оптика

Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех» Кафедра физики

ОПТИКА

Лабораторный практикум по физике

Под редакцией И.К. Некрасова

Санкт-Петербург

2006

Составители: И.К. Некрасов, д-р. физ.-мат. наук, проф;

В.В.Лентовский, доц.; О.С. Алексеева, асс.

УДК 535 (076) О62

Оптика: лабораторный практикум по физике. Изд. О62 2-е, испр. и доп. / Сост.: И.К. Некрасов, В.В. Лентовский, О.С. Алексеева; Под ред. И.К. Некрасова; Балт. гос. техн.

ун-т.– СПб., 2006. – 100 с.

Настоящий практикум представляет собой сборник руководств к лабораторным работам по геометрической, волновой и квантовой оптике, проводимым в рамках общего курса физики. Составлен на основе исправленных и дополненных методических указаний, издававшихся в 1977 и 1988 гг.

Предназначен для студентов второго курса всех специальностей.

Р е ц е н з е н т кафедра физики твердого тела СПб ГТУ (зав. каф. д-р физ-мат. наук, проф. А.А.Липовский)

Утверждено редакционно-издательским

советом университета

© Составители, 2006 © БГТУ, 2006

2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛЯННОЙ ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ПЛАСТИНКИ ПРИ ПОМОЩИ МИКРОСКОПА

Цель работы – исследование принципа работы измерительного микроскопа; определение показателя преломления плоскопараллельной пластинки.

Краткие сведения из теории

Пусть требуется определить показатель преломления nст стеклянной пластинки ИП, толщина которой d (рис. 1.1). Воспользуемся для этой цели вспомогательной пластинкой ВП, на поверхности которой нанесены штрихи ш (сетка Горяева), две царапины ц1 и ц2, на нижней и верхней поверхности пластинки ИП (рис. 1.2), и микроскопом М, объектив которого Об.

М

в2 Об

ИП

Ц1 К

Рис. 1.1

Тубус микроскопа может перемещаться в вертикальном направлении, и значения этого перемещения могут отсчитываться. Из рис. 1.2 видно, что штрих ш сетки Горяева при наблюдении в микроскоп будет виден в положении ш', смещенном от плоскости

3

сетки Горяева на величину b1 вверх. При этом справедливы соот-

Μ′

Об

в1

ш'

i1

ш

ш +

Рис. 1.2

Для определения значения d, входящего в формулу (1.1), микроскоп фокусируют на царапину Ц1, нанесенную на нижнюю поверхность пластины ИП, а затем на царапину Ц2, нанесенную на верхнюю поверхность пластины ИП (см. рис. 1.1).

Из рис. 1.1 видно, что tgi2 = k , tgi2′ = k , d b2

4

где b2 – расстояние от верхней поверхности пластины ИП до ви-

димого положения царапины Ц1, нанесенной на нижнюю поверхность пластины.

В этой работе допустима замена отношений тангенсов углов отношениями синусов, что вызывает относительную погрешность результата, не превышающую 2%. Поэтому выражение (1.1) можно переписать

Значения b1 и b2 измеряются по вертикальной шкале микроскопа при его перемещениях для фокусировки на резкое видение штриха сетки Горяева и царапин, нанесенных на пластину ИП.

Порядок выполнения работы

1.Сфокусировать микроскоп на штрих вспомогательной пластинки ВП (сетку Горяева) при отсутствии исследуемой пла-

стинки ИП, сделать отсчет N1 вертикального положения микроскопа.

2.Ввести исследуемую пластинку ИП.

3.Сфокусировать микроскоп на штрих вспомогательной пластинки ВП в присутствии исследуемой пластинки; сделать

снова отсчет N1′ вертикального положения микроскопа, значение

5

b1 определить по разности отсчетов.

4.Сфокусировать микроскоп на нижнюю царапину исследуемой пластины ИП; сделать отсчет N2.

5.Сфокусировать микроскоп на верхнюю царапину, опять

сделать отсчет N2′ , разность отсчетов равна b2.

6.Вычислить по формуле (1.5) значение nст .

7.Полученные результаты занести в таблицу.

1

2

3

4

5

Среднее

значение

8.Опыт повторить пять раз.

