Lab_Optic

Чернігівський національний педагогічний університет імені Т. Г. Шевченка

Кобзар О. О.

ОПТИКА

Лабораторний практикум

Методичний посібник для студентів природничих та технічних спеціальностей

Чернігів

2011

УДК 378.147.091.33-027.22:535 (076)

ББК В34 р30

К55

Кобзар О. О., Оптика. Лабораторний практикум. [Текст] : метод. посіб. для студ. природн. та техн. спец. / О. О. Кобзар. – Чернігів: ЧНПУ, 2011. – 104 с.

У посібнику описано методику виконання лабораторних робіт з оптики на базі фізичної лабораторії Чернігівського національного педагогічного університету імені Т. Г. Шевченка. Подано загальні рекомендації щодо підготовки до роботи, проведення експериментальних вимірювань, обробки й оформлення результатів та захисту лабораторних робіт. Посібник також містить детальні інструкції до лабораторних робіт.

Методичний посібник рекомендовано студентам природничих та технічних спеціальностей.

Рецензенти:

М. М. Дідович, кандидат педагогічних наук, доцент, доцент кафедри педагогіки, психології та методики навчання фізики і математики Чернігівського національного педагогічного університету імені Т. Г. Шевченка.

О. В. Рогоза, кандидат фізико-математичних наук, доцент, декан механіко-технологічного факультету Чернігівського державного технологічного університету.

Рекомендовано до друку Вченою радою фізико-математичного факультету Чернігівського національного педагогічного університету імені Т. Г. Шевченка (Протокол № 4 від 29 листопада 2011 р.)

2

	ЗМІСТ
Вступ		5
Загальні рекомендації щодо виконання лабораторних робіт		6
	Перелік лабораторних робіт:
Робота № 1	Визначення характеристик тонких лінз	9
Робота № 2	Дослідження сферичних дзеркал	16
Робота № 3	Вивчення сферичної та хроматичної аберацій	22
Робота № 4	I. Визначення показника заломлення скла
	за допомогою мікроскопа	25
	II. Визначення показника заломлення рідини
	за допомогою рефрактометра Аббе	29
Робота № 5	Моделювання оптичних приладів
	та визначення їх збільшення	33
Робота № 6	Дослідження інтерференції в тонких плівках
	та визначення показника заломлення скла	41
Робота № 7	Визначення радіусу кривизни лінзи
	за допомогою кілець ньютона	46
Робота № 8	Визначення довжини хвилі світла
	за допомогою біпризми Френеля	51
Робота № 9	Вивчення дифракції світла на окремій щілині	56
Робота № 10	Вивчення дифракційної ґратки
	та визначення довжини світлової хвилі
	лазерного випромінювання	61
Робота № 11	Вивчення поляризації світла
	за допомогою поляризаційного набору	67
Робота № 12	Одержання та дослідження
	поляризованого світла	72
Робота № 13	Вимірювання кута обертання
	площини поляризації та визначення
	концентрації розчинів	77
Робота № 14	Визначення сили світла лампочки розжарення
	за допомогою фотометра та люксметра
	та дослідження її світлового поля	81

3

Робота № 15 Вивчення будови та принципу дії
	кварцового спектрографа ІСП-28,
	визначення його лінійної дисперсії		87
		Додатки:
Додаток А	Елементи теорії похибок		94
	1.	Класифікація похибок вимірювання	94
	2.	Оцінка дійсного значення
		та випадкової похибки	95
	3.	Оцінка інструментальної похибки	96
	4.	Оцінка похибок непрямих вимірювань	97
	5.	Приклад розрахунку
		середнього значення та похибок	99
Додаток Б	Методика юстування оптичних приладів		101
	1.	Центрування лінз	101
	2.	Юстування коліматора	102
	3.	Вимірювання фокусних віддалей лінз	102
Література			103

4

ВСТУП

Експеримент заклав підвалини багатьох сучасних уявлень про фізичну картину світу. Практика і, отже, дослід є відправною точкою, метою та критерієм істинності будь-якої дійсно наукової теорії.

