ВИРТЛАБ-1(рус) (4). Руководство по выполнению виртуальных лабораторных работ по курсу физики

• Название: Руководство по выполнению виртуальных лабораторных работ по курсу физики
• Дата: 06.05.2023
• Размер: 0.99 Mb.
• Имя файла: ВИРТЛАБ-1(рус) (4).pdf
• Тип: Руководство; #1112238
• страница: 5 из 7

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
Между дифракцией и интерференцией нет существенных физических различий. Оба явления заключаются в перераспределении в пространстве энергии светового потока, возникающем в результате суперпозиции волн.
Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов.
Когерентными называются волны, для которых разность фаз возбуждаемых ими колебаний остается постоянной во времени.
Когерентными являются гармонические волны с кратными частотами.
Интерференцией называется устойчивое перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным количеством дискретных когерентных источников волн.
Дифракцией называется устойчивое перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых расположенными непрерывно когерентными источниками волн. Одним из проявлений дифракции является распространение волны в область геометрической тени, т.е. туда, куда не попадают световые лучи.
Принцип Гюйгенса: каждый элемент волновой поверхности является источником вторичной сферической волны, а волна в любой точке перед этой поверхностью (с другой стороны от поверхности, нежели реальный источник волны) может быть найдена как результат суперпозиции волн, излучаемых указанными вторичными источниками.
Зонами Френеля называются такие участки на поверхности волнового фронта, для которых излучение от двух соседних участков при сложении дает практически нулевой (минимальный) результат (излучение от двух соседних зон Френеля компенсируется). Расстояния от краев каждой зоны до точки наблюдения отличаются на /2.
Величина напряженности электрического поля dE электромагнитной волны (ЭМВ), излучаемой элементарным участком площадью d волновой поверхности в точке наблюдения, расположенной на расстоянии r от этого участка, равна
)
cos(
0 0






kr
t
r
d
a
K
dE
,

Страница 46 где множитель
0
a
определяется амплитудой светового колебания в том месте, где расположена площадка d, коэффициент К зависит от угла между нормалью к площадке d и направлением на точку наблюдения, k = 2/ - волновое число.
Аналогичная формула будет справедлива для любого точечного источника гармонической волны.
Для двух точечных источников (см. рисунок), расположенных на расстоянии d друг от друга на линии, параллельной экрану, отстоящему от линии источников (1 и 2) на расстоянии L, максимум при интерференции волн на экране наблюдается при условии, что разность хода r волн, приходящих в данную точку, кратна длине волны: r = m (m=0,1,2,...).
Формула связи d sin() = m для первого максимума и при большом расстоянии до экрана L>>d, когда
L
X
tg
MAX


)
(
)
sin(


, преобразуется так:


L
d
X
MAX
, откуда
d
L
1
X
MAX


Зарисуйте необходимое с экрана в свой конспект лабораторной работы.
ПОЛУЧИТЕ У ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ДОПУСК ДЛЯ
ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ!

Страница 47
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
1. Подведите курсор мыши к вертикальной черте на линии спектра, нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, двигайте вертикальную полоску, установив числовое значение длины волны 
1
, взятое из таблицы 1 для вашей бригады.
2. Аналогичным образом, зацепив мышью движок регулятора расстояния между щелями, установите минимальное значение d = 1 мм. Измерьте, используя шкалу на экране, расстояние X
MAX
между нулевым и первым максимумами и запишите в таблицу 2. Увеличивая d каждый раз на 0.3 мм, измерьте еще 9 значений расстояния X
MAX
3. Устанавливая новые числовые значения длины волны , из таблицы 1 для вашей бригады, повторите измерения по п.2, записывая результаты в таблицы 3,4,5.
Таблица 1. Примерные значения длины волны (не перерисовывать)
Бригада 1 2
3 4
5 6
7 8

