- •Министерство образования и науки рф
- •Лабораторная работа №1. Изучение светового поля источников
- •Лабораторная работа №2.
- •Экспериментальная установка
- •Литература
- •Лабораторная работа №4 Определение фокусных расстояний линз
- •Работа 4а Определение фокусных расстояний тонких положительных линз.
- •Работа 4б
- •Задание
- •Вопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №5 Увеличение оптических приборов
- •Лабораторная работа 6 определение показателя преломления рефрактометром
- •. (2) Преломляющий угол призмы
- •Учитывая (1), (2), (3), найдем:
- •Лабораторная работа №7 Дисперсия призмы
- •Лабораторная работа №8 Изучение вращения плоскости поляризации раствором сахара в воде
- •Лабораторная работа №9 Определение постоянной Стефана-Больцмана
- •Закон Кирхгофа
- •Закон Стефана-Больцмана
- •Закон смещения Вина
- •Формула Планка
- •Экспериментальная установка
- •3Адания
- •Bопросы
- •Литература
- •Лабораторная работа №10 Определение характеристик фотоэлементов
- •Задания
- •Вопросы
- •Литература
Министерство образования и науки рф
Московский государственный областной университет
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ОПТИКА
Кафедра Общая физика
Москва
2008
Васильчикова Е. Н., Кошкин Н. И. Лабораторный практикум. Оптика. – М., МГОУ, 2008, -….с.
Данное пособие составлено в соответствии с действующей программой по физике и предназначено для студентов физико – математического факультета МГОУ.
Пособие содержит описание лабораторного практикума, включая краткую теорию, методические указания по выполнению лабораторных работ, описание экспериментальных установок, контрольные вопросы к защите.
Составитель: Васильчикова Е. Н., канд. физ. – мат. наук
Кошкин Н. И., д-р физ. – мат. наук, проф.
Ответственный за выпуск: Богданов Д. Л., д-р физ. – мат. наук, проф.
Лабораторная работа №1. Изучение светового поля источников
Краткая теория. Оптическое излучение (свет) - электромагнитное излучение с длинами волн от 0,01 нм до 1 см. Излучение с длинами волн от 400 до 800 нм называется видимым. Плотность потока электромагнитных волн определяется вектором Пойнтинга:
Энергия, переносимая электромагнитными волнами за время 1 с через произвольную поверхность, называется энергетическим потоком. Поток энергии, который оценивается по зрительному действию на глаз человека, называется световым потоком. Глаз имеет неодинаковую чувствительность к излучению с различными длинами волн; нормальный глаз человека имеет наибольшую чувствительность при дневном зрении к излучению с длиной волны 555 нм (частотой 540∙1012 Гц).
|
Отношение энергетического потока с длиной волны 555 нм к энергетическому потоку с длиной волны λ, который эквивалентен по зрительному воздействию первому потоку, называется относительной |
Рис. 1 |
видностью Кλ. Графически зависимость Кλ от λ представлена на рис.1 . (кривая видности);штриховая линия относится к сумеречному зрению.
Фотометрические величины и их единицы.
Энергетический поток - энергия, переносимая волной за время 1 с; единица - ватт, Вт.
Энергетическая освещенность - отношение энергетического потока ΔФЭ к площади облучаемой им поверхности ΔQ:
единица - ватт на квадратный метр, Вт/м2.
Энергетическая сила света - отношение энергетического потока ΔФЭ к
телесному углу ΔΩ, в котором распределено это излучение:
;
единица – ватт на стерадиан, Вт/ср.
Энергетическая светимость – отношение энергетического потока ΔФэ к площади излучающей поверхности источника ΔQИ:
;
единица – Вт/м2.
Энергетическая яркость - отношение энергетической силы света ΔIЭ, к площади проекции ΔQП излучающей поверхности источника на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:
единица - Вт/(м2 ср).
Световой поток - энергия, оцениваемая по зрительному воздействию на глаз человека; единица - люмен, лм (1 лм равен световому потоку монохроматического излучения с длиной волны 555 нм, энергетический поток которого равен 1/683 Вт).
Освещенность - отношение светового потока ΔФ к площади ΔΩ облучаемой им поверхности:
единица - люкс, лк.
Сила света - отношение светового потока ΔФ к телесному углу ΔΩ:
Единица – кандела, кд (одна из основных единиц в СИ). Кандела равна силе света в заданном направлении от источника излучения частотой 540∙1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Светимость – отношение светового потока ΔФ к площади излучаемой поверхности ΔQИ источника:
;
Единица лм/м2.
Яркость – отношение силы света ΔI к площади проекции ΔQП поверхности источника на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения:
;
Единица – кд/м2.
Освещенность ЕТ, создаваемая точечным источником, рассчитывается по формуле:
,
где I – сила света, r – расстояние между источником и облучаемой им поверхностью, φ – угол между нормалью к поверхности и направлением распространения волн.
Экспериментальная установка. Фотометрия занимается измерением световых и энергетических потоков; с этой целью используются приборы, которые называются фотометрами.