Лабораторна робота – це одна з найважливіших ланок у процесі вивчення фізики. Під час лабораторних занять з фізики формуються навички експериментальної роботи, вміння користуватись приладами, обробляти результати вимірювань, самостійно аналізувати отримані дослідні дані та робити з них висновки. Таким чином, виконання лабораторних робіт сприяє поглибленню знань з фізики, набуттю нових знань, ознайомленню з сучасною експериментальною технікою, розвитку логічного мислення. В деяких випадках наукове трактування поняття стає можливим лише після безпосереднього ознайомлення з явищами, що вимагає самостійного відтворення дослідів, у тому числі й під час виконання лабораторних робіт.

Посібник «Оптика. Лабораторний практикум» розраховано на студентів природничих та технічних спеціальностей, де передбачено вивчення курсу загальної фізики. До посібника включено детальні інструкції 15-и лабораторних робіт загальним обсягом 38 академічних годин. В цих роботах представлено практично всі основні розділи оптики з дотриманням пропорційності щодо їх вивчення в теоретичному курсі загальної фізики. Залежно від спеціальності, посібник може бути використано як у повному, так і в скороченому варіанті відповідно до кількості годин, відведених на вивчення фізики. Варіювання обсягу робіт можливе як за рахунок їх кількості, так і за рахунок кількості завдань, які необхідно виконати в кожній роботі.

Для зручності в користуванні посібником всі лабораторні роботи умовно поділено на три змістові модулі:

геометрична оптика (роботи №№ 1 – 5);

хвильова оптика (роботи №№ 6 – 10);

поляризація світла, фотометрія та спектроскопія (роботи №№ 11 – 15). Деякі лабораторні роботи (№№ 1, 2, 5, 12) для виконання їх у повному обсязі потребують двох занять. Тому при необхідності їх виконання протягом одного заняття кількість завдань у цих роботах має бути скороченою.

5

ЗАГАЛЬНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Особливістю лабораторного практикуму є те, що його тематика охоплює практично всі базові розділи оптики. Тому для виконання частини робіт потрібні знання теоретичного матеріалу, який ще не викладався в рамках лекційного курсу, а отже потребує самостійної підготовки. Цю особливість було максимально враховано при складанні інструкцій.

Типова інструкція до лабораторної роботи має наступну структуру.

На початку інструкції зазначено назву та сформульовано мету роботи, подано перелік необхідних приладів та матеріалів.

Теоретичні відомості в інструкціях подано в скороченому обсязі, достатньому лише для підготовки до роботи та її виконання. Для успішного захисту роботи необхідно додатково опрацювати теоретичний матеріал за літературними джерелами, орієнтовний перелік яких наведено в кінці цього посібника.

Завдання роботи є переліком тих основних результатів, які необхідно отримати в ході її виконання.

Хід роботи містить безпосередні інструкції щодо всіх дій, які необхідні для виконання поставлених завдань. Тут же наведено схему звітної таблиці, в яку заносяться числові дані вимірювань та розрахунків.

Контрольні запитання в кінці інструкції мають орієнтовний характер і не вичерпують ті питання, які можуть бути задані викладачем під час захисту роботи. Їх призначення – зорієнтувати студента у виборі теоретичного матеріалу при підготовці до захисту роботи.

Під час проходження лабораторного практикуму студент має вести одночасно два зошити: чистовик і чернетку. Обидва ці зошити є робочими документами, тому їх слід належним чином оформити. Процес виконання лабораторної роботи відбувається в п’ять етапів.

1.Підготовка до лабораторної роботи відбувається заздалегідь до проведення заняття і починається з вивчення інструкції та її конспектування

вчистовий зошит. При цьому слід відобразити основні моменти теорії, включаючи всі наведені формули та малюнки, а хід роботи має давати вичерпне уявлення про всі необхідні дії. Також слід накреслити робочу таблицю, залишивши місце для її заповнення та запису обчислень (як правило, пів-сторінки). В чернетці потрібно лише записати назву роботи та накреслити таблицю.

