laby_2_semestr_fizika
.pdf151
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
5 |
|
|
12 |
4 |
|
3 |
13 |
|
|
2 |
|
|
14 |
1
Рис. 9.39
Зрительная труба 7 крепится к алидаде* 2, которая может вращаться вокруг вертикальной оси прибора грубо от руки или с помощью микрометрического винта 14 при зажатом зажимном винте 1. Изображение участка спектра совмещается с перекрестием нитей окуляра 5 зрительной трубы 7, винт 6 наводки на резкость служит для получения четкого изображения линий спектра в окуляре 5.
|
визир |
|
|
289 |
290 |
|
40 |
|
|
||
|
|
3 |
50 |
|
|
|
0 |
0II |
60I |
3 |
10 |
Левое окно |
|
Правое окно |
|
|
Рис. 9.40 |
|
|
Угломерное устройство, расположенное внутри корпуса гониометра, состоит из стеклянного лимба и оптического микрометра. Изображение участка лимба, против которого находится зрительная
* Алидада (араб.) – вращающаяся линейка, служит для отсчета углов.
152
труба 7, с помощью оптической системы передается в окуляр 4 отсчетного устройства (левое окно), как показано на рис.9.40.
Одновременно в этом окуляре наблюдается изображение диаметрально противоположного участка лимба, которое видно внизу перевернутым. На лимбе нанесены цифры через 1(289 , 290и 109 , 110 ). Цена одного деления лимба 20 .
Для снятия отсчета маховик–регулятор 3 (рис.9.39) на алидаде 2 осторожно вращают, наблюдая левое окно в окуляре 4 отсчетного устройства, до совмещения верхних и нижних штрихов (пунктир на рис.9.40).
Значение угла отсчитывается следующим образом:
число градусов будет равно ближайшей верхней цифре слева от визира (289 на рис.9.40);
число десятков минут равно числу делений между риской, соответствующей измеренному числу градусов (289 ) на верхней шкале и риской на нижней перевернутой шкале, значение которой отличается от верхней на 180(109 ). На рис.9.40 таких делений три, следовательно отсчет – 30 ;
число единиц минут отсчитывается по шкале микрометра (правое окно) по левому столбцу чисел (3на рис.9.40);
секунды отчитываются по шкале микрометра – правый столбец цифр от 0 до 60. На рис.9.40 это значение равно 55.
Следовательно рис.9.40 соответствует отсчету 289 3355.
Порядок выполнения работы
1.Установить дифракционную решетку 8 (рис.9.39) на столике 9 гониометра перпендикулярно оси коллиматора 10.
2.Установить ртутную лампу 12 окном к щели 13 коллиматора. Включить ртутную лампу в сеть (220В).
3.Подключить гониометр к сети (220В) и включить на его корпусе тумблер «вкл.».
4.Установить зрительную трубу 7 соосно с коллиматором 10, наблюдая в окуляре 5 белую нулевую линию (изображение щели коллиматора). При необходимости: винтом 6 наводки на резкость добиться четкого видения изображения щели в окуляре; винтом 11 регулировки ширины щели установить ее наблюдаемую в окуляре
ширину ~1мм.
5. Навести зрительную трубу на первую спектральную линию слева от нулевой. Совместить эту спектральную линию с перекрестием нитей в окуляре 5. Для этого вращать зрительную трубу 7 сначала от руки при отпущенном зажимном винте 1, затем, фиксируя винт 1, использовать винт 14 точного вращения.
153
6. По описанной выше методике через окуляр 4 отсчетного устройства произвести отсчет угла 1 для данной спектральной линии. Результат занести в табл.9.11.
|
|
|
|
Таблица 9.11 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отсчет |
Отсчет |
|
|
|
|
k |
Цвет |
слева |
справа |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
линии |
1 |
2 |
|
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Синий |
|
|
|
|
|
|
1 |
Зеленый |
|
|
|
|
|
|
|
Желтый 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Желтый 2 |
|
|
|
|
|
|
|
Синий |
|
|
|
|
|
|
2 |
Зеленый |
|
|
|
|
|
|
|
Желтый 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Желтый 2 |
|
|
|
|
|
|
|
Синий |
|
|
|
|
|
|
3 |
Зеленый |
|
|
|
|
|
|
|
Желтый 1 |
|
|
|
|
|
|
|
Желтый 2 |
|
|
|
|
|
|
7. Навести зрительную трубу на каждую спектральную линию слева от нулевой линии для спектров первых трех порядков (k = 1, 2, 3). Произвести отсчет углов 1 и результаты измерений записать в табл.9.11.
