Файл: Практикум по физике для студентов заочной формы обучения инженернотехнических специальностей.pdf

64
№ 1
2 3
4 5
t,c
Т, c
Т
1
=
6. Определение периода колебаний маятника Т
2
относительно другой призмы.
Число колебаний N=
№ 1
2 3
4 5
t, c
Т, c
Т
2
=
10. Сравнение периодов. Вывод.
11. Среднее значение периода колебаний: Т=
12. Абсолютная погрешность периода:

Т=
13. Измерение расстояния между опорными призмами:
L=

L=
14. Ускорение свободного падения:
g=
g =



g
g
100%=
Окончательный результат: g=
15. Выводы.

65
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № О3
ИЗУЧЕНИЕ ЗАТУХАЮЩИХ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
Цель
работы: ознакомиться с методом определения коэффициента затухания и логарифмического декремента затухания.
Приборы
и
принадлежности:
П-образный маятник, секундомер.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
Рис.1. П-образный маятник: 1 – стрелки, соединенные планкой; 2 – два шарика; 3 – столик; 4 - цилиндрическая стойка; 5 – основание; 6 – дужка; 7 – ручка, выводящая маятник из положения равновесия.
Маятник выполнен в виде двух стрелок (1), соединенных планкой, в которую вмонтированы два шарика (2). Шарики опираются на стальную плиту (столик) (3). Столик укреплен на цилиндрической стойке (4) с массивным основанием (5). Вертикальность стойки проверяется по отвесу, к стойке прикреплена шкала с нулевым делением в середине. Установка маятника против нуля шкалы осуществляется с помощью дужки (6). Для выведения маятника из положения равновесия и его пуска служит приспособление (7).
Маятник, выведенный из положения равновесия, совершает затухающие колебания. Пусть в момент начала наблюдения t = 0 амплитуда маятника равна А
0
, а через промежуток времени t

66 амплитуда будет
t
t
e
A
A



0
. Взяв логарифм отношения значений этих амплитуд, получаем:
t
e
A
A
A
A
t
t





0 0
0
ln ln
, откуда:
t
A
A
t
0
ln
1


(1)
Используя формулу логарифмического декремента затухания
T



, и определение периода
N
t
T 
, получим формулу для логарифмического коэффициента затухания:
t
A
A
N
0
ln
1


,
(2) где N – число полных колебаний, совершенных маятником за промежуток времени t.
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Положить на столик под планку маятника стеклянную пластинку.
2. Отклонить маятник на 5. Записать начальное значение амплитуды маятника А
0 3. Определить время t и число полных колебаний N маятника при уменьшении его начальной амплитуды в два раза.
4. Повторить опыт пять раз.
5. Вычислить для каждого опыта коэффициент затухания по формуле (1) и логарифмический коэффициент затухания по формуле (2).
6. Рассчитать среднее значение коэффициента затухания
N
i





и среднее значение логарифмического декремента
N
i





7. Положить под планку маятника деревянную пластинку. Проделать п.п.2-6 для деревянной пластинки.
8. Сравнить полученные результаты и сделать вывод.
III. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что называется колебаниями?
2. Какие колебания называются свободными?
3. Какие колебания называются затухающими?
Изобразить графически затухающие колебания S(t).

67 4. Какие силы действуют на колеблющееся тело в реальных условиях?
5. Записать уравнение затухающих колебаний, пояснить входящие в него величины, записать их размерность.
6. Написать закон изменения амплитуды затухающих колебаний, пояснить входящие в него величины, записать их размерность.
7. Дать определение времени релаксации .
8. Дать определение логарифмического декремента затухания .
Записать формулу , пояснить входящие в нее величины, записать их размерность.
9. Что называется добротностью колебательной системы Q? Записать формулу добротности, пояснить входящие в нее величины, записать их размерность.
10. Записать формулу частоты и периода затухающих колебаний.
Пояснить входящие величины.
IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Приборы и принадлежности.
4. Расчетные формулы: коэффициента затухания:

= логарифмический декремент:
=
5. Результаты измерений и вычислений для стеклянной пластинки:
А
0
=
А
t
=
№
t, c
N

, c
-1

1.
2.
3.
4.
5.

ст

=

ст
=

68 6. Результаты измерений и вычислений для деревянной пластинки:
А
0
=
А
t
=
№
t, c
N

, c
-1

1.
2.
3.
4.
5.