Наиболее распространенные методы можно разделить на три группы: визуальные, фотографические, фотоэлектрические. При использовании визуальных методов регистрирующим прибором является глаз, в фотографических методах - фотопластинки, фотопленки, в фотоэлектрических - фотоэлементы, гальванометры, осциллографы, электронные потенциометры с автоматической записью и т.д. В данной работе используется визуальный метод. Фотоэлектрический метод используется в работе № 10.
|
|
рис. 2 |
рис. 3 |
В большинстве случаев при визуальном способе сравниваются между собой освещенности (или яркости) двух поверхностей или их изображений. Оптическая система должна иметь два окна для входа волн от сравниваемых источников и светоделительное устройство. В качестве светоделительного устройства используется фотометрический кубик (кубик Луммера-Бродхуна) или бипризма (бипризма Френеля). Фотометрический кубик состоит из двух прямоугольных стеклянных призм, которые склеиваются по диагональным граням. Диагональная грань одной призмы ошлифовывается таким образом, чтобы в месте склеивания получился оптический контакт в виде круга. На рис.2 показан ход лучей через фотометрический кубик. Свет, падающий на горизонтальную грань кубика, разделяется на две части: лучи 1,1 в центре кубика проходят без отклонения, лучи 2,2 полностью отражаются от внешней части поверхности призмы. Свет, падающий на вертикальную грань от другого источника, также разделяется на две части: лучи 3,3 проходят без отклонения, лучи 4,4 полностью отражаются от сошлифованной части призмы. Таким образом, в направлении наблюдения будут распространяться волны от различных источников (2,2 и 3,3).
Поверхность грани ВС будет иметь различную освещенность - круг и кольцо (рис.2а). Фотометрический кубик может быть изготовлен следующим образом; две прямоугольные призмы пришлифовываются по плоскостям, которые лежат напротив прямого двугранного угла, до оптического контакта. Затем на одной грани вытравливаются углубления, показанные на рис.2б штриховкой. В таких кубиках поле зрения при неодинаковой освещенности будет иметь вид, указанный на рис.2б.
Схематическое устройство фотометра с фотометрическим кубиком представлено на рис.З. Фотометр смонтирован в кожухе, который может поворачиваться на 180° вокруг оси MN. Свет от точечных источников S1 и S2 падает на гипсовую или меловую пластинку L. Коэффициент рассеяния с обеих сторон пластинки должен быть одинаковым. Рассеянный свет падает на два симметрично расположенные зеркала Z1 и Z2 и далее на грани фотометрического кубика. Наблюдение ведется через трубу Т. При измерениях источники света S1 и S2 устанавливаются на оптической скамье. Вся система центрируется.
При центрировании системы вынимается из гнезда гипсовая пластинка L и устанавливается один из сравниваемых источников света таким образом, чтобы перекрестия на стеклах окон К (рис. З) проектировались на центр источника; таким же способом производится установка и второго источника. Измерения проводятся в следующем порядке. Перемещением фотометра относительно источников добиваются одинаковой освещенности граней кубика, о чем судят по исчезновению границы раздела в поле зрения трубы. Измеряются расстояния от фотометра до источников света. Сила света рассчитывается из соотношения:
,
где I1 и I2 - силы света точечных источников, r1 и r2 - расстояния от источников до фотометра. Сила света одного из источников должна быть известна. Если при определении силы света r1 или r2 становится сравнимым с размерами источника, необходимо использовать ослабитель. Для этой цели может быть применена сетка или вращающийся диск с вырезанным сектором. Ослабитель размещается на оптической скамье между фотометром и источником с большей силой света; световой поток от этого источника, падающий в окно фотометра, будет ослаблен. Коэффициент ослабления (Ф0С - поток, проходящий через ослабитель света, Ф - падающий на него поток). Экспериментально определяется какотношение силы света от данного источника с ослаблением и без него.
Задания.
1. Определить силу света лампочки накаливания.
2. Определить коэффициент пропускания ослабителя.
3. Снять индикатрису лампочки накаливания. Для этой цели измеряется сила света лампочки в различных направлениях и строится полярная диаграмма зависимости силы света от направления (эта кривая называется индикатрисой источника света). Углы поворота лампочки отсчитываются по лимбу.
4. Определить индикатрису источника с матовой полусферической поверхностью. Сравнить полученную индикатрису с теоретическим выражением.
5. Рассчитать погрешность измерений во всех случаях.
Вопросы.
1. Назовите основные фотометрические величины и их единицы. Примеры.
2. Что такое кривая видности? Её назначение?
3. Как устроен фотометр? Начертить ход лучей в нем.
4. Каким образом производится настройка фотометра?
5. От каких факторов зависит погрешность измерений?
6. Каким образом экспериментально определяется равенство световых потоков с различными длинами волн?
7. Что такое энергетический поток? Как производится измерение энергетических потоков?
8. Каким образом можно рассчитать коэффициент ослабления вращающегося диска с вырезанным сектором?
Литература.
1.И.В.Савельев. Курс общей физики. 1978. §§110, 113, 114.
2. Г. С. Ландсберг. Оптика. 1976. §§7 - 10.
3. А. Н. Матвеев. Оптика. 1985. §7.
4. Р. В. Поль. Оптика и атомная физика. 1966. с. 518.