Лаб 1. ЛубскийГрищенко_Волновая_оптика_и_фотометрия_20201. Учебное пособие по физике волновые свойства электромагнитного поля
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
в интервале от 50° до 60°приращение угла 𝛼 задавать через 2,5°. 4.1.7. Выключить тумблеры «220 В» и «фотодиод». 4.1.8. Подставляя значения max i и min i в формулу (14), вычислить величины P , для всех значений угла 𝛼. 4.1.9. Данные занесите в таблицу №1. Таблица№1 град мкА i мах , мкА i мin , P 30 35 … 70 4.1.10. Построить зависимость P . Определить по графику угол Брюстера α Б 4.2. Подставляя значения угла Брюстера α Б в формулу (11), вычислить абсолютный показатель преломления стекла n С. 4.3. Определить тип среды, пользуясь таблицей № 2. Рассчитайте относительную погрешность измерений. (Примите за истинное значение имеющееся табличное значение из таблицы № 2) 4.4. Сделайте основные выводы по выполненной работе. Таблица № 2 Тип среды Среда Температура, °С Значение Оптические стёкла ЛК3 (Лёгкий крон) 20 1,4874 К8 (Крон) 20 1,5163 ТК4 (Тяжёлый крон) 20 1,6111 СТК9 (Сверхтяжёлый крон) 20 1,7424 Ф1 (Флинт) 20 1,6128 ТФ10 (Тяжёлый флинт) 20 1,8060 СТФ3 (Сверхтяжёлый флинт) 20 2,1862 5. ПЕРЕЧЕНЬ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 1. Одна таблица. 2. График зависимости степени поляризации отраженных лучей от угла падения. 3. Значение угла Брюстера. 70 4. Значение коэффициента преломления материала. 5. Результаты определения типа среды 6. Результаты вычисления погрешностей. 7. Выводы. 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 6.1. Дайте понятие поляризации электромагнитных волн. 6.2. В чем сущность закона Брюстера? 6.3. Каково назначение поляризатора и анализатора в данной работе? 6.4. Какие величины связывают формулы Френеля? Для какого света они применимы? 6.5. Дайте качественное объяснение механизма поляризации электромагнитной волны при ее взаимодействии с диэлектриком. 6.6. Сделать вывод рабочей формулы tg 𝛼 Б = n С / n В 6.7. Почему для угла Брюстера справедливо выражение ( 𝛼 Б + 𝛽) = 𝜋 2 7. ЛИТЕРАТУРА 1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 560с 2. Лисейкина Т.А. Курс физики. Раздел четвертый. Волновая оптика [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Т. А. Лисейкина, Т. Ю. Пинегина, А. Г. Черевко ; Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики. - Электрон. дан. (1 файл). - Новосибирск : СибГУТИ, 2007. - 144 с. : ил. - Библиогр.: с. 143. - Загл. с титул. экрана. - Электрон. версия печ. публикации . - Режим доступа: http://ellib.sibsutis.ru/ellib/2007/25-Liseykina.rar, по паролю. - : Б. ц. Авт. договор № 387 от 22.06.2015 г 3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. т.4. Оптика. Изд.3. М., Физматлит, 2005г. 4. Яворский Б. М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985 г. 8. ЗАДАЧИ 1.1. Определите показатель преломления стекла, если при отражении от него света отраженный луч полностью поляризован при угле преломления 35°. [1,43] 1.2. Предельный угол полного отражения для пучка света на границе кристалла каменной соли с воздухом равен 40.5°. Определите угол Брюстера при падении света из воздуха на поверхность этого кристалла. [57 0 ] 71 2.1. Найти угол полной поляризации α Б при отражении света от стекла, показатель преломления которого n=1.57. [57,5 0 ] 2.2. Найти коэффициент отражения естественного света, падающего на стекло (n=1.54) под углом α Б полной поляризации . [0,083] 3.1. Найти показатель преломления диэлектрика, если при отражении от него света отраженный луч полностью поляризован при угле преломления 30°. [1,73] 3.2. Естественный свет падает на кристалл алмаза (n=2.42) под углом α Б полной поляризации . Найти угол преломления