МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Чебоксарский политехнический институт (филиал)
|
В.А. АНДРЕЕВ, Ф.Т. ДЕНИСОВ, С.М. КАЗАКОВ, А.Н. МАКСИМОВ, В.В. САМАРИН, Г.М. ФИЛИППОВ
ОПТИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Учебное пособие для выполнения лабораторных работ Под редакцией С.М. Казакова
Рекомендовано Московским Физико-Техническим институтом (ГУ) к использованию в качестве учебного пособия в образовательных учреждениях, реализующих общеобразовательные программы ВПО по дисциплине "Физика" по направлению подготовки ВПО 651300 «Металлургия», специальности ВПО 150104 «Литейное производство черных и цветных металлов»; по направлению подготовки ВПО 653300 «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования», специальности ВПО 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»; по направлению подготовки ВПО 651900 «Автоматизация и управление», специальности ВПО 220201 «Управление и информатика в технических системах»; по направлению подготовки ВПО 653500 «Строительство», специальности ВПО 290300 - Промышленное и гражданское строительство.
Регистрационный номер рецензии 632 от 07.12.2009 г
Редакционно-из дательский отдел ЧПИ МГОУ ЧЕБОКСАРЫ 2010
УДК 53(075.8):535(075.8) ББК 223+73 О 62
Рецензенты:
Заведующий кафедрой теоретической и экспериментальной физики Чувашского государственного университета им. И.Н.Ульянова, д. ф.- м.н., профессор ТЕЛЕГИН Г.Г.
Заведующий кафедрой общей и теоретической физики Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева,
к.ф.-м.н., доцент КИТАЕВ А.И.
Оптика и квантовая физика:
О 62 учеб. пособие для выполнения лабораторных работ /Андреев В. А. и др.; под ред. С.М.Казакова - Чебоксары, ЧПИ МГОУ, 2010. - 150 с. ISBN 978-5-4246-0032-6
Учебное пособие составлено с учетом содержания курса общей физ ики, определенного Государственными образ овательными стандартами для технических специальностей вуз ов. В учебном пособии рассмотрены вопросы теории тех разделов, которые вынесены на лабораторный практикум, приведены описания лабораторных работ, инструкции по их выполнению, даны рекомендации по исполь ованию информационных технологий при обработке экспериментальных данных.
Для студентов технических специальностей вуз ов.
Ил. 94, табл. 41.
УДК 53(075.8):535(075.8)
ББК 22.3я73
Утверждено Методическим советом института.
ISBN 978-5-4246-0032-6
© Андреев В. А. 2010,
© Денисов Ф.Т. 2010,
© Казаков С.М. 2010,
© Максимов А.Н. 2010, © Самарин В.В., 2010,
© Филиппов Г.М., 2010, © Чебоксарский политехнический институт (филиал) МГОУ, 2010 © Оформление. ИП Сорокин А.В. Издательство «Новое время», 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ.......................................................................................................... 4
I. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
Лабораторная работа № 3.1 ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
СВЕТА......................................................................................................................... 7
Лабораторная работа № 3.2 ТОНКИЕ ЛИНЗЫ........................................................... 16
Лабораторная работа № 3.3 СФЕРИЧЕСКИЕ ЗЕРКАЛА............................................ 34
II. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Лабораторная работа № 3.4 КОЛЬЦА НЬЮТОНА..................................................... 42
Лабораторная работа № 3.5 ПРОЗРАЧНАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА............ 51
Лабораторная работа № 3.6 ОТРАЖАЮЩИЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ РЕШЕТКИ.... 60
Лабораторная работа № 3.7 ПОЛЯРОИДЫ И ЗАКОН МАЛЮСА.............................. 69
Лабораторная работа № 3.8 ПОЛЯРИМЕТРИЯ И ЗАКОН БРЮСТЕРА..................... 77
Ш. КВАНТОВАЯ ОПТИКА
Лабораторная работа № 3.9 ОПТИЧЕСКАЯ ПИРОМЕТРИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПОСТОЯННЫХ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА И ПЛАНКА........................................... 89
Лабораторная работа № 3.10 ВЕНТИЛЬНЫЙ ФОТОЭФФЕКТ И
СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ................. 98
Лабораторная работа № 3.11 ВНЕШНИЙ И ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТЫ,
ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ....................................................................................... 110
Лабораторная работа № 3.12 ЭФФЕКТ КОМПТОНА И ПРОХОЖДЕНИЕ
ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО............................................................ 121
Приложение 1. РАБОТА С ПРОГРАММОЙ SMATH STUDIO PC............................ 137
Приложение 2. РАБОТА С ПРОГРАММОЙ ADVANCED GRAPHER...................... 139