Якщо в інструкції до роботи не приведено схему таблиці, її слід скласти самостійно. Для цього в заголовок таблиці включаються всі

6

величини, які входять в робочу формулу – як вимірювані, так і ті, котрі необхідно розрахувати, а також похибки.

Але підготовка не вичерпується самим лише вивченням інструкції – в більшості випадків вона потребує також безпосереднього ознайомлення з робочим обладнанням, тому готуватись до лабораторної роботи доцільно в лабораторії. Показником якісної підготовки до роботи є здатність самостійно оперувати приладами та проводити всі необхідні вимірювання без допомоги викладача чи лаборанта.

Не варто недооцінювати значення підготовки, оскільки від неї залежить якість усього процесу виконання лабораторної роботи (легкість оперування приладами, затрати часу на вимірювання та обробку даних, достовірність отриманих результатів тощо) і, відповідно, оцінка роботи.

2.Експериментальні вимірювання виконуються безпосередньо під час проведення заняття в лабораторії. Всі вимірювання потрібно проводити з якомога вищою точністю (оптимально – три або чотири значущі цифри). Результати вимірювань записуються до таблиці тільки в чернетку. При цьому всі фізичні величини записуються із зазначенням одиниць виміру, але представляти їх в системі СІ на даному етапі не обов’язково, якщо це створить незручності. Використовувати систему СІ необхідно лише при виконанні розрахунків (див. п. 3).

За необхідності вимірювання повторюються декілька разів, і їх результат розраховується як середнє арифметичне від результатів усіх вимірювань. Слід зазначити, що усереднення можна робити, лише якщо умови вимірювань не змінювались. Наприклад, тричі вимірявши кут повороту площини поляризації світла в одному розчині певної концентрації, можна розрахувати його середнє значення. Але таке усереднення неприпустиме в принципі, якщо вимірювання проводяться на розчинах різних концентрацій.

Записані в чернетці результатами вимірювань обов’язково мають бути перевірені викладачем, після чого робиться відповідна відмітка.

3.Обробка результатів вимірювань проводиться, як правило, під час заняття після того, як було виконано всі необхідні вимірювання. Але як виключення допускається виконання обчислень і в поза-аудиторний час. Всі проміжні обчислення потрібно виконувати в чернетці. Тут же обчислюються середні значення шуканих величин та похибки, заповнюється таблиця, будуються графіки тощо.

Зрозуміло, що всі обчислені значення фізичних величин містять похибку. Тому їх потрібно округлювати з урахуванням цієї похибки (як випадкової, так і систематичної). Тут доцільно дотримуватись наступного

7

принципу: числове значення шуканої величини записують до того розряду (включно), який відповідає порядку її абсолютної похибки. При цьому, звичайно, також слід пам’ятати, що точність обчисленої величини в принципі не може бути кращою за точність вихідних даних. Більш детально методику розрахунку похибок вимірювань на конкретному прикладі розглянуто в параграфі 5 додатку А (ст. 99).

Важливо: При виконанні обчислень всі фізичні величини необхідно виражати в системі СІ. Проте кінцеві результати можна подавати в іншій системі одиниць, найбільш зручній для представлення. При цьому на всіх етапах слід уникати форми запису чисел на зразок «0,0000362» або «23068,2915». Такі числа потрібно записувати «3,62 10–5» або «2,307 104».

4.Оформлення звіту. Після виконання всіх розрахунків отримані кінцеві результати переносять до чистового зошиту: заповнюють таблицю, записують обчислені середні значення шуканих величин та їх похибки, креслять графіки тощо. Також доцільно повністю привести розрахунок шуканої величини для одного випадку.

В кінці лабораторної роботи обов’язково записуються висновки, в яких мають бути стисло відображені основні результати роботи. Наприклад, при перевірці фізичного закону потрібно вказати на його виконуваність; при визначенні тих чи інших кількісних характеристик потрібно привести їх значення (з урахуванням похибок), а якщо є можливість – порівняти з табличними даними. В разі виникнення розбіжностей, таких як невиконання фізичного закону або значна відмінність кількісних характеристик від табличних значень, ці розбіжності потрібно пояснити (звичайно, якщо вони мають об’єктивні причини, а не зумовлені помилкою виконавця роботи).