д

=

д

=
7. Выводы.

69
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № О4
ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ
БИПРИЗМЫ ФРЕНЕЛЯ
Цель работы: изучение явления интерференции света, ознакомление с одним из методов определения длины световой волны.
Приборы и принадлежности: рельс с ползунами; осветитель со светофильтром; блок, содержащий щель и бипризму Френеля; линза; отсчётный микроскоп; масштабная линейка.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
На рельсе (рис.1) друг за другом расположены осветитель 1, светофильтр 2, регулируемая по ширине щель 3, бипризма 4, линза 5, отсчётный микроскоп 6. Все детали смонтированы на ползунах.
Предусмотрена возможность перемещения деталей в вертикальном и горизонтальном направлениях и закрепление их в требуемом положении.
Рис.1. Оптическая схема установки: 1 - осветитель; 2 – светофильтр; 3 - регулируемая по ширине щель; 4 - бипризма Френеля; 5 - линза; 6 - отсчётный микроскоп.
Бипризма Френеля представляет собой две сложенные основаниями призмы с малыми преломляющими углами. В результате преломления света, исходящего из узкой щели, параллельной ребру тупого угла бипризмы, образуются две цилиндрические волны, как бы исходящие из мнимых источников 1 и 2 (рис.2), колебания в которых происходят синфазно.
Преломленные пучки частично перекрываются в области, называемой полем интерференции. Во всей этой области наблюдается чередование мест с максимальной и минимальной интенсивностью

70 света. Интерференционная картина наблюдается при помощи отсчетного микроскопа.
Рис.2. Ход лучей в бипризме Френеля: 1 и 2 – мнимые источники света; Б - бипризма Френеля.
Рис.3. Определение расстояния между мнимыми источниками света:
1 и 2 – мнимые когерентные источники света;
'
1
и '
2
– их изображения; Л- линза.
Определение расстояния d между мнимыми источниками света производится при помощи линзы. Её помещают между бипризмой и микроскопом (рис.3) так, чтобы получились действительные изображения источников 1 и 2. Из рисунка 3 следует, что
d=
d
b
a

,
(1) где а – расстояние от главной плоскости линзы до плоскости мнимых источников света; в - расстояние от главной плоскости линзы до плоскости их действительных изображений;
d 
– расстояние между действительными изображениями мнимых источников.
Воспользуемся формулой ширины интерференционной полосы:


71

d
l
z 
,
(2) где l – расстояние от источников света до экрана; d – расстояние между источниками света;

- длина волны.
Используя выражения (1) и (2), получим формулу для определения длины световой волны:
lв
zad '


(3)
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Расположить все приборы, за исключением линзы 5, в порядке, указанном на рис.1. Блок, содержащий щель и бипризму, закрепить вблизи осветителя, а ползун отсчётного микроскопа – на конце рельса.
2. Включить осветитель и произвести наладку установки так, чтобы в поле зрения микроскопа была видна интерференционная картина
(если самим получить отчетливую картину не удается, обратитесь к лаборанту).
3. Записать, пользуясь шкалой окуляра микроскопа, каким делениям шкалы
1
N
и
2
N
соответствуют середины крайних левой и правой темных полос и вычислить среднее значение ширины интерференционной полосы:
k
N
N
z
1 2


, где k – общее число светлых полос между крайними темными полосами.
4. Рассчитать абсолютную погрешность ширины интерференционной полосы по формуле:
2 2
2 1
N
N
z





, где
1
N

,
2
N

погрешность шкалы микроскопа.
5. Поместить между бипризмой и микроскопом собирающую линзу и, перемещая её вдоль рельса, получить в поле зрения микроскопа отчетливые изображения мнимых источников света. Пользуясь окулярной шкалой, определить расстояние '
d
между этими изображениями. Абсолютную погрешность расстояния '
d

взять по шкале микроскопа.
6. Измерить, не сдвигая линзы, расстояние а от главной плоскости линзы (её положение указано черточкой на оправе линзы) до щели и расстояние в от главной плоскости линзы до экрана микроскопа
(отчетливое изображение наблюдается лишь в том случае, если

72 рассматриваемый объект находится в плоскости отверстия экрана). Рассчитать абсолютные погрешности а и в по прибору.
7. Измерить при помощи масштабной линейки расстояние l от щели до экрана микроскопа. Определить абсолютную погрешность l по прибору.
8. Произвести расчёт длины волны по формуле (3). Рассчитать ее абсолютную погрешность:
2 2
2 2
2















