Файл: Белорусский национальный технический университет приборостроительный факультет.doc

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 10.01.2024

Просмотров: 49

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.



БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ


ПРИБОРОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра экспериментальной и теоретической физики


ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ

ГОНИОМЕТРА Г-5


Указания к лабораторной работе № 3

по курсу "Общая физика "

Раздел "Оптика и атомная физика "


Минск 2005 г.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 3
ОПТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ

ГОНИОМЕТРА Г-5

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ


    1. Изучить принцип работы гониометра и его основных узлов.

    2. Измерить углы между гранями стеклянной призмы.




  1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ГОНИОМЕТРА И ЕГО ОСНОВНЫХ УЗЛОВ




    1. Назначение гониометра и принцип его работы.

Гониометр - оптический прибор для измерения углов. Гониометр используется для измерения углов между плоскими полированными гранями различных деталей, для измерения показателей преломления прозрачных материалов, для определения параметров дифракционных решёток и измерения длин волн спектральных линий.

Измерение углов на гониометре осуществляется абсолютным методом, т.е. путём сравнения с точно градуированным лимбом (круговой шкалой) .При сравнении используется коллиматор и зрительная труба (или автоколлиматор ), а также отсчётное устройство.


    1. Назначение и принцип действия коллиматора.

Коллиматор – оптическое устройство для получения пучков параллельных лучей.

Коллиматор состоит из объектива, в фокальной плоскости которого помещена непрозрачная диафрагма с узкой щелью (рис.1). Щель освещается с помощью не показанного на рисунке осветителя. Объектив и диафрагма укреплены в зачернённой изнутри трубе.

Оптическая схема коллиматора



1 - диафрагма со щелью, 2 - объектив.

Рис.1.

Параллельный пучок лучей выходящий иэ коллиматора, задаёт в пространстве некоторое базовое направление, относительно которого отсчитываются измеряемые углы.



    1. Назначение и принцип работы зрительной трубы


Зрительная труба - оптический прибор для визуального наблюдения за удалёнными объектами и для точного определения направления на рассматриваемый объект.

В гониометре зрительная труба служит для фиксации в пространстве направления совпадающего с оптической осью трубы. Простейшая зрительная труба Кеплера, оптическая схема которой приведена на рис.2, состоит из объектива, окуляра,* сетки с перекрестием.


Ход лучей в зрительной трубе Кеплера



1-объектив, 2-сетка, 3-окуляр, 4-глаз наблюдателя, f1 и f2 - фокусные расстояния объектива и окуляра, - угол, под которым виден объект без зрительной трубы, ω΄- угол, под которым наблюдается изображение объекта в трубе.

Рис. 2.
С помощью объектива получают оптическое изображение удалённого объекта наблюдения, а с помощью окуляра рассматривают это изображение под увеличенным углом зрения. Изображения предметов, удалённых на бесконечность, будут лежать в задней фокальной плоскости объектива, совпадающей с передней фокальной плоскостью окуляра. Поэтому пучки параллельных лучей, вошедшие в трубу, выходят из неё также в виде системы параллельных лучей. Такие оптические системы называются телескопическими или афокальными, т. е. не имеющими фокусов.

* Объектив - это обращённая к объекту часть оптической системы, формирующая действительное изображение объекта.

* Окуляр - это обращённая к глазу наблюдателя часть оптической системы, которая служит для визуального рассмотрения действительного изображения, сформированного объективом.

Телескопическая система без глаза изображения не даёт, однако, она изменяет наклон пучков, что обеспечивает увеличение углов поля зрения. Поэтому такие системы характеризуются обычно угловым увеличением.

Угловое увеличие зрительной трубы можно определить с помощью рис.2. Удалённый объект наблюдения виден невооружённым глазом под углом ω , а его оптическое изображение - под углом ω΄. Отношение этих углов или их тангенсов (что безразлично, вследствии малости углов) можно найти из треугольников с вершинами в точках 01 и 02 и общим основанием h.

