Порядок выполнения работы

1. Ознакомится с устройством сахариметра.

2. Установить окуляр поля зрения и окуляр шкалы поляриметра по глазу наблюдателя так, чтобы было четко видны штрихи и цифры шкалы и нониуса, а также вертикальная линия, разделяющая поле зрения (два окуляра: верхний для шкалы, нижний для поля зрения).

3. Произвести установку поляризатора на нуль, медленно вращая головку кремальерной передачи (прибор отъюстирован так, что при этом получается равная освещенность обеих половинок поля зрения). Сделать отсчет по шкале и нониусу (верхний окуляр). Затем повернуть головку кремальерной передачи немного в сторону и вновь найти такое положение, при котором обе половины поля зрения имеют одинаковую освещенность и снова сделать отсчет по шкале. Эту операцию проделать три раза, после чего найти среднее значение φ₀.

4. Поместить в камеру трубку с раствором сахара неизвестной концентрации №1. Равномерная освещенность поля зрения нарушится. Медленно вращая головку кремальерной передачи вновь получить равенство освещенностей обеих половин поля зрения. Операцию повторить три раза. Найти среднее значение φ₁ по шкале окуляра, используя шкалу нониуса. Найти угол поворота плоскости поляризации раствором сахара как разность величин φ = φ₁– φ₀. Отсчеты по шкале дают значение угла поворота плоскости поляризации в градусах.

5. Вычислить процентное содержание сахара, в растворе используя закон Био, учитывая, что для данного вещества и трубки величина постоянная:С=kφ.

Значение для трубки длиннойd=200мм.

6. Определить концентрацию сахара в растворах №2, 3 повторив пункты 4 и 5. По полученным данным построить график зависимости угла поворота плоскости поляризации в делениях шкалы от концентрации С.

7. Поместить в камеру трубку с раствором сахара неизвестной концентрации №4 и определив угол поворота плоскости поляризации раствором сахара по графику найти его концентрацию С. Сравнить найденное значение с полученным по закону Био.

8. Данные занести в таблицу (таблица рисуется произвольно).

9. Сделать соответствующий вывод.

Контрольные вопросы

1. В чем отличие естественного света от плоскополяризованного?

2. Какие существуют способы получения плоскополяризованного света?

3. Сформулируйте закон Брюстера.

4. Как отличить естественный свет от поляризованного?

5. Дать вывод и сформулировать закон Малюса.

6. Что называется коэффициент пропорциональности, получившим называние удельное вращение? От чего он зависит?

7. В чем заключается полутеневой метод определения угла поворота плоскости поляризации?

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.

2. Физический практикум. Электричество и оптика /Под редакцией В.И. Ивероновой, ГИФМЛ, 1968. – 816с.

3. Лекции.

Лабораторная работа №3

Определение длин световых волн при помощи дифракционной решетки

Цель работы: 1.Познакомиться с методом определения длины световой волны при помощи дифракционной решетки и работой лазера.

2.Определить длину волны лазерного излучения и спектральных цветов.

3.Вычислить погрешность измерений.

Приборы и принадлежности: Дифракционные решетки и,

оптическая скамья, лазер (ЛГ-75-1).

Краткая теория

Дифракцией называется явление огибания световым лучом преград, размеры которых сравнимы с длиной световой волны. Это явление объясняется на основе принципа Гюйгенса, согласно которому каждую точку волновой поверхности можно рассматривать как источник колебаний, испускающий волны, центром которых является эта точка. Если имеется источник, который дает параллельный пучок света (рис.1), падающий на отверстие, размеры которого сравнимы с длиной световой волны, то каждая точка этого отверстия является источником колебаний и дает элементарную волну. Огибающая этих волн будет фронтом волны, прошедшей через отверстие, а луч света не будет прямолинейным.

Для наблюдения дифракционной картины используют одномерную, двумерную или трехмерную дифракционные решетки. Одномерная дифракционная решетка может быть получена следующим образом: на прозрачную стеклянную пластинку наносят с помощью делительной машины ряд параллельных штрихов шириной “b” c расстоянием между штрихами “а”. Штрихи играют роль непрозрачных промежутков. Сумма называется периодом или постоянной дифракционной решетки. Если осветить такую решетку параллельным пучком монохроматического света с длиной волныλ (рис.2), то после прохождения света через решетку получаем пучок лучей, имеющих различное направление. Рассмотрим две соседние щели. Соответствующие друг другу точки находятся на расстоянии . Если взять два луча, идущих в направленииВ, то разность хода лучей

,

где φ – угол отклонения луча от нормали.