Приложение 3. УКАЗАНИЯ ПО РАСЧЕТУ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ........ 143
Приложение 4. ТАБЛИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН............................................ 144
Приложение 5. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О ЕДИНИЦАХ ИЗМЕРЕНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН....................................................................................... 146
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...................................................... 147
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее пособие является продолжением учебных пособий “Механика, молекулярная физика и основы термодинамики“ и “Электромагнетизм, колебания и волны”, предназначенных для проведения лабораторных з анятий по курсам “Физика” и “Общая физика”. Дисциплина “Физика” является фундаментальной основой подготовки специалистов и бакалавров технических специальностей. В и учении фи ики ра делы “Оптика“ и “Квантовая фи ика” имеют особую важность - первый из-з а широкого распространения новых источников света, оптоволоконных линий свя и, оптических носителей информации и устройств ее отображения. Второй раздел является фундаментом развития нанотехнологий. Приведем в качестве примера основные элементы этих ра делов по Государственным обра овательным стандартам для двух специальностей:
1. Специальность 220201 «Управление и информатика в технических системах» (направление 651900 «Автомати ация и управление»).
Оптика: отражение и преломление света, оптическое изображение, волновая оптика, принцип голографии, квантовая оптика, тепловое и лучение, фотоны;
2. Специальность 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» (направление 653300 «Эксплуатация наз емного транспорта и транспортного оборудования»).
Оптика: геометрическая оптика; волновая оптика; молекулярная оптика; действие света; люминесценция; фотометрия.
Квантовая физика: корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопределенности, квантовые состояния, принцип суперпозиции, квантовые уравнения движения, операторы физических величин, энергетический спектр атомов и молекул, природа химической свя и, квантовые оптические генераторы;
Историческое ра витие фи ики как экспериментальной науки и широкое практическое исполь ование достижений фи ики в современной технике и быту делает изучение физических явлений на лабораторных з анятиях очень важным. Виртуальные компьютерные модели не могут полностью аменить этого, хотя они и полезны для з акрепления изученного материала. В данном практикуме с этой целью предусмотрено исполь ование электронного учебника “Открытая физика”, разработанного ООО “Физикон”, www.physicon.ru, и распространяемого ЗАО “Новый диск”, www.nd.ru.
Значительная часть исполь уемых лабораторных установок включает в себя оптическую скамью. Оптическая скамья - это длинная прямолинейная станина специального сечения, на которой установлены рейтеры, способные свободно вдоль нее перемещаться или жестко з акрепляться. Рейтеры состоят из ра личных оптических устройств и держателей для крепления оптических деталей, узлов и приборов, которые расположены на одной оптической оси. В данном лабораторном практикуме оптические скамьи используются для визуальных и фотоэлектрических исследований оптических приборов и явлений. Авторы выражают благодарность Е.В.Белкину, Т.В.Ивановой и Н.А.Мальцеву за участие в разработке и монтаже лабораторного оборудования.
Рекомендации преподавателям
Рекомендуется выделять равное учебное время на выполнение и з ащиту работ. Перечень выполняемых заданий из плана каждой работы можно изменять в з ависимости от формы обучения и специальности. Теоретический материал описаний лабораторных работ может служить кратким конспектом и дополнением к лекциям по соответствующим темам.
Указания студентам
При подготовке к очередной работе сделайте в рабочей тетради з аготовку отчета. Без нее студенты к выполнению работы не допускаются. Начало отчета должно включать все элементы, указанные в начале описания каждой работы данного практикума:
• номер работы и название работы,
• цель работы,
• приборы и принадлежности,
• план работы.
Далее делаются записи в соответствии с планом. Из пунктов, посвященных и учению ра делов фи ики и описанию работы лабораторных установок, выпишите исходную формулировку физического з акона и расчетную формулу, перечислите смысл входящих в них величин. Сделайте схематичный чертеж лабораторной установки, укажите на ней ход световых лучей. В указ анных преподавателем для выполнения пунктах, посвященных и мерению (определению и т.д.) физических величин, запишите параметры установки и начертите заготовки таблиц. Места должно быть достаточно для возможных уточнений и исправлений.
