Файл: Кафедра физики и химии физика лабораторный практикум Часть iii.pdf

119
Это выражение называется законом Малюса. Следует от- метить, что формула (1) получена без учета отражения и поглощения света в поляроидах. Интересно также, что Э.Л.
Малюс вывел свой закон, основываясь на корпускулярных представлениях о свете. С волновой точки зрения закон
Малюса представляет собой следствие теоремы разложе- ния векторов и утверждения, что интенсивность света рав- на квадрату амплитуды световой волны. То есть, закон Малюса может рассматриваться как непосредственное экспериментальное до- казательство данного утверждения.
Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков, то часть света отражается, а часть преломляется и распространяется в диэлектрике.
Отраженный свет будет частично поляризован. Если угол между отраженным и преломленным лучами будет равен
90
о
, то отраженный луч будет полностью поляризован (рис.
5). Это установил шотланский физик Д. Брюстер.
Он сформулировал условие пол- ной поляризации отражённого света:
tg φ = n
(3) где φ – угол падения; n – показатель преломления среды от которой происходит отражение.

120
III. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ.
Приборы и принадлежности: оптическая скамья с источ- ником света, люксметр, поляризатор, анализатор, диэлектрическая пластинка.
Блок-схема лабораторной установки изображена на рис.6. Установка смонтирована на оптической скамье.
Рис.6
Естественный свет, излучаемый осветителем 2, падает на поляризатор 3. Выходящий из поляризатора поляризо ванный свет, попадает на столик с анализатором 4. Анали- затор может свободно вращаться вокруг горизонтальной оси, совпадающей с направлением распространения света и перпендикулярной плоскости поляризатора и анализатора.
На корпусе стойки анализатора находится шкала, по- зволяющая производить отчет угла поворота анализатора.
Столик может вращаться вокруг вертикальной оси. Угол поворота столика фиксируется по шкале 5.
Свет, пройдя через анализатор, попадает на фотопри- емник люксметра 1. С помощью люксметра фиксируется освещенность Е, величина которой пропорциональна ин- тенсивности светового потока I.
E

k

I (4)

121
Вращая анализатор и измеряя освещенность Е, можно установить зависимость I

f (

) .
Если на столик установить полированную диэлектри- ческую пластинку, то будет наблюдаться отражение есте- ственного света, который будет частично или полностью поляризован.
IV. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ.
1.
Установить анализатор на одной оси с поляризатором.
2.
Установить указатель анализатора на начало шкалы от- счета угла.
3.
Включить осветитель и, вращая анализатор, установить его в положение, при котором освещенность будет ми- нимальной.
4.
Вращая анализатор, снять показания через каждые 10 0 в интервале от 0 до 360 0
5.
Снять с оптической скамьи поляризатор.
6.
Установить на столик диэлектрическую пластинку под некоторым углом к падающему свету. Вращая вокруг вертикальной оси анализатор, установить его так чтобы отраженный свет попадал на него.
7.
Вращая анализатор вокруг горизонтальной оси добиться сначала максимального показания, а затем минимально- го показания люксметра.
8.
Вращая анализатор и столик вокруг вертикальной оси добиться нулевого показания люксметра и зафиксиро- вать его значение. При повороте необходимо следить, чтобы окошко анализатора было максимально освеще- но. Угол поворота лежит в приделах 40 – 60 0
. Опыт по- вторить не мене трёх раз.
9.
По окончании измерений выключить осветитель и при- вести рабочее место в порядок.

122
V. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.
1.
Занести результаты измерений в таблицу.
2.
Построить график зависимости E

E(

) .
3.
Построить график зависимости E =f(cos
2
φ) .
4.
Проанализировать полученный график.
Таблица


cos
2


Е, люкс
5. Результат анализа представить в письменном виде.
6. По результатам опыта с пластинкой по формуле (3) оп- ределить показатель преломления диэлектрика.
VI. ЛИТЕРАТУРА.
1. Молотков Н.Я. М758 Основы общей физики: учебное пособие: в 3-х т.Т. 1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика/Н.Я. Молотков.- Старый Оскол: ТНТ,
2016 – 428с.
2. Молотков Н.Я. М758 Основы общей физики: учебное пособие: в 3-х т.Т. 2. Электричество и магнетизм.
Оптика/Н.Я. Молотков.- Старый Оскол: ТНТ, 2016 – 372с.
3. Общая физика. Учебное пособие для бакалавров.
Воробьёв А.А., КНО Рус 2016.

123
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Что называется поляризацией волн?
2. Что собой представляет естественный свет с точки зрения поляризации?
3. Какой свет называется
– поляризованным?
– плоскополяризованным?
4. Какое устройство называется поляроидом?
5. В чем заключается явление дихроизма?
6. Какое устройство называется поляризатором?
7. Запишите закон Малюса и поясните его смысл.
8. Запишите условие полной поляризации отраженного света Брюстера.

