fizika_668

71

27 Визначення радіуса кривизни лінзи за допомогою кілець Ньютона

27.1 Мета роботи

Експериментальне дослідження законів інтерференції світла

27.2 Схема й принцип дії установки

Плоскоопукла лінза 1 й плоска скляна пластинка 2 (рисунок 27.1), перебувають у спеціальному утримувачі, який забезпечений трьома регулювальними гвинтами. Ця оптична система пригвинчена до столика, з яким жорстко зв'язаний мікрометричний гвинт. За допомогою мікрометричного гвинта столик разом з лінзою й пластинкою переміщається в горизонтальному напрямку.

72

Освітлювач являє собою конденсорну лінзу 5 и електричну лампочку (джерело світлу 4), яка розташована у фокальній площині лінзи 5.

Паралельний пучок світла падає на скляну пластинку 3, яка розташована під кутом 45 до пучка променів. Відбите від пластини 3 світло падає нормально на систему із плоскоопуклою лінзою.

Збільшене зображення кілець розглядається в зорову трубу 6, яка постачена світлофільтром, що дозволяє спостерігати інтерференційну картину в монохроматичному світлі.

Вимір діаметрів кілець виробляється за допомогою окулярної нитки зорової труби 6. Для вимірювання діаметра темного кільця, що цікавить нас, необхідно за допомогою мікрометра сполучити окулярну нитку із серединою цього кільця, ліворуч від центра зробити відлік по шкалі мікрометра. Потім сполучити окулярну нитку із серединою цього ж кільця праворуч від центра. Для зменшення погрішності вимірювання, рекомендується вимірювати діаметри не нижче третього порядку.

Формула для визначення радіуса кривизни лінзи:

r2	(27.1)
R m ,

m λ

де rm – радіус відповідного (m-того) кільця [м], – довжина хвилі падаючого світла (кольора) [м], m – номер (порядок) кільця.

27.3 Порядок виконання роботи

27.3.1Переміщенням зорової труби нагору й униз домогтися чіткого зображення кілець.

27.3.2Зробити відліки діаметрів кілець. Вимірювання повторювати три рази.

27.3.3Користуючись формулою (27.1) визначити радіус кривизни для кожного середнього значення радіусів кілець; з

отриманих значень взяти середнє. Довжина хвилі світла, у якому спостерігається інтерференційна картина, зазначена на установці.

27.3.4 Вивести формулу й розрахувати відносну й абсолютну погрішності визначення радіуса кривизни лінзи (див. розділ 34 “Загальні відомості”).

73

Результати вимірювань і обчислень занести в таблицю 27.1. Відповідь записати у вигляді: R = R R

Таблиця 27.1

№	Відлік по мікрометру,			Діаметр	R,
		мм		кільця m-того
досліду				порядку, мм	м
	Ліворуч		Праворуч

74

28 Визначення довжини світлової хвилі за допомогою дифракційних грат

28.1 Мета роботи

Визначити довжину світлової хвилі за допомогою дифракційних грат при нормальному падінні на неї світлового пучка від щелевидного джерела світла.

28.2 Схема й принцип дії установки

Всі елементи установки (рисунок 28.1) можна переміщати уздовж оптичної лави, а також можливе регулювання по висоті, щоб установлювати їх співісно.

Дифракційні грати являють собою ряд прозорих щілин однакової ширини (a), які розділені однаковими непрозорими проміжками (b) (рисунок 28.2). Загальна ширина щілини й непрозорого проміжку (d) називається постійною дифракційних грат.

Якщо дифракційні грати висвітлювати монохроматичним світлом, то, крім зображення щілини АВ (рисунок 28.3), з боків видні симетричні зображення спектрів (ліній) першого, другого, третього й

75

т.д. порядків. Кожне бічне зображення зміщене убік на величину

BD1=BD2=h.

На рисунку 28.4 показана геометрія для висновку розрахункової формули для променів, що утворюють спектр довільного порядку.

Формула для розрахунку довжини хвилі:

= d h/( k) ,	(28.1)
де d – постійна дифракційних грат (0,01 м), h – зсув ліній
відповідного порядку (k) щодо центрального	максимуму [м], –
відстань від дифракційних грат до екрану [м].

28.3 Порядок виконання роботи

28.3.1Перевірити, щоб джерело світла, дифракційні грати й діафрагма з вузькою щілиною були розташовані на одному рівні (без світлофільтра).

28.3.2Направляючи світло через дифракційні грати, домогтися розташування бічних ліній дифракційної картини на рівних відстанях від щілини. Пояснити спостережувану дифракційну картину (без світлофільтра).

28.3.3Між джерелом світла й діафрагмою з вузькою щілиною помістити світлофільтр. Розглянути отриману дифракційну картину. Якщо кольорові лінії стосовно шкали нахилені, то штрихи дифракційних грат не вертикальні. Поворотом останньої на відповідний кут щодо горизонтальної осі усунути перекіс.

28.3.4Записати в таблицю 28.1 відстань, що фіксується по шкалі, спочатку перших ліній від щілини, потім наступних пар ліній,

76

позначаючи їх hn по одну сторону від щілини, і hn' – по іншу сторону від щілини.

28.3.5Виміряти по шкалі на оптичній лаві відстань від екрану до дифракційних грат і записати в таблицю 28.1.

