Оптика Лабораторные работы 1. Л. Ф. Добро, Н. М. Богатов, О. Е. Митина
 Скачать 26.45 Mb.
|
|
Задание 7.2. Определение показателя преломления плосковыпуклой линзы по фокусному расстоянию и кривизне поверхности Приборы и принадлежности: плосковыпуклая линза, оптический сферометр ИЗС-7. Цель задания: определение показателя преломления плосковыпуклой линзы по фокусному расстоянию и кривизне поверхности. Краткая теория Оптическая сила линзы связана с показателем преломления n вещества линзы и радиусами кривизны поверхностей R1 и R2 формулой (7.3). Зная F, R1, R2, можно из (7.3) определить показатель преломления n  (7.8)В задании № 1 использовалась оптическая система из плотно сложенных одинаковых линз (R1 = R2 = R) в одной оправе, поэтому  (7.9)где R – радиус кривизны плосковыпуклой линзы. Радиусы кривизны поверхности измеряются с помощью оптического сферометра, имеющего следующую конструкцию. Внутри корпуса расположен измерительный стержень с миллиметровой шкалой, который под действием груза поднимается вверх и тем самым обеспечивает контакт сферического наконечника с измеряемым изделием. В верхней части корпуса есть специальная площадка, на которую помещают измерительные кольца с укрепленными на них тремя шариками. К сферометру прилагается набор измерительных колец. Значение радиуса кольца и радиус шарика приведены в аттестате прибора. Отсчет по миллиметровой шкале производят с помощью измерительного микроскопа со спиральным микрометром. Методика работы на сферометре Внутри литого металлического корпуса прибора 12 (рисунок 7) находится измерительный стержень 4 со стеклянной миллиметровой шкалой длиной 30 мм. Под действием противовеса стержень поднимается вверх и своим сферическим наконечником 3 соприкасается с поверхностью контролируемой детали 7. Для опускания измерительного стержня вниз служит арретир 3. Отсчет по шкале производится при помощи микроскопа со спиральным окуляр-микрометром 10 с ценой деления 0,001 мм. Шкала освещается лампочкой с рабочим напряжением 3,5 В, помещенной в патрон 2 и включаемой в сеть через трансформатор. Сферометр снабжен сменным кольцом 8 с диаметром 85 мм, опорами в котором являются три шарика радиусом r.  Рис.7.7. Устройство кольцевого сферометра ИЗС-7 Определение радиуса кривизны выпуклой поверхности сводится к измерению на сферометре высоты h шарового сегмента (рис. 7.8).  Рис. 7.8. Измерение высоты шарового сегмента Измерение стрелки производится следующим образом. С помощью рычага арретира измерительный стержень отводят вниз и на установленное на сферометре кольцо с тремя шариками осторожно накладывают плоскую поверхность линзы. Рычаг отпускают, и измерительный стержень, плавно поднимаясь, приходит в соприкосновение с плоской поверхностью линзы. Затем с помощью встроенного измерительного микроскопа со спиральным микрометром несколько раз (не менее 5) вычисляют среднее значение из полученных результатов. Далее на кольцо осторожно кладут линзу выпуклой поверхностью и аналогично проводят не менее 5 измерений, после чего вычисляют среднее значение из полученных результатов. Разность двух средних отсчетов по шкале дает высоту h сегмента измеряемой сферической поверхности. Отсчет положения измерительного стержня с помощью спирального микрометра осуществляется следующим образом. В поле зрения микроскопа одновременно видны: два–три штриха миллиметровой шкалы, обозначенные крупными цифрами, предположим это «11», «12», «13» (рис. 7.9), неподвижная шкала десятых долей миллиметра с делениями от «0» до «10», круговая шкала для отсчета сотых и тысячных долей и десять витков двойных спиралей. Чтобы произвести отсчет, необходимо предварительно маховичком подвести двойной виток спирали так, чтобы миллиметровый штрих, находящийся в зоне двойных витков, оказался точно посередине между линиями витка. Индексом для отсчета миллиметров служит нулевой штрих шкалы десятых долей миллиметра.  