124
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 3-12

Изучение дисперсии света.
I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение нормальной дисперсии света
и определение коэффициента дисперсии..
II.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Светом называют электромагнитное излучение, испус- каемое нагретым или находящимся в возбужденном со- стоянии веществом. Под светом в широком смысле пони- мают не только видимый свет, который воспринимается человеческим глазом и вызывает зрительные ощущения, но и примыкающие к нему области электромагнитного спектра.
Электромагнитные колебания распространяются в ва- кууме с наибольшей в природе скоростью с = 3∙10
8
м/с , образуя электромагнитные волны. Расстояние, которое проходят электромагнитные колебания за один период Т, называют длиной волны
λ = с∙Т
(1)
Видимый свет – это электромагнитное излучение с длинами волн приблизительно от 400 нм до 760 нм (от фиолетового до красного). Если расположить области электромагнитного спектра в порядке увеличения длины волны, то слева от видимого диапазона будет область ультрафиолетового излучения (

<380 нм), а справа – об- ласть инфракрасного излучения (

>760 нм).
Количество света ( яркость, интенсивность, освещён- ность) зависит от амплитуды световой волны, а качество света – цвет от частоты.

125
Оптические свойства среды принято характеризовать абсолютным показателем преломления n. Его величина равна отношению скорости света в вакууме к скорости света
υ в данной среде
n = c/υ
(2)
Из определения видно, что показатель преломления для вакуума равен единице. Для всех остальных сред он больше единицы, поскольку скорость света в пустоте больше его скорости в любой среде. В зависимости от зна- чения показателя преломления прозрачные среды делятся на оптически более плотные и менее плотные. Чем больше показатель преломления , тем больше оптическая плот- ность.
Изменение скорости световой волны при переходе в другую среду вызывает изменение направления луча – преломление света. В вакууме световые волны любой час- тоты (любого «цвета») распространяются с одинаковой скоростью. Однако в материальной среде скорость света зависит не только от оптической плотности среды, но и от длины волны.
Дисперсия света – зависимость показателя преломле- ния света в веществе от длины волны света. Эта зависи- мость не линейна и не монотонная. Существует две разно- видности дисперсий: нормальная и аномальная . Области значения

, в которых
????????
????????
> 0, (или
????????
????????
< 0) соответствует нормальной дисперсии (с ростом частоты ν показатель преломления n увеличивается). Нормальная дисперсия наблюдается у веществ прозрачных для света. Например, обычное стекло прозрачно для видимого света, и в этой области частот наблюдается нормальная дисперсия света в стекле. На основе явления нормальной дисперсии света основано разложения света в спектр, стеклянной призмой.

126
Дисперсия называется аномальной, если
????????
????????
< 0, (или
????????
????????
>
0), т.е. с ростом частоты ν показатель преломления n уменьшается. Аномальная дисперсия наблюдается в об- ластях часто, соответствующих полосам интенсивного по- глощения света в данной среде. Например, у обычного стекла в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра наблюдается аномальная дисперсия. Так как показатель преломления зависит от длины волны, то световые волны разной длины (лучи разных цветов) будут преломляться на различные углы. При переходе из воздуха меньше других оклоняются лучи красного цвета, а самое сильное прелом- ление испытывают лучи фиолетового цвета.
III. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Приборы и принадлежности: источник света, набор све- тофильтров, исследуемая линза, экран, слайд, линейка.
Оптическая система экспериментальной установки изображена на рисунке 3.
Рис.3.

127
Большинство сред обладают дисперсией. Поэтому можно найти зависимость показателя преломления от дли- ны волны

Запишем формулу оптической силы двояковыпуклой линзы с показателем преломления n
1
????
= (???? − 1)(
1
????
1
+
1
????
2
) (3)
Так как R
1
= R
2
, то
1
????
= (???? − 1)
2
????
(4)
1
????
=
1
????
+
1
????
(5)
Согласно, формуле тонкой линзы
Приравняв выражения (4) и (5), найдём показатель пре- ломления n
(???? − 1)
2
????
=
1
????
+
1
????
???? =
????
2
(
1
????
+
1
????
) + 1 (6)
Установка для наблюдения дисперсии света изображена на рис .4.
Рис.4.