28.3.6Аналогічні вимірювання зробити застосовуючи інші світлофільтри.

Таблиця 28.1

	№	Порядок	d, мм	Відстань (мм)				,	сер, м
				hn	h'n	hсер
	досліду	спектру К						м
			0,01

28.3.7 За середнім значенням для кожного порядку спектра знайти довжини хвиль по формулі (28.1), а також середнє значення довжини хвилі для кожного фільтру, і записати в таблицю 28.1.

28.3.8 Обчислити відносну й абсолютну погрішності (див. розділ 34 “Загальні відомості”) й представити остаточний результат для кожного фільтру [предварительно перевести единицу измерения длины волны в нанометри ( 1 м = 109 нм)] у вигляді:

= ( сер ) нм

77

29 Визначення постійної Стефана-Больцмана

29.1 Мета роботи

Засвоєння пірометричного методу дослідження теплового випромінювання

29.2 Схема й принцип дії установки

Електричне коло лампи Л, що служить випромінювачем, збирається за схемою (рисунок 29.1).

Температура розпеченої нитки визначається оптичним пірометром. Визначення температури зводиться до порівняння кольорів і інтенсивності випромінювання розпеченої нитки лампи з інтенсивністю й кольорами проградуйованого еталону – нитки лампочки пірометра. Схема пірометра дана на рисунку 29.2.

Оптичний пірометр складається із зорової труби 1 з об'єктивом 2 и окуляром 3, усередині якої, приблизно в головній фокальній площині об'єктива, поміщена лампа накалювання 5, що живиться від акумулятора Е. Послідовно з ниткою лампи включений гальванометр Г и реостат R, за допомогою якого регулюється розжарення нитки.

За допомогою об'єктива одержуємо зображення поверхні, температуру якої потрібно виміряти, у площині нитки лампочки. Окуляр служить для збільшення отриманого зображення.

Пірометр постачений світлофільтром 4 с довжиною хвилі = 0,65 мкм. Гальванометр пірометра має дві шкали: верхню й нижню.

Шкали проградуйовані на температуру, що відповідає випромінюванню абсолютно чорного тіла. Якщо випромінюване тіло не є чорним, то пірометр показує температуру такого чорного тіла, яскравість якого однакова з яскравістю даного тіла. Така температура називається температурою яскравості даного тіла. Якщо коефіцієнт ат

78

(ступінь чорноти тіла) близький до одиниці, то температури яскравості і дійсної тіла практично співпадають.

Для визначення щирої температури у випадку, коли ат значно відрізняється від одиниці, користуватися таблицею 29.1, у якій наведені температури, що відповідають температурам яскравості, які вимірюються оптичним пірометром для вольфраму. За даними таблиці побудувати графік і дійсну температуру визначати по цьому графіку.

Таблиця 29.1

(Температура в оС)

Температури, які вимірюються

800	900	1000	1100	1200	1300	1400	1600	1800
			Дійсні температури
850	960	1071	1183	1296	1410	1525	1758	1996

29.3 Порядок виконання роботи

29.3.1 Подати напругу на електричне коло і записати показання ваттметра.

79

29.3.2Переміщаючи об'єктив зорової труби, домогтися чіткого зображення нитки лампи–випромінювача 5.

29.3.3Підключити акумулятор, що живить лампу пірометра, і, переміщаючи окуляр зорової труби, домогтися чіткого зображення нитки лампи пірометра на тлі зображення нитки лампи випромінювача.

29.3.4Змінюючи яскравість нитки лампи поворотом кільця реостата, домогтися, щоб зникла середня ділянка (вершина дуги) нитки лампи пірометра на тлі зображення нитки лампи випромінювача.

29.3.5Записати температуру по шкалі пірометра. Користуючись таблицею, визначити дійсну температуру. Примітка: межа вимірювання вибирається поворотом голівки світлофільтра, що

послабляє. При вимірі температур до 1400 світлофільтр не вводити, при вимірюванні температур понад 1400 світлофільтр уводити й користуватися відповідної шкалою. Світлофільтр вважається уведеним коли збігається біла вказівна крапка на голівці світлофільтра з індексом «20» на корпусі.

29.3.6 Міняючи трансформатором напругу, що подається на лампу–випромінювач, визначити декілька температур її нитки накалювання при різній споживаній потужності.

Результати вимірюваннь і дані записувати в таблицю 29.2.

Таблиця 29.2

	№ досліду	Тобм, оС	Тд, К	S, м2	а т	N, Вт	σ
					0,43
	29.3.7 Визначити по формулі (29.1) постійну Стефана-
Больцмана.
			σ = N/(S а т T4) ,			(29.1)

де N – потужність розжарення лампи [Вт], S – площа зображення нитки випромінювача [м2], ат – ступінь чорноти матеріалу нитки розжарення (вольфрам), Т – температура нити [К].

29.3.8 Обчислити по формулі (29.2) довжини хвиль, на які

доводиться максимум спектральної щільності випромінювання.
= b/T,	(29.2)

де b = 2,9 10–3 м K – постійна Вина, Т – температура нити [К]. Результати обчислень записувати в таблицю 29.2.

80

29.3.9 Вивести формулу й розрахувати погрішність визначення постійної Стефана-Больцмана (див. розділ 34 “Загальні відомості”). Відповідь записати у вигляді:

σ = σсер σ