8.Повторить измерения по п.7 для трех порядков спектров справа от нулевой линии, измеряя 2.
9.Определить среднее
значение углов |
дифракции |
для |
зрительная |
дифракционная |
|||
каждой линии. |
Согласно схеме |
труба |
|||||
решетка |
|||||||
измерений, |
показанной |
на |
|
||||
|
|
||||||
рис.9.41, среднее значение углов |
|
коллиматор |
|||||
дифракции |
|
для |
каждой |
|
|
||
спектральной линии может быть |
1 |
|
|||||
определено по формуле |
|
|
|
||||
|
|
|
2 |
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
1 |
2 . |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
10. Подсчитать |
значения |
|
Рис. 9.41 |
||||
|
|
sin и по формуле (9.79) определить длины волн . Период решетки
154
(а + b) рассчитать по известному числу штрихов n на единицу длины решетки:
ab n1 .
11.Найти – средние значения длин волн соответствующих цветов:
синий
зеленый
желтый1
желтый 2
=
= (9.82)
=
=
12. Взяв измеренные длины волн и значения для двух линий желтого цвета одного порядка по формуле (9.80) определить экспериментальное значение угловой дисперсии
|
D |
|
|
|
|
|
|
ж2 |
ж1 |
. |
|
|
|
(9.83) |
|||
|
эксп. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
ж2 |
ж1 |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Результаты расчетов занести в табл.9.12. |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 9.12 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
k |
D эксп. |
|
D теор. |
|
|
|
Lосв. |
|
N |
|
R |
||||||
|
рад/м |
|
рад/м |
|
|
|
м |
|
– |
|
– |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13. Сравнить полученный результат с расчетом по формуле (9.19): |
|||||||||||||||||
|
D |
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
(9.84) |
|||
|
теор. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
a b |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
14. Измерить линейкой |
освещенную |
ширину решетки |
Lосв. и |
||||||||||||||
определить число освещенных штрихов |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
N |
|
Lосв. |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
(9.85) |
||||
|
|
a |
b |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15. По формуле (9.81) оценить разрешающую способность R решетки. Результат записать в табл.9.12.
16. Отключить гониометр и лампу от сети.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 114
Изучение дифракционного спектра и определение длины световой волны
Цель работы: определение длин волн спектра; расчет угловой дисперсии и разрешающей способности дифракционной решетки.
155
Методика измерений
Выражение для главных максимумов на дифракционной решетке
(9.14)
(a b)sin |
k ; k 0, 1, 2, ... |
дает возможность по известному периоду дифракционной решетки (а + b)
и экспериментально измеренному углу |
|
вычислить длину волны |
|
|
(a b)sin |
. |
(9.86) |
|
|
||
|
k |
||
|
|
|
По измеренным длинам волн для двух линий одного порядка k можно экспериментально определить значение угловой дисперсии в соответствии с формулой (9.17)
D |
|
, |
(9.87) |
|
где – разность длин волн линий, – разность соответствующих этим линиям углов.
Также, зная число освещенных штрихов N, можно по формуле (9.16) экспериментально оценить разрешающую способность R решетки
R kN . |
(9.88) |
Экспериментальная установка
Для изучения спектра и точного определения углов отклонения спектральных линий применяются спектрометры (рис.9.42).
4 |
|
|
5 |
6 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3
2
1
Рис. 9.42
156
Спектрометр состоит из штатива 1, на котором закреплены: горизонтальное кольцо 3, снабженное лимбом, и столик 5 для установки дифракционной решетки. Над столиком расположена горизонтальная зрительная труба 4, вращающаяся вокруг вертикальной оси, проходящей через центр столика.
На одном уровне с трубой имеется неподвижный коллиматор 6 с линзами и узкой щелью, обращенной к источнику света. Источником света в данной работе служит ртутная лампа. Ширину щели коллиматора можно регулировать.
