Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 1482
Скачиваний: 178
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИМИНЕСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИфедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»Кафедра общей и технической физикиОтчет по лабораторной работе № 10По дисциплине Физика (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)Тема работы: «Измерение скорости световых волн в различных средах» Выполнил: студент гр. ГГ-21-1 Энхтувшин У.(шифр группы) (подпись) (Ф.И.О.)Дата:Проверил: ____________(должность) (подпись) (Ф.И.О.)Санкт-Петербург2021 Цель работыОпределить скорость света в воздухе, воде и акриловом стекле, а также определить показатели преломления этих сред.Краткое теоретическое содержаниеЯвление, изучаемое в работе: Электрические и магнитные поля в световых волнах.Определение основных физических понятий, объектов, процессов и величин.Световая волна – поперечная электромагнитная волна, в которой происходят колебания векторов напряженности электрического поля E и магнитного H.Свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: при интерференции и дифракции проявляются, главным образом, волновые свойства света, а при излучении и поглощении - корпускулярные.Корпускулярные свойства состоят в том, что лучистая энергия испускается и поглощается веществами не непрерывно, а отдельными дискретными порциями — квантами света или фотонами.Скорость света – абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме.Показатель преломления — безразмерная физическая величина, характеризующая отличие фазовых скоростей света в двух средах.
Физический смысл показателя преломления – он показывает, во сколько раз скорость света в одной среде отличается от скорости света в другой средеЗаконы и соотношения, описывающие изучаемые процессы, на основании которых, получены расчетные формулы. Пояснения к физическим величинам и их единицы измерений.В теории электромагнитного поля (уравнения Максвелла) показывается, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна ,где Ф/м - электрическая постоянная, Гн/м - магнитная постоянная.В непроводящей диэлектрической среде электромагнитная волна распространяется со скоростью ,где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, μ - магнитная проницаемость среды. В оптическом диапазоне спектра электромагнитных волн . Отношение скорости света в вакууме к скорости света в некоторой среде , называется абсолютным показателем преломления этой среды. Для любой среды, кроме вакуума, n > 1. Величина n зависит от частоты света (дисперсия) и состояния среды (плотности, давления и температуры).Схема установки:Рисунок 1 – Функциональная схема установкиОсновные расчётные формулыСкорость света в воздухе, м/с: , гдеc – скорость света, м/с;f – частота светового сигнала, Гц; , м; – длина пути светового луча, м; – время запаздывания светового луча, с.Абсолютный показатель преломления акрила:
, где – показатель преломления акрила; – смещение отражателя после установки трубки, мм; – длина акриловой трубки, мм.Скорость света в акриле, м/с: , где – скорость света в акриле, м/с;Абсолютный показатель преломления воды: , где – показатель преломления воды; – смещение отражателя после установки трубки, мм;Скорость света в воде, м/с: , где – показатель преломления в воде; – длина трубки с водой, мм.Погрешности прямых измеренийПогрешность измерений длины стержня и координаты положения: lm = 0,5 мм, x = 0,5 ммПогрешность измерений изменения фазы (φ)=1°,Погрешность измерений времени распространения светового сигнала, (∆t·1000) = 0,1нс Погрешности косвенных измеренийАбсолютная погрешность измерений скорости света в воздухе ,где c – скорость света в воздухе, м/с; (x) – погрешность измерений перемещения, м; x – перемещение, м.Абсолютная погрешность измерений показателя преломления ,где n – показатель преломления; (x) – погрешность измерений перемещения, м; x – перемещение, м;
lm – погрешность измерений длины стержня, мм; lm – длина стержня, м. Абсолютная погрешность измерений скорости света в среде ,где v - скорость света в среде, м/с; n –погрешность измерений показателя преломления; n – показатель преломления.Абсолютная погрешность измерений пути ,где (x) – погрешность измерений перемещения, м.Абсолютная погрешность измерения перемещения(х) = 2х,где х – погрешность измерений координаты положения, м.Таблица 1. Измерение скорости света в воздухе в режиме