 






 






 






 



d
d
l
l
в
в
a
a
z
z


и относительную погрешность:



100%.
Записать окончательный результат:










м.
III. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что называется оптическим излучением?
2. Что называется длиной волны?
3. Записать уравнение плоской монохроматической волны и пояснить входящие в него физические величины.
4. Как формулируется принцип суперпозиции волн?
5. Какова связь между оптической и геометрической длинами пути между двумя точками?
6. Какова связь между длинами волны в вакууме и среде с абсолютным показателем преломления n?
7. Что называется интерференцией света?
8. Что называется интерференционной полосой?
9. Какому условию должна удовлетворять разность фаз интерферирующих лучей для наблюдения в данной точке минимума интенсивности света, максимума интенсивности света?
10. Какому условию должна удовлетворять разность хода интерферирующих лучей для наблюдения в данной точке минимума интенсивности света, максимума интенсивности света?
IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
1. Титульный лист.
2. Цель работы.
3. Приборы и принадлежности.
4. Расчётные формулы:

73 длина волны:

=



ширина интерференционной полосы:
z=

z=
5. Результаты наблюдений:
1
N
=
1
N

=
2
N
=
2
N

=
k= d=

d=
'
'
d
d

=
a=

a=
a
a

=
b=

b=
b
b

=
l=

l=
l
l

=
6. Результаты вычислений:
Ширина интерференционной полосы: z=

z=
z
z

100%=
Длина волны ____________________ света:
(цвет)
<

>=








100%=
Окончательный результат:

=
7. Выводы.

74

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № О5
ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА МЕТОДОМ ЮНГА
Цель работы: изучение интерференции света, ознакомление с одним из способов получения когерентных источников света.
Приборы и принадлежности: рельс с ползунами; лазер; пластинка с двумя щелями; отсчетный микроскоп; масштабная линейка.
I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ
В методе Юнга (рис.1) источниками когерентных волн являются две узкие щели 1 и 2 в непрозрачной пластине. Обычно первичным источником света служит ярко освещенная щель, которая параллельна щелям 1 и 2 и находится от них на одинаковых расстояниях. Но при использовании лазерного пучка света опыт Юнга можно осуществить без этой щели.
Рис.1. Получение когерентных источников света по методу Юнга: 1 и
2 – щели в непрозрачном экране.
Расположение приборов показано на рис.2. Лазер 1 и отсчетный микроскоп 5 установлены в ползунах, которые могут перемещаться вдоль рельса. Пластинка 2 с двумя щелями укреплена в крышке лазера перед его выходным отверстием. Микроскоп сфокусирован на плоскость отверстия в экране 4. Перед экраном укреплен поляроид 3, вращая который можно уменьшить освещенность поля зрения микроскопа, ибо излучение лазера является линейно-поляризованным.
Расстояние l между плоскостью щелей Юнга и экраном микроскопа измеряется при помощи масштабной линейки.

75
Воспользуемся формулой расчета ширины интерференционной полосы:

d
l
z 
, где

- длина световой волны, d – расстояние между источниками, l – расстояние между источниками и экраном.
Рассчитаем длину световой волны:
l
zd


(1)
Рис.2. Схема установки: 1 – газовый лазер; 2 - пластинка с двумя щелями; 3 - поляроид; 4 - экран отсчетного микроскопа; 5 – микроскоп.
II. ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Расположить приборы в порядке, указанном на рис.2, так, чтобы они имели общую оптическую ось.
2. Включить лазер и произвести наладку установки так, чтобы в поле зрения микроскопа наблюдать интерференционную картину (если самим получить интерференционную картину не удается, обратитесь к лаборанту).
3. Отфокусировать микроскоп по своему глазу, перемещая окуляр.
Записать , пользуясь шкалой окуляра микроскопа, каким делениям шкалы N
1
и N
2
соответствуют середины крайних левой и правой темных полос.
Вычислить среднее значение ширины интерференционной полосы по формуле:
k
N
N
z
1 2


, где k – общее число светлых полос между крайними темными.
4. Рассчитать абсолютную погрешность ширины интерференционной полосы по формуле:
2 2
2 1
N
N
z





, где
1
N

=
2
N

погрешность шкалы микроскопа.