Рис. 7.9. Поле зрения окулярного микрометра сферометра ИЗС–7 На рис. 7.9 миллиметровый штрих «14» прошел нулевой штрих десятых долей миллиметра, а ближайший штрих «15» еще не дошел до нулевого штриха шкалы десятых долей миллиметра. Очевидно, отсчёт будет 12 мм плюс отрезок от штриха «13» до нулевого штриха десятых долей миллиметра. В этом отрезке число десятых долей миллиметра будет обозначено цифрой 2 последнего уже пройденного штриха шкалы десятых долей миллиметра. Сотые и тысячные доли миллиметра отсчитываются по другой шкале, указателем для отсчета по ней служит стрелка, цена деления круговой шкалы 0,001 мм. На рис. 7.8 стрелка прошла некоторую часть интервала шкалы. Эту часть определяют на глаз, она примерно равна 0,8 деления круговой шкалы. Итак, окончательный отсчет будет 12,2728 мм. Подробно ознакомиться с устройством оптического сферометра можно по заводской инструкции, приложенной к нему. Порядок выполнения задания 7.2 1. Ознакомиться с оптическим сферометром. Найти величину h. 2. Определить радиус кривизны линзы R по формуле R = r2/(2h) + h/2 – , где r – радиус кольца с опорными шариками (r = 49 мм), – радиус шарика ( = 5 мм); h – измеренная стрелка. 3. Вычислить показатель преломления линзы n по формуле (7.9). 4. Оценить погрешность измерений. 5. Результаты измерений и вычислений занести в табл.7.2. Таблица7. 2
Замечание: ai; bi – положения стрелки сферометра. Контрольные вопросы к лабораторной работе 7
а) за двойным фокусом; б) между фокусом и двойным фокусом; в) между фокусом и линзой? Рекомендуемая литература: [6], [10], [12], [13], [14]. Лабораторная работа 8 СПЕКТРОФОТОМЕТРЫ ФМ-56, ФОУ. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЕКОЛ Задание 8.1. Измерение спектров пропускания при помощи универсального фотометра ФМ-56 Приборы и принадлежности: универсальный фотометр ФМ-56, микрометр, набор исследуемых светофильтров (цветные стекла). Цель задания: снятие спектров пропускания светофильтров. Краткая теория Окраска различных предметов, освещенных одним и тем же источником света (например, солнцем), бывает весьма разнообразна, несмотря на то, что все эти предметы освещены светом одного состава. Основную роль в таких эффектах играют явления пропускания и отражения света. Световой поток, падающий на тело, частично отражается (рассеивается), частично пропускается и частично поглощается телом. Доля светового потока, участвующего в каждом из этих процессов, определяется с помощью соответствующих энергетических коэффициентов: отражения R, пропускания T и поглощения K. Каждый из указанных коэффициентов может зависеть от длины волны, благодаря чему и получаются разнообразные эффекты при освещении тел. Тело, у которого, например, для красных лучей T (пропускание) велико, а R (отражение) мало, а для зеленых лучей, наоборот, T – мало, а R – значительно; будет казаться красным в проходящем свете и зеленым – в отраженном. Отражение светового потока оценивается коэффициентом отражения R, показывающим отношение отраженного потока Фот к падающему Фпд, т.е.  (8.1)Поглощение характеризуется коэффициентом поглощения K, равным отношению светового потока Фпог, поглощенного телом, к световому потоку Фпд, падающему на тело  (8.2) Пропускание света телами характеризуется коэффициентом пропускания T, который равен отношению прошедшего сквозь тела светового потока Фпрош к падающему, т.е.  (8.3)Часто вместо коэффициента пропускания T вводят величину D– оптическую плотность (D = lg (1/T)), что очень удобно при использовании фотометрических приборов. Если, например, оптическая плотность равна 1, то это соответствует 10 % пропускания света, если 2, то 1 % пропускания. По закону сохранения энергии Фпд = Фот + Фпог + Фпрош. На основании формул (8.1), (8.2) и (8.3) имеем K + R + T = 1, (8.4) т.