9.Фокусировку следует делать при движении тубуса микроскопа в одном направлении – снизу вверх.

10.Обработать результаты измерений; определить абсолютную и относительную погрешности но разбросу полученных значений nст. Сопоставить относительную погрешность результата с

еезначением, обусловленным заменой отношения тангенсов отношением синусов (2%).

Контрольные вопросы

1.Закон преломления и физический смысл показателя преломления.

2.Нормальная и аномальная дисперсия вещества.

3.Групповая и фазовая скорость распространения света.

4.Ход лучей в микроскопе и его увеличение.

Лабораторная работа №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ ПО ДИФРАКЦИИ СВЕТА ОТ МАЛОГО КРУГЛОГО ОТВЕРСТИЯ

Цель работы – определение длины световой волны по методу Френеля.

6

Краткие сведения из теории

Явление дифракции света заключается в перераспределении его в пространстве вследствие ограничений на пути его распространения.

Объяснение явления дифракции света может быть дано с помощью принципа Гюйгенса – Френеля. Согласно этому принципу, для нахождения состояния возмущения в произвольной точке поля, расположенной перед фронтом волны на некотором расстоянии от него, необходимо все точки фронта волны рассматривать как когерентные точечные излучатели и просуммировать в исследуемой точке поля возмущения, пришедшие от них с учетом различия по фазе.

Пусть на пути распространения сферической волны от точечного источника О, на расстоянии а от него помещен экран S с круглым отверстием, ограничивающим фронт сферической волны. Радиус этого отверстия r (рис. 2.1).

Рис. 2.1

В точке О', которая может располагаться на разных расстояниях b от экрана S, имеет место центр дифракционной картины, состоящей из ряда чередующихся концентрических светлых и темных колец (в белом свете картина раскрашена).

Расчет распределения интенсивности в этой дифракционной картине может быть осуществлен с помощью принципа Гюйгенса

– Френеля. Как известно, радиус rk внешней окружности, ограничивающей кольцевую зону Френеля номера k, равен:

rk = kaba + λb ,k = 1,2,3...

7

Здесь λ – длина световой волны.

Если на отверстии укладывается целое число р зон Френеля, то радиус rр последней окружности равен радиусу отверстия r. Соответственно,

Отсюда число р зон Френеля, укладывающихся на отверстии,

В центре О' дифракционной картины интенсивность максимальна, когда на отверстии в экране S укладывается нечетное чис-

Когда же на этом отверстии укладывается четное число зон Френеля, то интенсивность минимальна при

Если при заданных r и k перемещать экран S с отверстием вдоль оси ОО', то будут одновременно изменяться а и b. В точке О' будут чередоваться максимальные и минимальные значения интенсивности, соответствующие ряду положений экрана S. Зададимся положением (1) экрана S, которому соответствуют значения а = а1 и b = b1 и при котором число зон Френеля, укладывающихся

Переместим экран S из положения (1) в некоторое положение (2), при котором на отверстии укладывается также целое число зон Френеля. Пусть положению (2) экрана S соответствуют значения а = а2 и b = b2. При переходе от максимума к соседнему минимуму (или наоборот) р изменяется на единицу.

Если при перемещении из положения (1) в положение (2) имеет место n таких переходов, то новое число зон Френеля

8

Описание установки и порядок выполнения работы

Установка смонтирована на оптической скамье, причем все составные части помещены па рейтерах с указателями, фиксирующими их положение по шкале. Свет от источника L (рис. 2.2) с помощью конденсора К фокусируется на отверстие О в экране.

Это освещенное отверстие служит точечным источником света. С помощью светофильтра Ф можно выделить свет в узкой области спектра. Экран S с круглым отверстием радиуса r помещен на пути света, распространяющегося от источника, и в пространстве за этим экраном можно наблюдать дифракцию от круглого отверстия.

Дифракционную картину наблюдают в первой фокальной плоскости окуляра Ок, которая задается с помощью сетки или креста нитей. Для этого предварительно надо сделать следующее: выдвинуть глазную линзу окуляра и, смотря одним глазом в окуляр, а другим — вдаль, вдвигать глазную линзу до тех пор, пока появится впервые резкое изображение сетки или креста нитей.

9