Окуляр зрительной трубы имеет вертикальную нить для визирования на щель коллиматора. Если оси зрительной трубы и коллиматора совпадают, то при освещении щели белым светом в окуляре наблюдается белая линия (центральный максимум с k = 0).
Измерение углов дифракции осуществляется следующим образом. Зрительная труба поворачивается вправо и влево от центрального максимума (см. рис.9.43) и наводится на соответствующие линии в
спектре одного порядка. По указателю производится отсчет углов 1 |
и 2. |
||
|
Первое положение |
|
|
|
зрительной трубы |
|
|
|
|
60 |
|
|
Коллиматорная |
30 |
|
|
труба |
0 |
89 |
|
|
88 |
|
|
|
87 |
|
1 |
S |
86 |
|
|
|
85 |
|
|
2 |
|
|
|
Второе положение |
Рис. 9.44 |
|
|
зрительной трубы |
|
|
Рис. 9.43
Целое число градусов определяется по значению на лимбе кругового кольца перед нулевым делением нониуса. Затем измеряется число делений нониуса до совпадающих рисок на шкалах лимба и нониуса. Цена каждого деления нониуса 6 .
На рис.9.44 показан пример измерения для угла 1 = 86 + 6дел 6= 86 36 .
Из рис.9.43 видно, что среднее значение угла дифракции |
может |
|||||||
быть рассчитано по разности двух отсчетов: |
|
|||||||
|
|
|
|
|
. |
(9.89) |
||
|
|
|
|
|
1 2 |
|
||
|
||||||||
|
|
|
|
|||||
2 |
|
|||||||
|
|
|
157
Порядок выполнения работы
1.Осветить щель коллиматора ртутной лампой.
2.Окуляр зрительной трубы сфокусировать на вертикальную нить так, чтобы она была отчетливо видна.
3.Установить зрительную трубу на одной прямой с коллиматором и наблюдать изображение щели.
4.Поставить на столик решетку.
5.Повернуть зрительную трубу влево и вправо от центральной
линии и измерить угловое расположение 1 и 2 спектральных линий разных цветов (фиолетовые, синие, зеленые и желтые) в трех первых спектрах (k = 1, 2, 3). Результаты измерений занести в табл.9.13.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 9.13 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Цвет |
вправо от |
|
|
влево от |
|
|
|
|
|
sin |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
k |
|
линии |
центральной |
|
центральной |
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
линии |
|
|
|
линии |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Синий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
|
Зеленый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Желтый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Синий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2 |
|
Зеленый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Желтый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Синий |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3 |
|
Зеленый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
Желтый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
6. Для каждой |
|
|
линии |
подсчитать |
|
среднее |
|
отклонение от |
||||||||||||||
центральной линии |
|
|
по формуле (9.89). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
7. Подсчитать значения sin |
|
и по |
формуле |
(9.86) определить |
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||
длины волн . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Период решетки (а + b) рассчитать по известному числу штрихов n |
||||||||||||||||||||||
на единицу длины решетки: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
a b |
1 n. |
|
|
|
|
(9.90) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
8. Найти – средние значения длин волн соответствующих цветов: |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
синий |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зеленый = |
|
|
|
|
(9.91) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
желтый |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9. Взяв измеренные длины волн и значения для двух линий одного порядка по формуле (9.87) определить экспериментальное
158
значение угловой дисперсии D эксп. . Сравнить полученный результат с расчетом по формуле (9.19):
|
|
|
D теор. |
|
|
|
k |
|
|
|
(9.92) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
a |
b |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Результаты расчетов занести в табл.9.14. |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 9.14 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
D |
эксп. |
D |
теор. |
|
|
|
Lосв. |
|
N |
|
R |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
рад/м |
рад/м |
|
|
|
м |
|
– |
|
– |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10. Измерить линейкой |
освещенную ширину решетки Lосв. и |
|||||||||||||
определить число освещенных штрихов |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
N |
Lосв. |
. |
|
|
|
|
|
|
(9.93) |
||
|
|
|
a |
b |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11. По формуле (9.88) оценить разрешающую способность R решетки для одного из порядков спектра.
12. Отключить лампу от сети.
