Астраханский государственный технический университет

Кафедра физики

Физический практикум

«ОПТИКА»

Методические указания к лабораторным работам

для студентов инженерно-технических специальностей

Астрахань 2004

Составители:

Селиванов Н.В., д.т.н., профессор кафедры «Физика»,

Евдашкин В.И., к.т.н, доцент кафедры «Физика»

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор АГТУ Алексанян И.А.

Зав. кафедрой общей физики АГУ, доцент Лихтер А.М.

Физический практикум. «Оптика»: Метод. указания к лаборатор. работам по курсу «Физика» для студентов инженерно-технических специальностей / АГТУ; Сост.: Н.В. Селиванов, В.И. Евдашкин. – Астрахань, 2004. – 62 с.

Методические указания для лабораторных работ предназначены для студентов дневной и заочной формы обучения всех специальностей инженерно-технического профиля высших учебных заведений; содержит краткий теоретический материал, описание лабораторных, методические рекомендации для студентов по их выполнению, список литературы.

Утверждено на заседании кафедры физики АГТУ: протокол № 10 от 5июля 2004 г.

Рекомендовано к изданию Ученым советом механического ф-та:

протокол №2 от 4.10.04.

© Астраханский государственный технический университет

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Лабораторная работа №1 «Измерение показателя преломления

прозрачных веществ с помощью микроскопа» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

Лабораторная работа № 2 «Определение радиуса кривизны

поверхности линзы путем измерения колец Hьютона» . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Лабораторная работа № 3 «Определение ширины дифракционной щели,

периода дифракционной решетки и длины световой волны». . . . . . . . . . . . . . . . 27

Лабораторная работа № 4 «Экспериментальная проверка закона Малюса» . . . 39

Лабораторная работа №5 «Определение концентрации сахара в растворе

с помощью поляриметра». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 45

Лабораторная работа № 6 «Экспериментальная проверка закона

Стефана- Больцмана» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Введение

Методические указания для лабораторных работ по оптике предназначены для студентов астраханского государственного технического университета. Их содержанием является описание 6 лабораторных работ, краткая теория, методические рекомендации для студентов по их выполнению и оформлению отчета, список литературы.

Методика проведения занятий по оптике предусматривает выполнение работы за одну пару. Работа студента на занятии состоит из следующих действий: 1) допуск к занятию; 2) выполнение работы; 3) проведение необходимых вычислений, получение результата; 4) оформление письменного отчета.

Допуск к выполнению работы заключается в выяснении знаний студентами теоретического материала, понимания цели работы, знания экспериментальной установки. Подготовка студента к занятию состоит во внимательном изучении материала, изложенного в настоящем руководстве относительного данной работы. После этого необходимо обратиться к литературе, указанной в рекомендациях, чтобы подробнее изучить теорию исследуемого явления и ответить на контрольные вопросы к работе.

Студент, не получивший допуск по работе, к выполнению данной лабораторной не допускается.

Для получения зачета студенту необходимо иметь письменный отчет о работе, который оформляется в лабораторной тетради. Письменный отчет должен содержать:

1. Название работы.

2. Цель и задачи лабораторного исследования.

3. Перечень приборов и принадлежностей.

4. Теоретическое введение.

5. Схема установки и ее описание.

6. Описание метода измерений.

7. Выполнение работы (таблицы результатов измерений и вычислений, необходимые графические зависимости, результаты определения искомой физической величины и расчет погрешности ее определения).

8. Выводы по работе.

Студент, не получивший зачет по предыдущей лабораторной работе без уважительных причин, не допускается к выполнению следующей работы.

Основное назначение лабораторного практикума по оптике – способствовать формированию у студентов глубоких и прочных знаний, развитию мышления, познавательной самостоятельности, интеллектуальных и практических навыков, в том числе умений выполнять простые наблюдения, измерения и опыты, обращаться с измерительными приборами, анализировать результаты эксперимента, делать обобщения и выводы.

В пособие включены следующие виды заданий:

• наблюдение и изучение физических явлений;

• наблюдение и изучение свойств веществ;

• измерения физических величин;

• исследование зависимостей между физическими величинами;

• изучение физических законов; экспериментальные задачи.

Уровень трудности лабораторных работ соответствует требованиям действующей программы и ГОСу по дисциплине.

Лабораторная работа № 1

Измерение показателя преломления прозрачных веществ

с помощью микроскопа

Цель работы: ознакомление с одним из методов определения показателей преломления прозрачных твёрдых тел.

Приборы и принадлежности: микроскоп, микрометр (штангенциркуль), набор прозрачных пластинок с нанесёнными на их поверхностях рядами продольных и поперечных штрихов, осветитель.

Краткая теория

1. Элементы геометрической оптики

В основе геометрической оптики лежит понятие светового луча, т. е. элементарного, очень узкого светового пучка (или, иначе, оси этого пучка). Это понятие можно использовать лишь при условии, что размеры фронта волны, вырезанного световым конусом, значительно превосходят длину световой волны (d >>), радиус R кривизны волновой поверхности также больше длины  световой волны (R >>), а изменение показателя преломления происходит весьма медленно ( ). Переход к очень малым отверстиям, вырезающим световой пучок, приводит к увеличению дифракции света; поэтому получить сколь угодно узкий световой пучок оказывается невозможным.

Важнейшей задачей практической оптики является получение изображений, точно передающих форму предметов (в частности, источников света). Эта задача может быть решена путём создания условий сохранения гомоцентрических световых пучков.