5.Захист роботи відбувається на одному з занять, наступних за її виконанням. До захисту допускаються лише ті роботи, які виконані в повному обсязі – згідно з інструкцією або вказівкою викладача – та оформлені належним чином (див. п. 4). В ряді випадків для захисту необхідно мати також чернетку з відміткою викладача (або лаборанта) про виконання роботи.

Під час захисту роботи викладач може поставити ряд запитань з теорії, які по суті близькі до переліку контрольних питань але не вичерпуються цим переліком. В будь-якому випадку для успішного захисту лабораторної роботи студент має знати: доцільність усіх своїх дій під час її виконання; принцип роботи лабораторної установки; суть фізичних явищ, які мають місце в досліджуваних процесах; формулювання фізичних законів, які описують дані явища; означення відповідних фізичних величин.

8

Лабораторна робота № 1 (4 год.)

ВИЗНАЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ ЛІНЗ

Мета роботи:

Вивчити тонкі лінзи, ознайомитися з деякими способами визначення фокусних віддалей збиральних та розсіювальних лінз.

Прилади та матеріали:

Довга оптична лава.

Збиральна та розсіювальна лінзи на пересувних тримачах.

Екран з міліметровими поділками.

Освітлювач з електричною лампочкою і шкалою на матовому склі.

Блок живлення електричної лампочки освітлювача (первинна напруга 220 В, вторинна регулюється від 0 до 6 В).

Теоретична частина

Лінзою в оптиці називається прозоре тіло, обмежене двома сферичними поверхнями.

Пряма, яка проходить через центри сферичних поверхонь лінзи називається головною оптичною віссю.

Віддаль між вершинами сферичних поверхонь лінзи є її товщиною. Лінзи, товщина яких мала порівняно з радіусами кривизни сферичних поверхонь, називаються тонкими лінзами.

У кожної лінзи є оптичний центр, який лежить на її головній оптичній осі між вершинами сферичних поверхонь. Промінь, який проходить через оптичний центр тонкої лінзи, не змінює напряму свого поширення.

Промені, які падають на лінзу паралельно до головної оптичної осі, після заломлення у збиральній лінзі перетинаються в точці, яка лежить на цій осі і називається головним фокусом лінзи (рис. 1.1). Якщо ж лінза розсіювальна, то заломлені промені розходяться, але їх продовження в зворотний бік перетинаються в точці, яка також лежить на головній оптичній осі і називається уявним фокусом (рис. 1.2).

Відстань від фокуса лінзи до її оптичного центру називається фокусною віддаллю (f).

Величина, обернена до фокусної віддалі, називається оптичною силою лінзи (D). Одиницею вимірювання оптичної сили лінзи є «діоптрія». Оптичну силу в 1 діоптрію має лінза, фокусна віддаль якої дорівнює 1 м.

9

Рис. 1.1. Заломлення променів у	Рис. 1.2. Заломлення променів у
збиральній лінзі.	розсіювальній лінзі.

Оптична сила тонкої лінзи може бути розрахована за формулою

	1	n 1		1		1
D								,	(1.1)
	f			r		r
				1		2

де n – показник заломлення матеріалу лінзи відносно зовнішнього середовища, r1 і r2 – радіуси кривизни її сферичних поверхонь.

Віддаль від оптичного центру лінзи до предмета (a) і до зображення предмета (b) пов’язані з фокусною віддаллю наступним чином:

	1		1
	a		b

1 f

.

(1.2)

Важливою характеристикою об’єктива є світлосила, від якої залежить освітленість зображення предмета. Світлосила дорівнює квадрату відношенню діаметра об’єктива до його фокусної віддалі:

B d

f

2

.

(1.3)

Завдання роботи

1.Визначити головну фокусну віддаль та оптичну силу збиральної лінзи.

2.Визначити головну фокусну віддаль та оптичну силу розсіювальної лінзи.

3.Визначити світлосили лінзи.

4.Побудувати зображення предмету для різних випадків його розташування відносно збиральної та розсіювальної лінз.

10