Елютин Експерименталная физика.Лабораторный практикум 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее учебное пособие включены лабораторные работы по физике твердого тела, компьютерному моделированию, основам электроники и методам сканирующей зондовой микроскопии.

Учитывая важность данного аспекта и уровень оборудования, используемого при выполнении учебных экспериментов, описание работ в данном пособии предваряется разделом, посвященным правилам техники безопасности.

Темы лабораторных работ и уровень изложения материала несколько выходят за рамки обычной школьной программы, поскольку практикум непосредственно рассчитан на адаптацию будущих студентов к уровню требований учебных и научных лабораторий университета. В частности даны описания работы на сканирующих зондовых микроскопах, представляющих собой уникальное оборудование для учебных заведений школьного образования. Однако многолетний опыт проведения занятий в физических лабораториях физико-математического лицея №1511 при НИЯУ МИФИ показывает, что объем и сложность предлагаемой в этих лабораторных работах информации вполне по силам учащимся 11-го класса лицея, хотя и требует от них некоторой предварительной самостоятельной подготовки.

Учитывая значительную и все возрастающую роль информационных технологий и компьютерного анализа при выполнении современных физических исследований, в рамках предлагаемого пособия авторы постарались уделить соответствующее внимание данному аспекту: в описаниях лабораторных работ приводятся рекомендации по использованию компьютеров для получения и обработки данных.

Нумерация работ сохранена в соответствии с общим перечнем лабораторных работ в учебных физических лабораториях физикоматематического лицея №1511 при НИЯУ МИФИ.

4

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1. Общие положения

В лабораториях физики используется различные приборы, питающиеся от сети переменного тока с напряжением до 220 В. Поражение электрическим током приводит к тяжелым последствиям, поэтому прежде чем приступить к работе, учащиеся должны ознакомиться с настоящими правилами техники безопасности.

Лица, нарушающие требования техники безопасности, удаляются из лаборатории и могут быть привлечены к административной ответственности.

Наблюдение за выполнением учащимися правил по технике безопасности во время занятий обеспечивается преподавателями, присутствующими в лаборатории, и лаборантами.

2. Правила работы в лаборатории

Прежде чем приступить к выполнению очередной лабораторной работы, учащиеся обязаны ознакомиться с описанием установки и правилами эксплуатации приборов.

Перед включением установки необходимо проверить правильность сборки схем и монтажа установок в соответствии с описанием работы.

Во время работы в случае короткого замыкания в электроцепи следует немедленно отключить питание цепи и обратиться к преподавателю или лаборанту.

Монтаж схем разрешается только при выключенном источнике тока. Во избежание порчи приборов включать ток в собранную установку разрешается только после проверки её преподавателем или лаборантом. Никаких изменений в схеме после проверки производить не разрешается. После каждого изменения до включения тока схема должна быть снова проверена преподавателем или лаборантом.

По окончании работы необходимо выключить приборы, отключить их от сети и привести в порядок рабочее место.

5

3. Запрещается

Производить переключения контактов в электроцепях, находящихся под напряжением.

Прикасаться к неизолированным участкам цепи при включенном напряжении.

Превышать предусмотренные режимы работы приборов в электрических цепях.

Оставлять без надзора включенную установку.

Ходить по лаборатории во время занятий без разрешения преподавателя.

6

РАБОТА 33

ОСНОВЫ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ

Цель – ознакомление с основами метода лазерной интерферометрии, измерение профиля изгиба пластины, определение величины деформирующего усилия.

Введение

Зрение является одним из важнейших органов чувств, поскольку именно оно дает наибольшую информацию об окружающем мире. Зрительная информация воспринимается глазом человека и обрабатывается мозгом. Однако время необходимое для обработки может превышать возможное время наблюдения. Кроме того, часто возникает необходимость передачи этой информации другому человеку не получившему ее непосредственно из собственных наблюдений.