Таблица 2. Измерение скорости света в воздухе в режиме 
Таблица 3. Результаты измерения перемещения отражателя (труба с водой)
Таблица 4. Результаты измерения перемещения отражателя (акриловое стекло)
Физический смысл показателя преломления – он показывает, во сколько раз скорость света в одной среде отличается от скорости света в другой средеЗаконы и соотношения, описывающие изучаемые процессы, на основании которых, получены расчетные формулы. Пояснения к физическим величинам и их единицы измерений.В теории электромагнитного поля (уравнения Максвелла) показывается, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна ,где Ф/м - электрическая постоянная, Гн/м - магнитная постоянная.В непроводящей диэлектрической среде электромагнитная волна распространяется со скоростью ,где ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды, μ - магнитная проницаемость среды. В оптическом диапазоне спектра электромагнитных волн . Отношение скорости света в вакууме к скорости света в некоторой среде , называется абсолютным показателем преломления этой среды. Для любой среды, кроме вакуума, n > 1. Величина n зависит от частоты света (дисперсия) и состояния среды (плотности, давления и температуры).Схема установки:Рисунок 1 – Функциональная схема установкиОсновные расчётные формулыСкорость света в воздухе, м/с: , гдеc – скорость света, м/с;f – частота светового сигнала, Гц; , м; – длина пути светового луча, м; – время запаздывания светового луча, с.Абсолютный показатель преломления акрила:
, где – показатель преломления акрила; – смещение отражателя после установки трубки, мм; – длина акриловой трубки, мм.Скорость света в акриле, м/с: , где – скорость света в акриле, м/с;Абсолютный показатель преломления воды: , где – показатель преломления воды; – смещение отражателя после установки трубки, мм;Скорость света в воде, м/с: , где – показатель преломления в воде; – длина трубки с водой, мм.Погрешности прямых измеренийПогрешность измерений длины стержня и координаты положения: lm = 0,5 мм, x = 0,5 ммПогрешность измерений изменения фазы (φ)=1°,Погрешность измерений времени распространения светового сигнала, (∆t·1000) = 0,1нс Погрешности косвенных измеренийАбсолютная погрешность измерений скорости света в воздухе ,где c – скорость света в воздухе, м/с; (x) – погрешность измерений перемещения, м; x – перемещение, м.Абсолютная погрешность измерений показателя преломления ,где n – показатель преломления; (x) – погрешность измерений перемещения, м; x – перемещение, м;
lm – погрешность измерений длины стержня, мм; lm – длина стержня, м. Абсолютная погрешность измерений скорости света в среде ,где v - скорость света в среде, м/с; n –погрешность измерений показателя преломления; n – показатель преломления.Абсолютная погрешность измерений пути ,где (x) – погрешность измерений перемещения, м.Абсолютная погрешность измерения перемещения(х) = 2х,где х – погрешность измерений координаты положения, м.Таблица 1. Измерение скорости света в воздухе в режиме
| № | x0, мм | x, мм |  , мм |  , м/с | |
| 1 | 0 | 1466 | 1466 | 293 200 000 | |
| 2 | 1460 | 1460 | 292 000 000 | ||
| 3 | 1462 | 1462 | 292 400 000 | ||
| 4 | 1453 | 1453 | 290 600 000 | ||
| 5 | 1466 | 1466 | 293 200 000 | ||
| 6 | 1469 | 1469 | 293 800 000 | ||
| |  ср=292 533 333 | ||||
| , мм |  , мм |  |  |
| 1000 | 2000 | 6,7 | 2,99 |
| 1100 | 2200 | 7,4 | 2,97 |
| 1200 | 2400 | 8,1 | 2,96 |
| 1300 | 2600 | 8,8 | 2,95 |
| 1350 | 2700 | 9,1 | 2,97 |
| 1400 | 2800 | 9,5 | 2,95 |
| 1450 | 2900 | 9,9 | 2,93 |
| 1500 | 3000 | 10,3 | 2,91 |
| 1550 | 3100 | 10,8 | 2,87 |
| 1600 | 3200 | 11,1 | 2,88 |
| | ср= | ||
Таблица 3. Результаты измерения перемещения отражателя (труба с водой)
| № | x0, мм | x, мм |  | nв |  | |
| 1 | 0 | 1298 | 202 | 1,404 | 213 675 214 | |
| 2 | 0 | 1308 | 202 | 1,404 | 213 675 214 | |
| 3 | 0 | 1496 | 204 | 1,408 | 213 068 182 | |
| 4 | 0 | 1502 | 208 | 1,416 | 211 864 407 | |
| 5 | 0 | 1500 | 200 | 1,400 | 214 285 714 | |
| 6 | 0 | 1502 | 206 | 1,412 | 212 464 589 | |
| |  | |||||
| № | x0, мм | x, мм | | nа |  |
| 1 | 0 | 1498 | 237 | 1,484 | 202 156 334 |
| 2 | 0 | 1495 | 248 | 1,504 | 199 468 085 |
| 3 | 0 | 1496 | 238 | 1,484 | 202 156 334 |
| 4 | 0 | 1486 | 250 | 1,512 | 198 412 698 |
| 5 | 0 | 1475 | 252 | 1,514 | 198 150 594 |
| 6 | 0 | 1476 | 246 | 1,502 | 199 733 688 |
| |  | ||||