е. сумма коэффициентов поглощения, отражения и пропускания равна единице. Если свет падает параллельным пучком нормально к поглощающему веществу и коэффициентом отражения можно пренебречь (R=0), то зависимость между плотностью потока световой энергии (интенсивностью) I0 падающего света и прошедшегоI выражается законом Бугера I = I0 e –d, (5) где I0 – плотность потока энергии падающего светового потока на 1 см2; d – толщина поглощающего слоя; I – плотность потока энергии, прошедшего слой толщиной d; – показатель поглощения. Формула (8.5) справедлива только для монохроматического света, так как для каждого вещества зависит от длины волны. При измерении показателя поглощения необходимо вносить соответствующие поправки, учитывая, что часть света отражается от границы исследуемого вещества. В нашей работе отражение незначительно, и мы потери на отражение учитывать не будем. Прологарифмировав формулу (8.5) и решив уравнение относительно , получим формулу для вычисления показателя поглощения:  , (8.6)где D – оптическая плотность данной среды; T – коэффициент пропускания. Для различных веществ численное значение показателя поглощения различно и колеблется в широких пределах. В данном задании измерения пропускания T (или оптической плотности D) света цветными стеклами выполняется с помощью универсального фотометра ФМ-56. Описание фотометра ФМ-56 Фотометр (рис. 8.1) состоит из следующих основных узлов: фотометрической головки 13, в которой находятся оптические детали; револьверного диска 14 с одиннадцатью светофильтрами 14, номера которых появляются в окошечке диска; штатива 5; предметного столика 10, который может перемещаться при помощи кремальеры 9, плоского зеркала 7 и осветителя 2 с двумя конденсорами.  Рис. 8.1. Общий вид фотометра ФМ-56 Все эти детали смонтированы на массивном круглом основании 10. В основу устройства прибора положен принцип уравнивания двух световых потоков путем изменения одного из них с помощью диафрагмы с переменным отверстием. Два параллельных световых пучка А' и В' (рис. 8.2), выходящие из осветителя 2 (рис. 8.1), отразившись от зеркала 7, попадают в прибор через две диафрагмы 6', степень раскрытия которых регулируется поворотом барабана 6. Далее световые пучки А' и В' объединяются с помощью объективов 13 и ромбических призм 14 и попадают на бипризму 15, которая сводит два пучка к оси окуляра, причем часть правого пучка, попадая на левую половину бипризмы, создает яркость левой половины поля зрения, а другая часть его, попадающая на правую половину бипризмы, отклоняется в сторону и поглощается внутри прибора. Левый пучок проходит симметрично.  Рис. 8.2. Оптическая схема фотометра ФМ-56 Из бипризмы лучи проходят через один из одиннадцати светофильтров 3, помещенных в револьверном диске 2 (рис. 8.1), и попадают в окуляр 4, а из окуляра через наглазник 5 в глаз наблюдателя. Окуляр 4, служащий для наблюдения поля зрения, имеет кольцо, с помощью которого производится установка на резкость линии раздела поля зрения. Наблюдатель видит поле зрения в форме круга, разделенного линией на две половины А и В, имеющие в общем случае различную яркость. Яркость правой части поля определяется световым потоком, проходящим через левую диафрагму, а левой – через правую. Если обе диафрагмы 7' одинаково освещены и в одинаковой мере раскрыты, то яркость обеих половин поля зрения будет одинакова. Если при равенстве яркостей обеих половин поля зрения на пути одного светового потока, например A, поместить пластину из какого-либо вещества, поглощающего или отражающего свет, то фотометрическое равенство нарушится, так как поле A' станет менее ярким. Чтобы уравнять поля, необходимо уменьшить яркость поля B, что осуществляется изменением отверстия диафрагмы, через которую проходит световой поток B'. На измерительных барабанах 6' нанесены две шкалы – черная и красная. Черная шкала показывает в процентах отношение площади отверстия диафрагмы S при данном ее раскрытии к площади S0 при ее максимальном раскрытии. Так как световой поток равномерного пучка света, проходящего через диафрагму, пропорционален площади ее раскрытия, то отношение площадей отверстий диафрагм дает отношение световых потоков А' и В'. Следовательно, показания черной шкалы барабана дают непосредственно коэффициент пропускания Т для данного образца в процентах, т.