γ = tgf1/tgf2 = f1/f2 (1)

здесь γ - угловое увеличение зрительной трубы.

f1 f2 - фокусные расстояния объектива и окуляра.
В общей фокальной плоскости объектива и окуляра установлена сетка с перекрестием, которая и обеспечивает возможность не только наблюдать удалённые объекты, но и определять направления на них. Так, изображение удалённого объекта, получится в центре перекрестия лишь в том случае, если направление на объект совпадает с главной оптической осью зрительной трубы. Совмещение изображения наблюдаемого объекта с перекрестием представляет собой наведение оси трубы на объект.


Фокусировка на резкость различно удалённых объектов наблюдения осуществляется при помощи дополнительной рассеивающей линзы, установленной между объективом и окуляром. Перемещением этой линзы удаётся приводить в переднюю фокальную плоскость окуляра изображения объектов различно удалённых от наблюдателя при неизменной длине трубы.

Если направить пучок света коллиматора на зрительную трубу (рис.3), то в поле зрения окуляра будет видно изображение освещаемой щели коллиматора, причём резкость изображения не зависит от расстояния между трубой и коллиматорам.
Работа коллиматора совместно со зрительной трубой


Изображение щели остаётся неподвижным при любом смещении коллиматора не изменяющим ориентацию в пространстве. Но поворот оси

коллиматора относительно оси зрительной трубы вызывает сдвиг этого изображения.


2.4. Назначение и принцип работы автоколлиматора
Сущность автоколлимации заключается в объединении в одном приборе коллиматора и зрительной трубы. Автоколлиматор используется для того, чтобы с высокой точностью устанавливать плоские отражающие поверхности перпендикулярно его оптической оси.

Автоколлиматор представляет собой зрительную трубу со специальным окуляром, который называется автоколлимационным. В работе используется автоколлимационный окуляр-куб с двумя сетками (рис.4).




Автоколлиматор состоит из объектива 2, светоделительного кубика 3, склеенного из двух прямоугольных призм, причём, в плоскости склейки одна из гипотенузных граней полупрозрачна (тонкий слой алюминия). За кубиком в фокальной плоскости окуляра установлена стеклянная пластинка с перекрестием 4 (Вид Б), а далее окуляр 5. Между осветительной лампой 7 и кубиком 3 установлена, в строго фокальной плоскости объектива, вторая стеклянная пластинка, на которой на слое алюминия прочерчен прозрачный крест (Вид А).

Если перед автоколлиматором установить плоскую отражающую поверхность 1 перпендикулярно оптической оси автоколлиматора, то изображение светящегося креста сетки 6 совпадёт с перекрестием сетки 4. При отклонении отражающей плоскости изображение светящегося креста будет смещаться.

При выключенном осветителе автоколлиматор можно использовать в качестве зрительной трубы.

3. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ НА ГОНИОМЕТРЕ

3.1. Законы, лежащие в основе оптических измерений углов.
В основе измерения углов оптическими методами лежат законы геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света и закон отражения света.

Закон прямолинейного распространения света состоит в том, что свет между двумя точками в однородной среде распространяется по прямой, соединяющей эти точки.






Законы отражения света:

  1. Отражённый луч лежит в плоскости, проходящей через падающий луч и нормаль (перпендикуляр) к отражающей поверхности, восстановленный из точки падения луча на поверхность. (Рис. 4).

  2. Угол отражения равен углу падения, причём, углы отсчитываются от нормали к поверхности.


3.2. Измерение углов призмы методом отражения.
Из аналитической геометрии известно, что ориентация любой плоскости в пространстве задаётся однозначно нормалью к этой плоскости. Это позволяет, зная направления двух световых лучей (падающего на плоскость и отражённого от неё), определить нормаль к отражающей поверхности как биссектрису, образованного этими лучами угла.

На практике нет необходимости находить биссектрису угла между падающим и отражённым лучами. Достаточно того, что эта биссектриса всегда существует и единственна, т. е. знание направлений падающего и отражённого лучей эквивалентно знанию направления нормали к данной плоскости.

При измерении углов на гониометре вместо отдельного луча используется параллельный пучок лучей, выходящей из коллиматора параллельно его оси (см. рис. 6).