На анятиях в фи ической лаборатории необходимо строго соблюдать требования охраны труда. Прежде чем польз оваться прибором, изучите его устройство и правила пользования им. О неисправности прибора немедленно сообщите преподавателю или лаборанту.
При выполнении работы строго придерживайтесь намеченного хода работы. Все указанные преподавателем задания выполняйте самостоятельно, отчетливо представляя цель каждого из них. Измерения и наблюдения проводите с максимальной тщательностью, ре ультаты и мерений сра у аносите в аго- товки таблиц в рабочей тетради. Будьте во всем предельно аккуратны. Бережно относитесь к оборудованию лабораторий, приборам, аппаратам. Будьте внимательны и доброжелательны к коллегам по работе, не со давайте лишнего шума и не нарушайте порядка в лаборатории. После з авершения измерений предъявите их результаты преподавателю для предварительной проверки. В случае обнаружения неточностей повторите и мерения и добейтесь удовлетворительных результатов. Данные в отчете подписываются преподавателем. После завершения работы рабочее место приведите в порядок.
Для ускорения обработки результатов прямых измерений можно исполь- з овать калькулятор погрешностей [31], доступный на сайте ЧПИ МГОУ http://www.mgou.infanet.ru, далее на странице “Кафедра физики” в разделе “Информация для студентов”, а также на компьютерах физических лабораторий. При обработке данных графики необходимо строить или на миллиметровой бумаге, или представлять в электронном виде с помощью одной из компьютерных программ научной графики. По осям абсцисс и ординат с ука анием единиц и мерений откладывают в прои вольных масштабах начения, соответственно, независимой переменной и функции. Масштабы выбирают так, чтобы график занял весь лист. Согласно ГОСТу, деления осей допускается отмечать только числами, изменяющимися на единицу (0, 1, 2,...), на двойку (0, 2, 4,...), на пятерку (0, 5, 10,.), на степень десяти (0, 10, 20,. или 100, 200, 300,.). Пересечение координатных осей не обяз ательно должно совпадать с нулевыми значениями x и у. По возможности, желательно указ ать абсолютные погрешности измерений A x и А у в виде креста, чтобы найденная точка находилась в середине. Если точка отстоит далеко от графика (во можный промах), то, выявив большую погрешность, ее можно удалить. По отмеченным точкам строят наиболее гладкую кривую, проходящую в “коридоре” погрешностей. Если погрешности не указ аны, то гладкая кривая не должна буквально проходить через каждую точку. Линию проводят так, чтобы она прошла как можно ближе к ним или между ними, оставляя по обе стороны от себя примерно равное число чередующихся (выше и ниже) точек.
В данном практикуме приведены примеры вычислений, статистической обработки данных и построения графиков с помощью свободных (freeware, не требующих лицен ий) программ, которые можно исполь овать в лаборатории и на любых доступных компьютерах, см. также [31]. Для з ащиты лабораторной работы з аранее подготовьте письменные ответы на контрольные вопросы с помощью основных учебников [1-4], дополнительной литературы [11] и теоретического материала данного пособия.
I. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.1 ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА
Цель работы: изучение з акона преломления света и определение показ а- телей преломления прозрачной пластмассы и воды.
Приборы1 и принадлежности: оптическая скамья, плоскопараллельная пластинка и про рачной пластмассы и сосуд с полукруглым сечением на поворотных столиках, полупроводниковый ла ер, пластиковая бутылка с водой, штангенциркуль, шкала.
Меры предосторожности: не смотреть в ла ерный пучок, не направлять прямой или отраженный луч ла ера на людей, находящихся в лаборатории. Сразу после з авершения из мерений лаз ер выключить.
Литература: [1, §165], [2-5].
План работы:
1. И учение преломления света.
2. Опытная проверка акона преломления света.
3. Определение пока ателя преломления воды по углу полного внутреннего отражения.
4. Измерение показателя преломления воды с помощью круглого прозрачного сосуда.
5. И учение преломления света и полного внутреннего отражения на компьютерной модели.