е. отношение светового потока, прошедшего через данный образец, к световому потоку, падающему на него. Красная шкала на барабане 6' соответствует оптической плотности D образца. Для удобства шкалы барабанов освещаются осветителем и снабжены лупами. Порядок выполнения задания 8.1 1. Привести фотометр в рабочее положение, для чего: а) включить через понижающий трансформатор 220/8 В лампу осветителя; б) осветитель устанавливать так, чтобы световые пучки, направляемые зеркалом снизу, давали бы одинаковую освещенность отверстий фотометра (при этом оба барабана должны стоять на отметках 100, что по черной шкале соответствует полному одинаковому раскрытию диафрагм); в) ввести зеленый светофильтр под номером 4, поворачивая револьверный диск 2, который расположен в верхней части прибора и затем сфокусировать окуляр 4 (с помощью кольца) на линию раздела полей сравнения и наблюдать изображения спирали лампы осветителя, видимые в каждой половине поля зрения. Если изображения не резки, то слегка передвинуть конденсоры осветителя. Для создания равномерно светящегося фона наблюдений в пазы оправ конденсоров вставить матовые рассеиватели. 2. Левый барабан установить на деление 100 (по черной шкале) и больше не трогать. 3. Исследуемый образец поместить на предметный столик под левой диафрагмой, при этом правая половина поля зрения темнеет. Вращая правый измерительный барабан, добиться равенства яркостей обеих половин зрения и брать отсчет Т прямо по черной шкале правого барабана. Установку правого барабана на равенство яркостей произвести 3–5 раз и из полученных отсчетов взять среднее арифметическое. 4. Измерить коэффициент пропускания трех прозрачных цветных образцов (из синего, красного, зеленого стекла или плексигласа) для различных длин волн. Для этого каждый из исследуемых образцов поместить на столик под левой диафрагмой, включить последовательно светофильтры от № 1 до № 11, поворачивая диск 2 (рис. 8.1), и для каждого светофильтра сделать отсчеты пропускания Т образца (по черной шкале). 5. По формуле (8.6) (без учета потерь на отражение) для трех образцов рассчитать спектральную зависимость показателя поглощения = (λ).(Толщины образцов измеряют микрометром.) 6. Результаты измерений занести в табл. 8.1. Примечание: 1) фильтр пропускает излучение определенной эффективной длины волны (эф); 2) область пропускания фильтров от № 1 до № 8 сравнительно узка, эти одиннадцать фильтров делят видимую область спектра примерно на равные участки шириной в 40 нм каждый. Три светофильтра № 9, 10, 11 обладают более широкой областью пропускания, они делят видимую область спектра на три части: красную, зеленую и синюю. 7. Построить график зависимости коэффициента пропускания от длины волны T=T() для синего, красного и зеленого образцов. По оси абсцисс отложить длину волны , а по оси ординат – найденное значение T(%). Длины волны света, пропускаемые каждым светофильтром, указать в таблице записи результатов. 8. Измерить значения коэффициентов пропускания Т для синих светофильтров различной толщины (d, 2d и 3d) при фиксированной длине волны λ1, последовательно накладывая их друг на друга. Проверить графически выполнение закона Бугера. Из формулы (8.5) следует, что ln(1/T)=d, таким образом, при (λ 1) = const ln(1/T) зависит от dлинейно (в чем и нужно убедиться графически). Таблица 8.1
Контрольные вопросы к лабораторной работе 8
Рекомендуемая литература:[5], [10], [11], [14]. Рекомендуемая литература
Учебное издание Добро Людмила Федоровна Богатов Николай Маркович Митина Ольга Евгеньевна ОПТИКА Лабораторный практикум Часть 1 Подписано в печать 25.06.12. Формат 60×84 1/16. Печать цифровая. Уч. О – изл.л.5,5. Тираж 500 экз. Заказ № . Кубанский государственный университет. 350040 г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149. Издательско-полиграфический центр КубГУ. 350040 г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