1 400 405 410 415 420 425 430 435

2 500 505 510 515 520 525 530 535

3 580 585 590 595 600 605 610 615

4 630 635 640 645 650 655 660 665
Таблицы 2-5. Результаты измерений при  = ____ нм
d[мм]
X
MAX
[мм]
1/d
[мм
-1
]
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
Рассчитайте и внесите в таблицы значения обратного расстояния между щелями.
Постройте на одном рисунке графики экспериментальных зависимостей смещения первого максимума X
MAX
от обратного расстояния между щелями
(указав на них длину волны ).
Для каждой линии определите по графику экспериментальное значение произведения L, используя формулу
)
d
1
(
)
X
(
L
MAX




Рассчитайте среднее значение экспериментально полученного произведения L и абсолютную ошибку измерений данного произведения.

Страница 48
Запишите ответ и проанализируйте ответы и графики.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что такое волна?
2. Что такое гармоническая волна?
3. Что такое длина волны?
4. Напишите математическое условие того, что функция f(x,t) описывает волну.
5. Что определяет форму волны и направление ее распространения?
6. Напишите математическую функцию, определяющую одномерную гармоническую волну, распространяющуюся в положительном направлении оси ОХ.
7. Что такое когерентность?
8. Дайте определение когерентных волн.
9. Дайте определение явления интерференции.
10. Дайте определение явления дифракции.
11. Что такое волновая поверхность?
12. Сформулируйте принцип Гюйгенса.
13. Дайте определение зон Френеля.
14. Напишите формулу для напряженности электрического поля dE электромагнитной волны (ЭМВ), излучаемой элементарным участком площадью dS волновой поверхности в точке наблюдения, расположенной на расстоянии r от этого участка. Поясните рисунком.
15. Что такое разность хода двух гармонических волн, излучаемых двумя источниками.
16. При какой разности хода двух волн при их сложении наблюдается максимум?

Страница 49
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.9.
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА
Ознакомьтесь с теорией в конспекте, учебнике (Савельев И.В., т.2,
§129,130) и в программе PHYSICS\BOOKS.exe компьютера (кнопки «Оптика»,
«Дифракционная решетка», «Физика»).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
 Знакомство с моделированием процесса сложения когерентных электромагнитных волн.
 Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия световых волн с периодической структурой (дифракционной решеткой).
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
Зарисуйте с экрана компьютера то, что расположено в трех прямоугольных рамках.
Дифракционной решеткой называется совокупность большого числа N одинаковых, отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние, прямоугольных щелей в плоском непрозрачном экране.
Периодом (постоянной) дифракционной решетки называется расстояние d между серединами соседних щелей или сумма ширины щели b и ширины непрозрачного участка a.
При анализе излучения, проходящего через решетку, обычно используют линзу и экран, расположенный в фокальной плоскости линзы на расстоянии L от нее. Линза собирает параллельные лучи в одну точку на экране. Положение
Х точки на экране зависит от угла падения  лучей на линзу: X = Lsin(). Для очень малых углов sin() =  и X = L.
Разность хода лучей от соседних щелей  = dsin().
Разность фаз лучей от соседних щелей
)
sin(
d
2 2









Интенсивность излучения, идущего от решетки под углом :






































sin sin sin sin sin sin sin
I
I
2 2
2 2
0
РЕШ
d
d
N
b
b
, где I
0
- интенсивность, создаваемая одной щелью против центра линзы, b - ширина щели. Первый множитель обращается в 0 в точках, для которых bsin(
k
)
= k (k = 1,2,...). Второй множитель принимает значение N
2
в точках, удовлетворяющих условию dsin(
m
) = m (m = 0,1,2,...). Последнее условие определяет положение главных максимумов излучения, а m называется порядком максимума. Интенсивность в главном максимуме преобразуем, раскладывая синус в ряд и ограничиваясь первыми двумя членами разложения:

Страница 50 2
2 0
2 2
0 2
2 0
2 6
1 1
sin sin sin sin










































d
b
m
I
d
b
m
d
b
m
I
b
b
I
N
I
N
N
m
m
m









Обозначим
N
0
m m
I
I
R

Отношение R
m интенсивности в m-том максимуме к интенсивности в нулевом максимуме называется «относительной интенсивностью m-того максимума».
Формулу