света. [22,45 0 ] 4.1. Предельный угол полного внутреннего отражения для некоторого вещества α=45°. Найти для этого вещества угол Брюстера полной поляризации. [54,7 0 ] 4.2. Луч света проходит через жидкость, налитую в стеклянный (n=1.5) сосуд, и отражается от дна. Отраженный луч полностью поляризован при падении его на дно сосуда под углом α Б =42°. Найти показатель преломления жидкости. Под каким углом α долженпадать на дно сосуда луч света, распространяющийся в этой жидкости, чтобы наступило полное внутреннее отражение? [1,67; 64,2 0 ] 5.1. Найти угол полной поляризации α Б при отражении света от диэлектрика, показатель преломления которого n=1.73. [60 0 ] 5.2. Лучи естественного света проходят сквозь плоскопараллельную пластинку (n=1.54), падая на нее под углом α Б полной поляризации. Найти степень поляризации Рлучей, прошедших в пластинку. [0,091] 6.1. Найти коэффициент отражения лучей, отраженных при падении естественного света на стекло (n=1.5) под углом α=45градусов. [0,052] 6.2. Под каким углом к горизонту должно находиться Солнце, чтобы его лучи, отраженные от поверхности озера были полностью поляризованы? Показатель преломления воды равен 1.33. [36,9 0 ] 72 Лабораторная работа 8.1 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОСВЕЩЕННОСТИ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомиться с основными фотометрическими величинами. Изучить закон освещенности. Определить силу света источника 2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Световые волны включают в себя инфракрасное излучения, видимый свет и ультрафиолетовое излучения и являются электромагнитными волнами (рис.1). Рис.1 Шкала электромагнитных волн 6 Световые волны, так же, как и остальные виды электромагнитных волн, переносят энергию и могут характеризоваться энергетическими параметрами, не зависящими от свойств приемников излучения. К таким параметрам, например, относятся: энергетический поток излучения э , энергетическая светимость R э и энергетическая освещенность E э . Энергетический поток излучения э – этоэнергия dW, переносимая волной в единицу времени dt перпендикулярно данной поверхности 𝚽 Э = 𝒅𝑾 𝒅𝒕 , Вт . (1) Энергетическая светимость R э – это поток энергии э изл , излучаемый с единицы поверхности dS источника по всем направлениям во всем интервале частот 6 Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов/ - 13-е изд. стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – стр. 296 73 𝑹 Э = 𝒅𝜱 Э изл 𝒅𝑺 , Вт м 𝟐 (2) Энергетической освещенностью E э называется поток энергии э пад , падающий на единицу освещаемой поверхности dS. 𝑬 Э = 𝒅𝜱 Э пад 𝒅𝑺 , Вт м 𝟐 (3) Чувствительность человеческого глаза зависит от длины волны света. Достаточно вспомнить, например, что УФ излучение и ИК излучение человек не видит, а область видимого света занимает довольно узкий диапазон длин волн 7 между 380 нм и 780 нм. Чувствительность среднего нормального человеческого глаза к излучению различной длины волны описывается кривой относительной спектральной чувствительности V(λ) (рис.2). Рис.2 Кривая относительной спектральной чувствительности человеческого глаза (функция видности глаза) 8 7 ГОСТ 8.332-78. Государственная система обеспечения единства измерений. Световые измерения. Значения относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения Таблица 2. 8 Штейнгауз А.