Контрольные вопросы
1.Основные элементы устройства спектрометра.
2.Как снимается отсчет углов дифракции в работе?
3.Как экспериментально оценить угловую дисперсию и разрешающую способность дифракционной решетки?
4.Как зависят угловая дисперсия и разрешающая способность решетки от порядка наблюдаемого спектра?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 116
Изучение явления отражения и преломления плоскополяризованного света
Цель работы: измерение интенсивности отраженного стопой Столетова и проходящего через нее поляризованного света.
Методика измерений и экспериментальная установка
В работе исследуется зависимость интенсивности света, отраженного стопой Столетова и проходящего через нее, от угла падения i светового луча на стопу № 2 (рис.9.45).
159
1 2 |
Стопа № 1 |
Стопа № 2 |
S |
57 |
|
3
12В
4
А
7 |
6 |
5 |
Рис. 9.45
При этом колебания электрического вектора Е в падающем на стопу № 2 луче происходят преимущественно в плоскости падения (частичная поляризация).
Свет от лампы 1 с «точечной» нитью в виде светлой вертикальной полосы проходит через коллиматорный объектив 2 так, что формируется параллельный пучок лучей (лампа в фокальной плоскости объектива). Проходя через стопу № 1 и проходя (и отражаясь) через стопу № 2, свет попадает на фотоэлемент 6, расположенный на подвижной линейке 4 с риской 3, фиксирующей угловое положение фотоэлемента. На рис.9.45 изображена освещенная часть 7 поверхности фотоэлемента 6.
Указатель на стопе № 2 также фиксирует ее угловое положение. Стопа №1 закреплена на неподвижной линейке так, что свет падает на нее под углом Брюстера (9.20) i0 = 57для стекла. Отраженный от стопы № 1 луч будет полностью поляризован, а проходящий – поляризован частично. Поэтому на стопу № 2 падает частично поляризованный луч. В работе используются стопы, состоящие из 9 пластин.
Экспериментальная часть работы заключается в измерении интенсивности света, отраженного стопой № 2 и проходящего через нее. Величина фототока, пропорциональная интенсивности света, падающего на фотоэлемент 6, измеряется гальванометром 5.
160
Изменение угла падения луча осуществляется поворотом стопы № 2 относительно падающего луча, направление которого фиксировано.
Порядок выполнения работы
1. Включить лампу осветителя (12В). Луч света (резкая светящаяся вертикальная полоса) должен проходить по линии, соединяющей 0 и
180на лимбе, попадая в центры стоп и фотоэлемента.
2.Установить стопу № 2 так, чтобы угол падения i (угол между
нулем нимба и стрелкой стопы 2) был равен 20 .
3. Измерить интенсивность отраженного света (Jr). Для этого открыть крышку фотоэлемента 6, размещая подвижную линейку 4 с фотоэлементом в области ~40 на лимбе так, чтобы показание гальванометра 5 было максимальным (рис.9.45). Это показание гальванометра является мерой интенсивности Jr отраженного света. Значение Jr записать в табл.9.15.
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 9.15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
20 |
30 |
40 |
50 |
52 |
54 |
56 |
58 |
60 |
70 |
Jr |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Jd
J= Jr + Jd
4.Измерить интенсивность проходящего света (Jd). При этом положение стопы № 2 определяется по табл.9.15. Фотоэлемент устанавливают за стопой № 2 таким образом, чтобы показание
гальванометра было максимальным. Измеренные значения фототока Jd занести в табл.9.15.
5.Отключить лампу осветителя.
6.Для каждого измерения найти интенсивность падающего света как сумму интенсивностей отраженного и проходящего света J = Jr + Jd.
7.Определить среднее значение интенсивности падающего света J :
|
|
|
J1 J2 ... |
J10 |
, |
|
|
|
(9.94) |
||||
|
J |
|
|
|
|||||||||
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где J1, J2 – интенсивность света для i = 20º, 30º и т.д. |
|
|
|
|
|||||||||
8. Найти коэффициент отражения |
|
Jr |
|
и пропускания |
Jd |
света. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
J |
|
J |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
8. Построить графики зависимости коэффициентов отражения = f(i) и пропускания = f(i) от угла падения луча и проанализировать их.