Световой пучок называется гомоцентрическим, если он выходит из одной точки, из одного центра или, напротив, сходится в нём.

Управление световым пучком осуществляется с помощью зеркал, призм, линз и светодиодов.

Элементарные сведения о микроскопе

Глаз, невооружённый никаким оптическим приспособлением, на расстоянии наилучшего зрения (25см) различает мелкие структурные образования (точки и линии) на поверхности тела или внутри прозрачного образца с разрешением (при расстоянии между ними) 0,08мм. Для того, чтобы рассматривать предметы с более мелкими деталями (структурой), нужно увеличить угол, под которым они наблюдаются (угол зрения). Этого можно достичь с помощью лупы или микроскопа.

Рис. 1.1. Микроскоп

На рис. 1.1 представлен микроскоп. Основные части оптической системы микроскопа – объектив 1 и окуляр 2 – размещаются на концах цилиндрической трубки, укрепленной в штативе. Исследуемый объект 3 помещается на предметном столике 4 и освещается снизу с помощью зеркала 5 и конденсора 6. Оправы объектива и окуляра устанавливаются в металлической трубке – тубусе 7. Наводка на резкое изображение осуществляется с помощью микрометрического винта кремальеры 8 (грубая наводка) или микрометрического винта 9 (точная наводка). Окуляры и объективы микроскопа делаются сменными, благодаря чему можно быстро менять увеличение системы. Быстрая смена объективов с разным увеличением осуществляется с помощью револьвера 10. Тубус и столик укреплены на массивном штативе 11.

Микроскоп как оптическое устройство включает в себя кроме оптической части ещё и часть механическую. К механической подсистеме относятся приспособления, предназначенные для закрепления исследуемого объекта и для его перемещения в различных направлениях относительно тубуса микроскопа; предметный столик с препаратоводителем и винты грубой наводки (кремальера) и тонкой наводки (микрометрический), а также штатив и тубусодержатель. К оптической системе относятся, прежде всего, объектив и окуляр, позволяющие увеличить угол зрения, под которым производится наблюдение, и устройство для освещения объекта (зеркало и конденсор) и регулирования освещения (ирисовая диафрагма).

На рис. 1.2 представлена схема хода лучей в микроскопе.

Рис. 1.2. Схема хода лучей в микроскопе

Объектив (Об) создаёт действительное, увеличенное изображение А₁В₁ рассматриваемого объекта АВ. Изображение, даваемое объективом, затем рассматривается через окуляр (Ок), действующий как лупа; А₂В₂-мнимое, увеличенное изображение, полученное с помощью окуляра.

Для получения достаточно большого увеличения с помощью микроскопа необходимо, чтобы расстояние от объекта до объектива (до его передней главной плоскости) должно очень мало отличаться от его фокусного расстояния d₁  F_об, как и расстояние от первичного изображения, получаемого с помощью объектива, от окуляра - от фокусного расстояния последнего. Поэтому увеличения, даваемые объективом и окуляром, можно приближённо выразить так:

_, (1.1)

где – l длина тубуса микроскопа, a L - расстояние наилучшего зрения.

Более точные формулы этих увеличений имеют вид:

и . (1.2)

Увеличение, обеспечиваемое микроскопом, равно:

^. (1.3)

Из соотношения (1.3) видно, что увеличение, получаемое микроскопом, растет с уменьшением фокусного расстояния объектива и окуляра. Увеличение нельзя сделать сколь угодно большим из-за явления дифракция света, обусловленной его волновой природой. Наибольшее увеличение, получаемое с помощью оптического микроскопа, достигает 1350.

В 1873 году Аббе разработал дифракционную теорию светового микроскопа, согласно которой формирование изображения происходит благодаря двум эффектам. Сначала имеет место дифракция света на микроскопических деталях объекта, а затем, после прохождения дифрагированных световых пучков через объектив, происходит их интерференция.

С особенностями образования дифракционного изображения точечного объекта (точечного источника или рассеивателя света) связана разрешающая способность микроскопа. Когда две светящиеся точки находятся на не слишком малом расстоянии друг от друга (не меньшем длины световой волны), то при рассматривании их через микроскоп они видны раздельно. Если же эти точки сближаются, то их изображения (центральные светлые пятна, окружённые несколькими светлыми кольцами значительно меньшей интенсивности) начинают накладываться друг на друга, а затем практически сливаются в одно. Изображения двух источников (светлые пятна) можно ещё различать при условии, что центр одного из светлых пятен находится в середине первого тёмного кольца, окружающего второе светлое пятно (критерий Рэлея). Разрешающей способностью микроскопа называется величина, обратная тому наименьшему расстоянию  между двумя элементами структуры ("точками"), при котором они ещё могут быть видимы раздельно. Теория микроскопа приводит к формуле:

^{ = 1,22 /(2nsin)} , (1.4)

где λ - длина волны используемого монохроматического света;

п sin - числовая апертура объектива имеет величину, близкую к единице;

п - показатель преломления среды, находящейся между предметом и объективом;

 - угол между одним из крайних лучей, попадающих в объектив, и оптической осью объектива (см. рис.1.2).

Из формулы (1.4) видно, что улучшения (увеличения) разрешающей способности микроскопа можно добиться как за счет уменьшения длины волны  используемого света, так и увеличения числовой апертуры. Первый способ реализуется при использовании ультрафиолетового и даже рентгеновского излучений, а также электронных и ионных пучков. Второй способ основан на использовании иммерсионных жидкостей (между предметом и объективом) с показателями преломления от 1,3 до 1,8.