И. Девять цветов радуги – М.: Детгиз, 1963г, стр.103 74 Видно, что наибольшую чувствительность глаз имеет к длине волны 555 нм, соответствующей зеленому цвету. При этом же потоке энергии оцениваемая зрительно интенсивность для других длин волн оказывается меньшей. Соответственно, и V(λ) для этих длин волн меньше единицы. Например, для света с длиной волны λ = 610 нм (оранжевая часть спектра) значение функции V(λ) = 0,5. Это означает, что для получения зрительного ощущения такой же интенсивности, как и для 555 нм, свет с длиной волны 610 нм должен иметь плотность потока энергии в два раза больше. Характеристики света, учитывающие чувствительность человеческого глаза (и фотоприемных устройств), называются световыми характеристиками. Фотометрией называется раздел оптики, занимающийся измерением световых потоков и величин, связанных с такими потоками Основными являются: световой поток Ф, сила света I, светимость источника R, освещенность поверхности Е. Световой поток Ф – поток световой энергии, оцениваемой по зрительному ощущению, измеряется в люменах (лм). При дневном зрении для излучения с длиной волны λ = 555 нм энергетическому потоку Ф э = 1 Вт соответствует световой поток Ф = 680 лм (или световому потоку Ф = 1 лм соответствует поток энергии Ф э = 0,0016 Вт). Световому потоку, образованному излучением с другой длиной волны λ, соответствует поток энергии 𝚽 Э = 𝟎,𝟎𝟎𝟏𝟔 𝑽(𝝀) 𝚽 (4) Телесный угол – пространственный угол, образованный в центре сферы вершиной конуса, основание которого находится на поверхности сферы. Единица измерения телесного угла – стерадиан (ср). 1 ср соответствует телесному углу, вырезающему на поверхности сферы участок площадью r 2 , где r – радиус сферы (рис.3). Рис.3 Телесный угол 75 Сила света I – световой поток, изучаемый точечным источником в единицу телесного угла. Единица измерения силы света – кандела (кд), являющейся одной из основных единиц системы СИ. 𝐼 = 𝑑Φ 𝑑Ω , кд. (5) Если сила света не зависит от направления, то источник называется изотропным, для изотропного точечного источника сила света равна 𝐼 = Φ 4𝜋 , кд, (6) где Ф – полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям. Светимость источника R – световой поток, испускаемый с единицы площади поверхности источника по всем направлениям 𝑹 = 𝒅𝜱 изл 𝒅𝑺 , лм м 𝟐 . (7) Освещенность поверхности Е – световой поток, падающий на единицу освещаемой поверхности. Освещенность измеряется в люксах. 𝑬 = 𝒅𝜱 пад 𝒅𝑺 , лк . (8) Выясним, как освещенность поверхности зависит от расстояния до источника и его силы света. Пусть на площадку dS падает световой поток от источника с силой света I (рис.4). Площадка заключена в телесном угле d . Следовательно, в этот телесный угол попадает световой поток dФ = I d .. (9) Рис.5 Вывод закона освещенности 76 Площадь основания конуса dS cosα. Таким образом, телесный угол d равен 𝒅𝛀 = 𝒅𝑺 𝐜𝐨𝐬𝛂 𝒓 𝟐 (10) Подставив выражения (9) и (10) в формулу (8), получим закон освещенности. 𝑬 = 𝑰∙𝐜𝐨𝐬∝ 𝒓 𝟐 (11) Проверка данного закона и составляет цель лабораторной работы. Для измерения освещенности используется люксметр (рис.6). В люксметре воспринимающим свет устройством является фотоэлемент (2). Под действием света фотоэлемент вырабатывает электрический ток, сила тока прямо пропорциональна освещенности. Сила тока измеряется при помощи гальванометра, причем шкала гальванометра (1) проградуирована непосредственно в люксах, а не в микроамперах. Фотоэлемент может быть защищен специальной насадкой (3), уменьшающей освещенность фотоэлемента. В таком случае измеренной значение освещенности необходимо умножить на соответствующий коэффициент. Рис.6 Люксметр Ю-116 3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ Для проверки закона освещенности используется установка, изображенная на рис.7. 