128
Свет от источника белого света 1 проходит через один из светофильтров , укреплённых на поворотной обойме 2.
На каждом светофильтре указана длина волны, которую пропускает светофильтр. Свет, теперь уже определённой длины волны , освещает рисунок, который нанесён на пла- стинку 3 из прозрачного материала. Линза 4 расположена от предмета на расстоянии d, которое больше фокусного расстояния, т.е. реализован случай, для которого выше вы- полнено построение изображения (см. рис.3).
Резкое изображение рисунка нужно получить на полу- прозрачном экране в проходящем свете. Изображение бу- дет резким, только когда расстояние от линзы до экрана будет в точности равно f. Задача состоит в том, чтобы най- ти на опыте и измерить это расстоянии. Для этого следует перемещать экран до тех пор, пока изображение не станет максимально чётким.
III. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.
1. Установите исследуемую линзу на оптическую скамью и закрепите её.
2. Установите в рабочее положение один из светофильтров
(например, красный).
3. Включите источник света.
4. Отрегулируйте высоту предмета так, чтобы весь слайд освещался пучком света.
5. Перемещая экран вдоль оптической скамьи, и глядя на него со стороны, противоположной источнику света (на просвет), подберите такое его положение, при котором получается самое чёткое изображение предмета.
6. Зафиксируйте его положение и измерьте расстояния d и
f (см. рис.4) с возможно большей точностью (до мм).
Проведите операции, описанные в пунктах 2-6 для дру- гих светофильтров, измеряя расстояния f для каждого светофильтра.
7. Повторите измерения ещё дважды для каждого свето-

129 фильтра из имеющихся в наборе ( кроме сиреневого) ( пункты 2-7).
8. Отключите электропитание, приведите рабочее место в порядок.
V. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.
1. Результат измерений занести в таблицу.
2. Рассчитайте по формуле (6) показатель преломления стекла n для каждого измерения.
3. Постройте график зависимости показателя преломле- ния от длины волны n

f (

) .
Таблица.
Светофильтр λ,нм № f,см d,см
n n
ср красный
1 2
3 жёлтый
1 2
3 зелёный
1 2
3 голубой
1 2
3 фиолетовый
1 2
3 4. На основе полученных данных определите тип диспер- сии.
5. Вычислите абсолютную и относительную погрешности.
6. Результаты измерений представьте в виде

130
n

n
cp


n
VI. . ЛИТЕРАТУРА
1. Молотков Н.Я. М758 Основы общей физики: учебное пособие: в 3-х т.Т. 1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика/Н.Я. Молотков.- Старый Оскол: ТНТ,
2016 – 428с.
2. Молотков Н.Я. М758 Основы общей физики: учебное пособие: в 3-х т.Т. 2. Электричество и магнетизм.
Оптика/Н.Я. Молотков.- Старый Оскол: ТНТ, 2016 –
372с.
3. Общая физика. Учебное пособие для бакалавров.
Воробьёв А.А., КНО Рус 2016.
V. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что представляет собой свет?
2. Каков частотный диапазон видимого света? Укажите его нижнюю и верхнюю границы в значениях частоты и длины волны.
3. От чего зависит интенсивность и цвет света?
4. Чем характеризуются оптические свойства среды?
5. Чем вызвано преломление света?
6. Что называется дисперсией света?
7. Чем отличается нормальная дисперсия от аномальной?
8. Объясните вид полученной зависимости
)
(k
f
n


131
VI ЛИТЕРАТУРА
1. Молотков Н.Я. М758 Основы общей физики: учебное пособие: в 3-х т.Т. 1. Механика. Молекулярная физика и термодинамика/Н.Я. Молотков.- Старый Оскол: ТНТ,
2016 – 428с.
2. Молотков Н.Я. М758 Основы общей физики: учебное пособие: в 3-х т.Т. 2. Электричество и магнетизм.
Оптика/Н.Я. Молотков.- Старый Оскол: ТНТ, 2016 –
372с.
3. Физика: Учебник.В.И.Демидченко – 6-е издание (Гриф)
НИЦ ИНФРА – М,2016.
4. Общая физика. Учебное пособие для бакалавров.
Воробьёв А.А., КНО Рус 2016.
5. Ильюшонок А.В., Гончаренко И.А., Астахов П.В.
Физика: Учебное пособие.НИЦ ИНФРА – М, Новое знание 2015.
Электронные издания:
1.в.
http://www.physicon.ru/products/courses/catalog/359/366/
2. в.
http://globalphysics.ru/uchebniki-fiziki-dlja-vuzov.html

132
Учебное издание
Вячеслав Павлович Сурков,
Людмила Михайловна Боева,
Александр Петрович Новоточинов
ФИЗИКА
Лабораторный практикум
Часть III
Физикаколебаний и волн
для студентов технических направлений.
Редактор Иванова Н.И.
Компьютерный набор Новоточинов А.П.
Подписано в печать
Формат 60х90 1/16
Бумага для множительной техники
Усл.печ.л.
Тираж экз. Заказ
Отпечатано с авторского оригинала в редакционно- издательском отделе СТИ НИТУ «МИСиС»
Старооскольского технологического института
309530, г. Старый Оскол, микрорайон Макаренко, 40.