2 2
1 6
1 1








d
b
m
R
m

можно проверить экспериментально и из соответствующего графика получить ширину щели.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
При включении программы моделирования автоматически устанавливаются следующие параметры: порядок максимума m=1, минимальная длина волны 0.4 мкм, минимальное расстояние между щелями d =
6 мкм, количество щелей N = 2.
Нажимая левую кнопку мыши, установив ее курсор на регуляторе порядка максимума (слева внизу на экране), меняйте m от 0 до 3 и наблюдайте изменение картины интерференции на среднем экране. Установите длину волны излучения, соответствующую желтому цвету и, меняя m, снова наблюдайте и зарисуйте картину интерференции
ПОЛУЧИТЕ У ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ДОПУСК ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ
ИЗМЕРЕНИЙ!

Страница 51
ЭКСПЕРИМЕНТ ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ
КАРТИНЫ
Установите максимальное количество щелей решетки N = 100, минимальное расстояние между щелями d = 6 мкм.
Подведите курсор мыши к вертикальной черте на спектре и нажмите левую кнопку мыши. Удерживая кнопку в нажатом состоянии, перемещайте черту до тех пор, пока над спектром не появится значение длины волны, равное взятому из таблицы 1 для вашей бригады
Измерьте линейкой на экране монитора длины светящихся отрезков, соответствующих интенсивности соответствующих максимумов на дифракционной картине. Запишите значения интенсивности в таблицу 2.
Увеличивая d на 0.5 мм, повторите измерения по п.3
Установив новое значение длины волны из таблицы 1 повторите измерения, записывая результаты в таблицу 3.
Таблица 1. Примерные значения длины волны
(не перерисовывать)
Брига да
1 2
3 4
5 6
7 8

1
[нм]
400 410 420 430 440 450 460 470

2
[нм]
600 610 620 630 640 650 660 670
Таблицы 2,3. Результаты измерений при  = ____ нм.
d[мкм]
6 6.5 7 7.5 8 8.5 9
9.5 10 1/d
2
[м]
-2
I
0N
[мм]
I
1
[мм]
I
2
[мм]
I
3
[мм]
I
4
[мм]
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
Вычислите и запишите в таблицы 2 и 3 корни из относительных амплитуд максимумов. Постройте по таблице 2 на одном рисунке графики экспериментальных зависимостей корня из относительной амплитуды от обратного периода решетки для всех максимумов (указав на них номер максимума). На втором рисунке постройте результаты по таблице 3.
По наклону каждого графика определите экспериментальное значение ширины щели, используя формулу
)
1
(
)
(
6 2
d
R
m
b
m





Страница 52
Вычислите среднее значение ширины щели, проанализируйте ответы и графики.
Истинное значение b = 1.4 мкм.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Дайте определение световой волны.
2. Дайте определение гармонической волны.
3. Дайте определение электромагнитной волны.
4. Напишите формулу зависимости напряженности электрического поля от времени и координаты для одномерной гармонической
ЭМВ, распространяющейся вдоль оси ОХ.
5. Какие волны называются когерентными?
6. Дайте определение дифракции.
7. Что такое дифракционная решетка?
8. Для каких целей используется дифракционная решетка?
9. Что такое постоянная дифракционной решетки?
10. Зачем между дифракционной решеткой и экраном ставится собирающая линза?
11. Напишите формулу разности хода лучей, идущих от двух соседних щелей дифракционной решетки.
12. Напишите формулу разности фаз лучей от соседних щелей.
13. Как формируются главные максимумы дифракционной картины?
14. Нарисуйте, как распространяется после решетки одна плоская гармоническая волна, падающая перпендикулярно плоскости решетки.
15. Нарисуйте, как будут распространяться после решетки две плоские гармонические волны с близкими длинами волн, падающие перпендикулярно плоскости решетки.
16. Можно ли сделать дифракционную решетку для радиолокационной волны?
Как она будет отличаться от обычной дифракционной решетки для видимого света?