77 Рис.7 Схема установки для измерения освещенности На оптической скамье находятся: источник света «И»; селеновый фотоприемник «Ф», закрепленный на гониометре, позволяющем изменять угол падения света на фотоприемник; блок питания к источнику света «БП» и измерительный блок люксметра «Л». Источник и фотоэлемент помещены в закрывающийся контейнер, позволяющий исключить попадание на фотоэлемент света, не связанного с лабораторным источником. Внешний вид установки показан на рис.8. Фотоприемник защищен насадкой, ослабляющей падающий на него световой поток в 100 раз. Поэтому измеренные значения освещенности необходимо увеличить в 100 раз. Рис.8 Экспериментальная установка 4. ЗАДАНИЕ 4.1 Исследование зависимости освещенности от расстояния 4.1.1 Подготовить таблицу измерений №1 78 4.1.2 Установить гониометр в положение «0», плоскость фотоприемника должна быть перпендикулярна оптической оси (нормальное падение света). 4.1.3 Отодвинуть источник света на максимальное расстояние от фотоэлемента 4.1.4 Включить блок питания «БП» для источника света. 4.1.5 Измерить освещенность на максимальном расстоянии от источника, записать данные в таблицу. 4.1.6 Уменьшая расстояние от источника света до фотоэлемента, произвести не менее пяти измерений освещенности. 4.1.7 Рассчитать квадраты расстояний от источника до фотоэлемента. 4.1.8 Рассчитать по формуле (11) силу света I источника, данные занести в таблицу №1. 4.1.9 Определить среднее значение силы света источника . 4.1.10 Построить график зависимости освещенности от 𝟏 𝒓 𝟐 Таблица № 1 № r, м Е, лк r 2 , м 2 𝟏 𝒓 𝟐 ., м 2 I, кд , кд 1 2 3 4 5 4.2 Исследование зависимости освещенности от косинуса угла падения света 4.2.1 Приготовить таблицу №2. 4.2.2 Поставить источник примерно посередине оптической скамьи. 4.2.3 Изменять угол падения света от нуля до 80 0 с шагом 5 0 4.2.4 Для каждого угла падения измерить освещенность, занести данные в таблицу. 4.2.5 Рассчитать косинус угла падения. 4.2.6 Построить график зависимости освещенности от косинуса угла падения Таблица № 2 № α, градус Е, лк cosα 0 … 80 4.3 Сделать основные выводы по результатам исследований. 5. ПЕРЕЧЕНЬ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 1. Две таблицы. 79 2. Два графика. 3. Расчет силы света. 4. Результаты вычисления погрешностей. 5. Выводы. 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 6.1. Какие энергетические параметры световых волн Вы знаете? Приведите соответствующие формулы 6.2. Какие световые параметры световых волн Вы знаете? Приведите соответствующие формулы. 6.3. Выведите формулу закона освещенности (11). 6.4. В чем состоит проверка закона освещенности? 7. ЛИТЕРАТУРА 1. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов. – М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 560с 2. Лисейкина Т.А. Курс физики. Раздел четвертый. Волновая оптика [Электронный ресурс] : учеб. пособие / Т. А. Лисейкина, Т. Ю. Пинегина, А. Г. Черевко ; Сиб. гос. ун-т телекоммуникаций и информатики. - Электрон. дан. (1 файл). - Новосибирск : СибГУТИ, 2007. - 144 с. : ил. - Библиогр.: с. 143. - Загл. с титул. экрана. - Электрон. версия печ. публикации . - Режим доступа: http://ellib.sibsutis.ru/ellib/2007/25-Liseykina.rar, по паролю. - : Б. ц. Авт. договор № 387 от 22.06.2015 г 3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. т.4. Оптика. Изд.3. М., Физматлит, 2005г. 4. Яворский Б. М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985 г. 8. ЗАДАЧИ 1.1. Определите, на какую высоту необходимо повесить лампочку мощностью 300 Вт, чтобы освещенность расположенной под ней доски была 50 лк. Наклон доски составляет 35 0 , а световая отдача лампочки составляет 15 лм/Вт. Лампочку считать точечным изотропным источником. [2,42 м] 1.2. Чувствительность фотоэлемента γ = 200 мкА/лм. Фотоэлемент освещается лампой с силой света 20 кд, находящейся на расстоянии 40 см от фотоэлемента. Площадь фоточувствительной поверхности фотоэлемента составляет 5 см 2 . Какую силу