1. Преломление света
При падении луча света на границу ра дела двух сред он частично отражается и преломляется. Согласно акону преломления света, экспериментально открытому в 1621 г. Снеллиусом[1], падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения, лежат в одной плоскости, а угол падения а и угол преломления в связ аны соотношением (рис. 1.1а)
sin а п2. о „ 1Ч
------ = n21 = —, или n1 sin а = n2sin р, (1.1)
sin р n1
где n21 - относительный показатель преломления второй среды относительно первой, n2 и n1 - абсолютные пока атели преломления второй и первой сред. Для вакуума и для воз духа (приближенно) n=1, для оптически более плотных сред
n = — = 7ф> 1, (1.2)
v
где c - скорость электромагнитных волн в вакууме, v - их фазовая скорость в среде, 8 и д - соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды.
п< п2 | a^ |
k | "2 |
"1 | a | а/ |
пг< пх | Р^ |
|
> п |
«1 х | а |
| |
пъ>пх |
| у / / / |
|
- к «2< 771 Р |
| ||
При переходе луча из более плотной среды в менее плотную (при n21 < 1) преломленный луч существует пока
(1.3)
n
Угол а пр, для которого в = П 2 называется предельным углом полного внут-
ПР -21- (1.4)
При а > апр падающий луч полностью отражается в первую среду - происходит полное внутреннее отражение. Добавление на границе двух сред прослойки оптически более плотной третьей среды (с n3 > n1) не меняет полного внутреннего отражения, а лить смещает отраженный луч (рис. 1.1в). Если угол а на рис 1.1 б,в равен предельному углу полного внутреннего отражения по отноте- нию к границе сред 1 и 2, тогда для угла Y преломления при переходе из среды
2 в среду 3 получим
| |||||
 | |||||
| |||||
n3 sin у = n2 и sin Y:
n
то есть угол Y ока ывается равным предельному углу полного внутреннего отражения по отнотению к границе сред 2 и 3. Поэтому луч отражается от границы сред 2 и 3, переходит в среду 1 и вновь идет под углом a, как и при отсутствии среды 3.
Явление полного внутреннего отражения используется в световодах, по- лучивтих в настоящее время тирокое распространение. Благодаря полному внутреннему отражению лучи света распространяются по световоду и перено-
сят цифровую информацию в оптоволоконных линиях связи* и изображение при обследовании внутренних органов человека в медицине. Преломление лучей света на сферических и других криволинейных поверхностях используется в линз ах и оптических системах (см. работу 3.2).
Рассмотрим прохождение света через прямоугольное прозрачное тело. При прохождении света через плоскопараллельную прозрачную пластинку луч преломляется дважды (см. рис. 1.2), в результате чего смещается по отношению к первоначальному направлению на величину X.
пластинка
после прохождения чере плоскопараллельную про рачную пластинку |
Для угла преломления в могут быть найдены тангенс и синус
n b a — c x
^в =:7=~i~ = ^а-^------------------.
d d d cos а
tge
sine = sin (arctg(tge)) =,-----------. vi+tg2e
Формула для смещения луча света после прохождения через плоскопа-
раллельную стеклянную пластинку
г \
cos а
x = d sin а
2 • 2 n — sin а j
получается после решения геометрической з адачи. Ее вывод предусмотрен при решении задачи 21.1, с. 316 в [1].
* За наибольший вклад в разработку оптоволоконных технологий Нобелевская премия по фи- з ике з а 2009 г. присуждена Чарльзу Као (Великобритания).
Из формулы (1.9) можно получить выражение для показ ателя преломле
ния
2 2 d cos а
n = sin а 1 +
(d sin а- x)2 В частности, при x = 0 получаем n = 1.
Рассмотрим прохождение света через круглое прозрачное тело. Если из точки В на поверхности про рачного диска внутрь диска выходят два луча (см. рис. 1.3), один из которых идет вдоль диаметра без преломления, то угол их расхождения уменьшается. Точка пересечения продолжений лучей В1 будет находиться от наблюдателя дальше действительного положения В, а кажущаяся длина А1В1 отрез ка АВ будет больше его действительной длины. Определим величину отношения длин отрезков.
 | ||||
| ||||
 | ||||
|
| |||||
 | |||||
| |||||
Таким образ ом, коэффициент преломления материала цилиндра может быть найден по формуле
2 (1.16)
n =
1+ У/у 1
Более сложная формула, учитывающая преломление лучей в стенках цилиндрического сосуда с внешним и внутренним радиусами R1, R2, сделанными
из материала с показ ателем преломления n1, получена Б.Б.Голицыным [22]
 | |||||||
| |||||||
В случае R1 «R2 из нее следует формула (1.16).