Страница 53
3. КВАНТОВАЯ ОПТИКА.
АТОМНАЯ ФИЗИКА.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3.1
ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ
Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев И.В., т.3, §9).
Цель работы:
 Знакомство с квантовой моделью внешнего фотоэффекта.
 Экспериментальное подтверждение закономерностей внешнего фотоэффекта.
 Экспериментальное определение красной границы фотоэффекта, работы выхода фотокатода и постоянной Планка.
Краткая теория:
Фотоны это частицы (кванты), поток которых является одной из моделей электромагнитного излучения (ЭМИ).
Энергия фотона Е
Ф
= h,
 - частота излучения, h - постоянная Планка, h = 6.6210
-34
Джс).
Энергия часто измеряется во внесистемных единицах «электрон- вольтах».
1 эВ = 1.6·10
-19
Дж.
Масса фотона связана с его энергией соотношением Эйнштейна Е
Ф
= m
Ф
c
2
, m
2
ф
c
h


Импульс фотона p = m
Ф
,
c
с
Е
h
c
h
ф





где  - длина волны ЭМИ.
Внешний фотоэффект есть явление вылета электронов из вещества
(металла, фотокатода) при его облучении электромагнитным излучением
(ЭМИ), например, светом.
Вылетевшие электроны называются фотоэлектронами. Далее для краткости указанное явление будем называть просто фотоэффектом.
Кинетическая энергия электрона внутри вещества увеличивается на h, но при вылете фотоэлектрона из вещества им совершается работа А
ВЫХ
(работа выхода) против сил электростатического притяжения к металлу. У фотоэлектрона сообщенная ему фотоном порция энергии уменьшается на величину, равную работе выхода из металла (фотокатода), а оставшаяся часть имеет вид кинетической энергии фотоэлектрона вне металла (фотокатода):
E = h - А
ВЫХ
Это соотношение называют формулой (законом) Эйнштейна для
фотоэффекта.
Красная граница фотоэффекта есть минимальная частота ЭМИ, при которой еще наблюдается фотоэффект, т.е. для которой энергия фотона равна работе выхода h
КР
= А
ВЫХ

Страница 54
Запирающим
(задерживающим)
напряжением называется минимальное тормозящее напряжение между анодом вакуумной лампы
(фотоэлемента) и фотокатодом, при котором отсутствует ток в цепи этой лампы, т.е. фотоэлектроны не долетают до анода. При таком напряжении кинетическая энергия электронов у катода равна потенциальной энергии электронов у анода, откуда следует выражение:
e
A
h
e
E
ВЫХ




U
ЗАП
, где е - заряд электрона.
Зарисуйте необходимое с экрана в свой конспект лабораторной работы.
Методика и порядок измерений
Зацепите мышью движок реостата регулятора интенсивности облучения фотокатода и установите его на максимум.
Аналогичным образом установите нулевое напряжение между анодом и фотокатодом и минимальную длину волны ЭМИ. Наблюдайте движение электронов в фотоэлементе.
ПОЛУЧИТЕ У ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ДОПУСК ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ
ИЗМЕРЕНИЙ!
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Зацепив мышью, перемещайте метку на спектре, постепенно увеличивая длину волны облучения фотокатода. Добейтесь полного отсутствия фототока. Зафиксируйте самую большую длину волны (она будет равна 
КР
), при которой фототок еще присутствует. Запишите в тетрадь значение длины волны красной границы фотоэффекта (
КР
).
2. Для более точного определения связи запирающего напряжения с длиной волны падающего излучения применяется следующая методика. Сначала установите значение запирающего напряжения в соответствии с таблицей
3. Перемещая мышью вертикальную метку на спектре, установите такое значение длины волны, при котором прекращается фототок (при визуальном наблюдении электронов вы видите, что практически все электроны долетают до анода и после этого движутся обратно к катоду). Значения  и U
ЗАП занесите в таблицу.

Страница 55
Таблица 1. результаты
измерений
Таблица 2. значения запирающего
напряжения