Фиксация отражающей плоскости в пространстве с помощью коллиматора и зрительной трубы



1-коллиматор, 2-зрительная труба, , - углы падения и отражения параллельного пучка света на поверхность Р, N - нормаль к поверхности Р, - угол отклонения поверхности Р от первоначальной положения. Отражённый от плоской поверхности пучок лучей наблюдают через зрительную трубу. При любом угле между коллиматором и зрительной трубой существует только одно положение отражающей плоскости Р, при котором изображение щели коллиматора будет наблюдаться в перекрестии зрительной трубы. Это будет тогда, когда отражённый от плоскости Р пучок лучей будет идти параллельно оси трубы. При отклонении плоскости Р от такого положения на некоторый угол , отражённый от плоскости Р луч повернётся на угол 2, а благодаря угловому увеличению зрительной трубы равному γ, получим, что изображение щели сместится на угол 2γ.

Известно, что невооружённым глазом человек в состоянии различить две точки, наблюдаемые под углом 1′. При помощи зрительной трубы при увеличении γ=30 можно зафиксировать отклонение плоскости от первоначального положения на угол равный 1". К тому же это легко сделать, т.к. перекрестие окуляра является репером, т.е. задаёт первоначальное положение, относительно которого наблюдается смещение изображения щели. Для того чтобы измерить угол между двумя плоскостями, например, между гранями призм, гониометре имеется лимб (проградуированная круговая шкала) жёстко связанный с поворотным столиком, на который помещается призма.

Схема измерения углов призмы методом отражения


1 - зрительная труба, 2 - коллиматор, 3 - лимб, 4 - предметный столик, 5 – призма, N1, N2, N3- нормали к граням призмы, 12, 23, 13- углы призмы, 12,23,31- углы между нормалями к граням призмы.



Призму устанавливают таким образом, чтобы пучок света, идущий из коллиматора, отражаясь от одной из граней призмы, давал в перекрестии сетки окуляра изображение щели (Рис.7). Затем поворачивают столик вместе с призмой и лимбом так, чтобы получить изображение щели коллиматора при отражении света от второй грани призмы. Угол поворота столика при этом будет равен углу между нормалями к соответствующим граням призмы и легко может быть найден по формуле:

12 = / А1 – А2 / . (2)

где 12- угол поворота столика, А1,А2 - отсчёты по лимбу соответственно.

Легко показать, что угол между гранями призмы 12 связан с углом поворота столика 12 формулой

12= / 1800 -12 / (3)

Для определения углов призмы 23 и 13 необходимо пользоваться формулами аналогичными (2) и (3), при соответствующих значениях индексов.

Высокая точность измерения углов на гониометре обусловлена не только большим угловым увеличением зрительной трубы, но также качеством поворотной системы гониометра и возможностью снимать отсчёты по лимбу с такой же точностью, с которой можно регистрировать отклонения плоскости от фиксированного положения (1").
3.3. Автоколлимационный метод измерения углов призмы
Автоколлимационный метод представляет собой частный случай метода отражения, при котором угол между коллиматором и зрительной трубой равен нулю, вследствие чего ось автоколлиматора устанавливается при измерениях вдоль нормалей с гранями призмы (рис.8). Ясно, что формулы для вычисления углов призмы остаются прежними, т. е. (2) и (3).



Рис. 8.
N1,N2,N3- нормали к граням призмы, А1,A2,A3- отсчёты по лимбу, соответствующие положению автоколлиматора вдоль нормалей к граням призмы, 1 - призма, 2 - предметный столик, 3 - лимб, 4 -автоколлиматор.

3.4. Устройство гониометра
Гониометр состоит из массивного основания 24 (см. Рис. 9) с вертикальной колонкой 28 и коллиматором 3 и осевого устройства с алидадой 19,на которой расположена зрительная труба 14. Последнюю, вместе с алидадой, можно вращать вокруг вертикальной оси прибора вручную или микрометренным винтом 22 (после закрепления алидады зажимным винтом 23).
Зрительная труба и коллиматор имеют внутреннюю фокусировку, осуществляемую с помощью маховичков 4,13 и одинаковые объективы 7,10 с фокусным расстоянием 400,6 мм.

Смотрите также файлы