим коэффициентом поглощения ) тела называется безразмерная величина , показывающая , какая доля энергии электромагнитных волн с частотами от  до   d , падающих на поверхность тела , им поглощается:



Значение зависит от частоты , температуры , рода вещества и состояния поверхности тела .

Тело, целиком поглощающее падающее на него излучения, т.е. тело, у которого коэффициент поглощения =1, называется абсолютно черным телом .

В природе абсолютно черных тел нет , близкими к абсолютно черному телу является платиновая чернь , сажа , черный бархат и др.

Моделью абсолютно черного тела может служить замкнутая полость с небольшим отверстием ( рис. 1 ) . Свет, падающий внутрь полости через отверстие О , претерпевает многократные отражения от стенок. При этом энергия падающего света практически полностью поглощается стенками полости независимо от их материала.

Тело, которое абсолютно не поглощает излучения и полностью отражает все падающие на него лучи ( =1)называется абсолютно белым телом .

Тело , поглощательная способность которого меньше единицы , но одинакова для всех длин волн ( <1) называется серым телом .

Абсолютно белых и серых тел в природе , строго говоря , нет .
Законы теплового излучения .
Испускательная и поглощательная способность каждого тела взаимно связаны . Эта взаимность описывается законом Кирхгофа. Представим себе изолированную систему из двух тел , в которой установилось тепловое равновесие , т.е. температуры тел равны .

Обозначим испускательные и поглощательные способности тел при температуре равновесия соответственно , и , .

Предположим , что первое тело испускает с 1 м² поверхности за 1 с в n раз больше энергии , чем второе :

= n

Но тогда оно должно и поглощать в n раз больше энергии чем второе тело, т.е. = n

В противном случае первое тело начнет нагреваться за счет второго и его температура будет изменятся , что противоречит условию равновесия . Из двух последних равенств следует , что



Пусть изолированная система состоит из многих тел и одно из них является абсолютно черным . Обозначим его спектральную плотность энергетической светимости через . Учитывая , что коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен единицы , получим :

(абс.черное тело) (1)

Уравнение ( 1 ) выражает закон Кирхгофа , согласно которому : отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения при данной температуре и для данной частоты есть величина одинаковая для всех тел и равная спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела при той же температуре и для той же частоты .

Спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела или называется универсальной функцией Кирхгофа .

Экспериментальное изучение теплового излучения привело к открытию следующих законов излучения абсолютно черного тела .