Зрительную информацию можно получить и сохранить с помощью фотографии. При фотографическом способе формирования изображения объекта световая волна, рассеянная на объекте, с помощью оптических элементов образует действительное изображение на светочувствительном материале. Плотность зачернения каждой точки изображения на негативе пропорциональна интенсивности свечения соответствующей точки объекта.

В свою очередь, интенсивность световой волны пропорциональна квадрату ее амплитуды (I E2 ). Но световая волна характеризуется не только амплитудой, но и фазой, которую фотография не регистрирует. Таким образом, фотографическая информация об объекте не является полной.

В 1948 году Деннисом Габором был предложен новый принцип записи изображений, который позволяет фиксировать не только амплитудные, но и фазовые характеристики электромагнитных волн и получать, таким образом, более полную информацию об объекте – источнике этой волны. Этот метод получил название «голография».

7

Принцип получения голографического изображения

Рассмотрим принцип голографии на простейшем примере, показанном на рис. 33.1. Предметная волна 1 распространяется под углом к перпендикуляру, восстановленному к плоскости A. Опорная волна 2 распространяется перпендикулярно к этой поверхности. Волны 1 и 2 характеризуются одной и той же длиной волны и являются когерентными.

Рис. 33.1

В результате интерференции этих волн на плоскости будет наблюдаться интерференционная картина в виде эквидистантных полос. Пространственный период этой картины определяется разностью хода между участками волнового фронта в волнах 1 и 2. Поверхность одинаковой фазы в волне 2 совпадает с плоскостью A. В точке плоскости A с координатой y (рис. 33.1,а) разность хода равна

Максимум интенсивности интерференционной картины в плоско-

8

Поместим в плоскости A фотопластинку и засветим ее. При правильном выборе экспозиции и режима обработки (проявление и закрепление) на пластине получится изображение интерференционных равностоящих полос. Полученный фотоснимок представляет собой дифракционную решетку с периодом d. При освещении решетки опорным излучением (волна 2) (рис. 33.1,б) в результате дифракции опорного пучка на решетке возникают несколько волн. Направление волны на максимум дифракции порядка m определяется условием d sin m. Для m 1

Сравнение формул (33.2) и (33.3) для периода дифракционной решетки дает , т.е. свет на решетке дифрагирует под углом , что аналогично восстановлению предметной волны. Таким образом, фотографическая запись интерференционной картины двух плоских волн при последующем освещении изображения опорной волной позволяет восстановить другую волну – предметную.

Пусть теперь перед фотопластинкой находится точечный источник S, излучение которого является монохроматическим и когерентным (рис. 33.2). Одновременно пластинка освещается параллельным пучком лучей I, также монохроматических и когерентных. Условие когерентности этих двух световых потоков приводит к тому, что на фотопластинке образуется система интерференционных полос, представляющая собой совокупность концентрических колец.

Рис. 33.2

9

Расстояние между соседними полосами вдоль радиуса будет зависеть от угла, под которым падают на фотопластинку лучи точечного источника и фонового пучка в данную точку пластинки. Условие максимума интенсивности, т.е. образование черного кольца на негативе, определяется соотношением

Rk sin k k .

Тогда расстояние между соседними темными полосами

sin k

при этом считаем, что углы для соседних колец примерно равны. Экспонированная и обработанная фотопластинка фактически представляет собой дифракционную решетку, у которой штрихи – это темные кольца, а промежутки между ними – светлые прозрачные кольца. Если эту пластинку осветить пучком параллельных когерентных лучей (тем же пучком, который служил фоном при экспонировании) то лучи, проходящие через прозрачные кольца, будут дифрагировать, т.е. отклоняться (рис. 33.3).

Рис. 33.3

Для дифракционных решеток угол, под которым виден максимум k -го порядка определяется соотношением:

где d – расстояние между соседними штрихами (постоянная решетки). Если вместо d в формулу (33.5) подставить R из форму-

10