2 Опытная проверка закона преломления света
В измерительной установке на оптической скамье (см. рис. 1.4) установлены рейтеры: источник света - полупроводниковый лаз ер 1, измерительная шкала 2 и поворотные столики с плоскопараллельной пластиной 3 и сосудом с водой 4, имеющим сечение в форме кругового сегмента. Сначала столик с сосудом 4 должен быть ра вернут так, чтобы луч ла ера падал на пластинку (рис. 1.4а).
|
Рис. 1.4. Измерительная установка (вид сверху) при и мерениях с плоскопараллельной пластинкой (а) и при и мерении угла полного внутреннего отражения света (б) |
Измерения выполните в следующем порядке:
1. Из мерьте штангенциркулем толщину d прозрачной пластинки, установленной на поворотном столике.
2. Включите лазер (выключатель находится на блоке питания). Не допускайте направление прямого или отраженного луча лаз ера в глаз а.
3. Запишите в табл. 1.1 (в строке а = 0) положение падения луча на шкалу у0, при котором отраженный луч проходит наиболее бли ко к падающему лучу
4. Поверните поворотный столик на угол а1 = 10° так, чтобы отраженный луч
лаз ера падал на стену з а оптической скамьей. Измерьте положение луча у1 и
внесите в табл. 1.1. Определите смещение луча х1 = у1 — у0 и также внесите в
табл. 1.1 (это можно сделать и непосредственно при расчетах в табличном процессоре).
Таблица 1.1
№ | а, град | у, мм | х, мм х = у — у0 | tgа | ^Р | sin Р | sin а |
|
| - |
|
|
| ||
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
|
|
| ||
|
|
|
|
|
|
5. Выполните аналогичные из мерения у для углов а. от 20° до 70° с шагом 10°. Внесите ре ультаты и мерений в табл. 1.1. После авершения и мерений ла ер выключите.
6. Подсчитайте з начения sin а, tgP (по формуле (1.7)) и sin Р (по формуле
(1.8)). Постройте график з ависимости sin а от sin Р. Проведите через точки сглаживающую прямую, проходящую чере начало координат
sin а = n sin Р (1.18)
и определите ее угловой коэффициент n, являющийся показ ателем преломления. Для облегчения расчетов удобно использовать табличные процессоры OpenOf- fice.org Calc или Microsoft Excel. Данные из табл. 1. 1 вносятся в ячейки рабочего листа документа, созданного в одной из этих программ. Вычисления проводятся с помощью встроенных функций, углы при этом нужно перевести и градусной меры в радианы. Для построения графика з ависимости sin а = f (sin Р) выделите два последних столбца табл. 1.1 и з апустите мастер диаграмм. В программе OpenOffice.org Calc выберите тип диаграммы “Диаграмма XY. Только точки”, щелкните по кнопке “Готово”. После получения графика щелкните правой кнопкой мыши по одному из маркеров-точек и в контекстном меню выберите “Вставить линию тренда...”, з атем выберите тип “Линейный”, поставьте флажок в поле “Показ ать уравнение” и щелкните ОК (рис. 1.5).
а б Рис. 1.5. Выбор типа линии тренда (а) и возможный график з ависимости sin а = f (sin в) в программе OpenOffice.org Calc |
В программе Microsoft Excel. выберите тип диаграммы “Точечная”, щелкните по кнопке “Готово”. После получения графика щелкните правой кнопкой мыши по одному из маркеров-точек и в контекстном меню выберите “Добавить линию тренда.”, з атем выберите тип “Линейная”, на вкладке “Параметры” поставьте флажок в поле “показывать уравнение на диаграмме” и щелкните ОК.
3. Определение показателя преломления воды по углу полного внутреннего отражения
Для наблюдения явления полного внутреннего отражения исполь уется сосуд с полукруглым сечением, или с сечением в виде кругового сегмента (рис.1.4, 1.6). Если жидкость в сосуде (вода) слегка з амутненная, рассеяние света делает ход луча видимым.
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 25 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