тока покажет гальванометр, подключенный к фотоэлементу? [12,5 мкА] 2.1. Два источника с полным световым потоком 380 лм и 610 лм соответственно, расположены на расстоянии 50 см друг от друга. Где нужно 80 поместить экран на прямой, соединяющей источники, чтобы освещенность экрана с обеих сторон была одинаковой? [22 см и 28 см] 2.2. Чувствительность фотоэлемента γ = 360 мкА/лм. Фотоэлемент освещается лампой с полным световым потоком 500 лм, находящейся на расстоянии 80 см от фотоэлемента. Площадь фоточувствительной поверхности фотоэлемента составляет 5 см 2 . Какую силу тока покажет гальванометр, подключенный к фотоэлементу? [11,2 мкА] 3.1. Рабочая поверхность стола освещается двумя лампами, находящимися на высоте 2 м от поверхности стола. Световой поток первого светильника равен 1256 лм, второго 628 лм. Расстояние между лампами 2 м. Чему равна освещенность стола под лампами на середине расстояния между ними? [26,8 лк] 3.2. Гальванометр фотоприемника показывает силу тока 20 мкА. Чувствительность фотоприемника 200 мкА/лм, его площадь поверхности 8 см 2 На каком расстоянии от фотоприемника находится лампа с силой света 40 кд? [57 см] 4.1 Определите, на какую высоту необходимо повесить люминесцентную лампочку мощностью 20 Вт, чтобы освещенность расположенной под ней доски была 40 лк. Наклон доски составляет 30 0 , а световая отдача лампочки составляет 60 лм/Вт. Лампочку считать точечным изотропным источником. [2,07 м] 4.2 Гальванометр фотоприемника показывает силу тока 50 мкА. Чувствительность фотоприемника 200 мкА/лм, его площадь поверхности 8 см 2 Какова сила света лампы, освещающей фотоприемник, расположенной на расстоянии 60 см от него? [112,5 кд] 5.1. По обе стороны от точечного источника света на одинаковых расстояниях, равных 0,5 м, помещены экран и плоское зеркало, плоскости которых параллельны. Какова освещенность, создаваемая в центре экрана, если сила света источника 40 кд? [178 лк] 5.2. Чувствительность фотоэлемента γ = 200 мкА/лм. Фотоэлемент освещается лампой с полным световым потоком 628 лм, находящейся на расстоянии 50 см от фотоэлемента. Площадь фоточувствительной поверхности фотоэлемента составляет 5 см 2 . Какую силу тока покажет гальванометр, подключенный к фотоэлементу? [20 мкА] 6.1. По обе стороны от точечного источника света на одинаковых расстояниях помещены экран и плоское зеркало, плоскости которых параллельны. Освещенность, создаваемая в центре экрана, равна 100 лк, сила света источника 90 кд. На каком расстоянии от источника находятся экран и зеркало? [1 м] 6.2. Гальванометр фотоприемника показывает силу тока 30 мкА. Чувствительность фотоприемника 300 мкА/лм, его площадь поверхности 4 см 2 81 Какова сила света лампы, освещающей фотоприемник, расположенной на расстоянии 20 см от него? [10 кд] 82 Приложение 1 Минцифры РФ СибГУТИ Кафедра физики Лабораторная работа №7.1 «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ С ПОМОЩЬЮ БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ» Выполнил: студент гр. АБ-65 Иванов И. И. Преподаватель : Петров П.П. Измерения сняты дата подпись Отчет принят Защита: оценка дата подпись Новосибирск 2020 г. 83 Приложение 2 Диапазоны длин волн видимого света Цвет Диапазон длин волн, нм Фиолетовый 380-450 Синий 450-480 Голубой 480—500 Зелёный 500—560 Жёлтый 560—590 Оранжевый 590—620 Красный 620—760 Оптическое излучение с длиной волны менее 380 нм относится к УФ диапазону, с длиной волны более 760 нм относится к ИК диапазону и человеческому глазу не доступно. 84 Ст. преподаватель Грищенко И.В. Ст. преподаватель Лубский В.В. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ФОТОМЕТРИЯ (учебное пособие) Редактор: Корректор: Подписано в печать |