рис.1

рис.2

Согласно законам интерференции лучей, если разность хода равна целому числу длин волн света, то в этом направлении будет усилие света, но если разность хода равна нечетному числу полуволн, то происходит ослабление света светом. Есть,

,

где n = 0,1,2,3…, то имеем максимум освещенности.

Если , то – минимум освещенности.

Таким образом, на экране, поставленном на пути лучей прошедших через решетку и собранных линзой, получаются чередующиеся темные промежутки и светлые полосы. С увеличением числа щелей четкость дифракционной картины возрастает, увеличивается интенсивность и уменьшается ширина главных максимумов, т.к. вследствие интерференции происходит перераспределение энергии в пространстве.

При освещении дифракционной решетки SS₁ (рис.3) монохроматическим светом с длиной волны, λ получается, по перпендикулярному направлению наиболее резкий максимум (точка 0). По другим направлениям, которым соответствуют углы φ₁, φ₂, φ₃ с перпендикуляром к решетке, наблюдается соответственно первый, второй, третий и т.д. максимумы. Величина углов φ связана формулой:

где φ_n – угол отклонения лучей, образующих n-ый максимум.

Пользуясь этой формулой, можно определить длину световой волны. Если на дифракционную решетку падает белый свет, то дифракционные максимумы для лучей разного цвета пространственно разойдутся (т.к. каждый цветной луч имеет свою длину волны).

Нулевой максимум (n=0) для всех длин волн совпадает при φ=0. Максимум первого порядка (n=1) для фиолетовых лучей будет ближе к центру, чем для красных. Между ними расположатся максимумы промежуточных цветов – образуется дифракционный спектр первого порядка (рис.4). Между нулевым и первым максимумами располагается темная полоса, затем наблюдается спектр второго порядка и т.д. Максимальное число наблюдаемых спектров определяется из условия

Дифракционную решетку используют для определения длины световой волны.

рис.3

рис.4.

Для получения монохроматических волн, используемых в волновой оптике, в 1960 году Т.Мейменом был создан оптический квантовый генератор или лазер (от первых букв английского названия Light Amplification by Stimulateg Emission of Radiation – усиление света с помощью вынужденного излучения).

Важнейшими из существующих типов лазеров являются твердотельные, газовые, полупроводниковые и жидкостные (в основу такой классификации положен тип активной среды). Более точная классификация учитывает также и методы накачки – оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др. Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации – непрерывный или импульсный.

Лазер обязательно имеет три основных компонента:

1. активную среду, в которой создаются состояния с инверсией населенностей;

2. систему накачки (устройство для создания инверсии населенностей в активной среде);

3. оптический резонатор (устройство, выделяющее в пространстве избирательное направление пучка фотонов и формирующее выходящий световой поток – лазерное излучение).

Первым твердотельным лазером, работающим в видимой области спектра (длина волны излучения 0,6943 мкм), был рубиновый лазер. В нем инверсная населенность уровней осуществляется по трехуровневой схеме. Кристалл рубина представляет собой оксид алюминия Al₂О₃, в кристаллической решетке которого некоторые из атомов Al замещены трехвалентными ионами хрома (0,03% и 0,05% ионов хрома соответственно для розового и красного рубина). Для оптической накачки используются импульсная газоразрядная лампа. При интенсивном облучении рубина светом мощной импульсной лампы атомы хрома переходят в возбужденное состояние, создавая среду с инверсной населенностью.

Для выделения направления лазерной генерации используется оптический резонатор. В простейшем случае им служит пара обращенных друг к другу параллельных (или вогнутых) зеркал на общей оптической оси, между которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом). Зеркала изготовляют так, что от одного их них излучение полностью отражается, а второе – полупрозрачно. Оптический резонатор выделяет направление усиливаемого фотонного потока, формируя тем самым лазерное излучение с высокими когерентными свойствами.

Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

1. Временная и пространственная когерентность. Время когерентности составляет 10^-3с, что соответствует длине когерентности порядка 10⁵м (10^-3с – время нахождения иона хрома на втором – метастабильном уровне).

2. Строгая монохроматичность (∆λ<10^-11м).

3. Большая плотность потока энергии.

4. Очень малое угловое расхождение в пучке.

Необычные свойства лазерного излучения находят в настоящее время широкое применение: для обработки твердых материалов, резания, микросварки, обнаружения дефектов, тончайших операции и т.д.