Файл: optics_quant_phys_chpi_mgou.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Чебоксарский политехнический институт (филиал)

В.А. Андреев, ф.Т. Денисов, с.М. Казаков, а.Н. Максимов, в.В. Самарин, г.М. Филиппов оптика и квантовая физика Учебное пособие для выполнения лабораторных работ Под редакцией с.М. Казакова

Рекомендовано Московским Физико-Техническим институтом (ГУ) к использованию в качестве учебного пособия в образовательных учреждениях, реализующих общеобразовательные программы ВПО по дисциплине "Физика" по направлению подготовки ВПО 651300 «Металлургия», специальности ВПО 150104 «Литейное производство черных и цветных металлов»; по направлению подготовки ВПО 653300 «Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования», специальности ВПО 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство»; по направлению подготовки ВПО 651900 «Автоматизация и управление», специальности ВПО 220201 «Управление и информатика в технических системах»; по направлению подготовки ВПО 653500 «Строительство», специальности ВПО 290300 - Промышленное и гражданское строительство.

Регистрационный номер рецензии 632 от 07.12.2009 г

Редакционно-из дательский отдел ЧПИ МГОУ ЧЕБОКСАРЫ 2010

УДК 53(075.8):535(075.8) ББК 223+73 О 62

Рецензенты:

Заведующий кафедрой теоретической и экспериментальной физики Чувашского государственного университета им. И.Н.Ульянова, д. ф.- м.н., профессор ТЕЛЕГИН Г.Г.

Заведующий кафедрой общей и теоретической физики Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева,

к.ф.-м.н., доцент КИТАЕВ А.И.

Оптика и квантовая физика:

О 62 учеб. пособие для выполнения лабораторных работ /Андреев В. А. и др.; под ред. С.М.Казакова - Чебоксары, ЧПИ МГОУ, 2010. - 150 с. ISBN 978-5-4246-0032-6

Учебное пособие составлено с учетом содержания курса общей физ ики, определенно­го Государственными образ овательными стандартами для технических специальностей ву­з ов. В учебном пособии рассмотрены вопросы теории тех разделов, которые вынесены на лабораторный практикум, приведены описания лабораторных работ, инструкции по их вы­полнению, даны рекомендации по исполь ованию информационных технологий при обра­ботке экспериментальных данных.

---

Для студентов технических специальностей вуз ов.

Ил. 94, табл. 41.

УДК 53(075.8):535(075.8)

ББК 22.3я73

Утверждено Методическим советом института.

ISBN 978-5-4246-0032-6

© Андреев В. А. 2010,

© Денисов Ф.Т. 2010,

© Казаков С.М. 2010,

© Максимов А.Н. 2010, © Самарин В.В., 2010,

© Филиппов Г.М., 2010, © Чебоксарский политехнический институт (филиал) МГОУ, 2010 © Оформление. ИП Сорокин А.В. Издательство «Новое время», 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОПТИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА 1

Учебное пособие для выполнения лабораторных работ Под редакцией С.М. Казакова 1

Г\<\2 Ч 21

± 1 ± 1=± 1=±ф . 23

н н 25

f 1 ^ 65

f 1 ^ 67

L. 89

::Ц 193

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее пособие является продолжением учебных пособий “Механика, молекулярная физика и основы термодинамики“ и “Электромагнетизм, колеба­ния и волны”, предназначенных для проведения лабораторных з анятий по кур­сам “Физика” и “Общая физика”. Дисциплина “Физика” является фундамен­тальной основой подготовки специалистов и бакалавров технических специ­альностей. В и учении фи ики ра делы “Оптика“ и “Квантовая фи ика” имеют особую важность - первый из-з а широкого распространения новых источников света, оптоволоконных линий свя и, оптических носителей информации и уст­ройств ее отображения. Второй раздел является фундаментом развития нано­технологий. Приведем в качестве примера основные элементы этих ра делов по Государственным обра овательным стандартам для двух специальностей:

1. Специальность 220201 «Управление и информатика в технических сис­темах» (направление 651900 «Автомати ация и управление»).

Оптика:отражение и преломление света, оптическое изображение, волновая оптика, принцип голографии, квантовая оптика, тепловое и лучение, фотоны;

2. Специальность 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» (на­правление 653300 «Эксплуатация наз емного транспорта и транспортного обо­рудования»).

Оптика: геометрическая оптика; волновая оптика; молекулярная оптика; действие света; люминесценция; фотометрия.

Квантовая физика: корпускулярно-волновой дуализм, принцип неопреде­ленности, квантовые состояния, принцип суперпозиции, квантовые уравнения движения, операторы физических величин, энергетический спектр атомов и молекул, природа химической свя и, квантовые оптические генераторы;

---

Историческое ра витие фи ики как экспериментальной науки и широкое практическое исполь ование достижений фи ики в современной технике и быту делает изучение физических явлений на лабораторных з анятиях очень важным. Виртуальные компьютерные модели не могут полностью аменить этого, хотя они и полезны для з акрепления изученного материала. В данном практикуме с этой целью предусмотрено исполь ование электронного учебника “Открытая физика”, разработанного ООО “Физикон”, www.physicon.ru, и распространяе­мого ЗАО “Новый диск”,www.nd.ru.

Значительная часть исполь уемых лабораторных установок включает в себя оптическую скамью. Оптическая скамья - это длинная прямолинейная станина специального сечения, на которой установлены рейтеры, способные свободно вдоль нее перемещаться или жестко з акрепляться. Рейтеры состоят из ра личных оптических устройств и держателей для крепления оптических дета­лей, узлов и приборов, которые расположены на одной оптической оси. В дан­ном лабораторном практикуме оптические скамьи используются для визуаль­ных и фотоэлектрических исследований оптических приборов и явлений. Авто­ры выражают благодарность Е.В.Белкину, Т.В.Ивановой и Н.А.Мальцеву за участие в разработке и монтаже лабораторного оборудования.

Рекомендации преподавателям

Рекомендуется выделять равное учебное время на выполнение и з ащиту работ. Перечень выполняемых заданий из плана каждой работы можно изме­нять в з ависимости от формы обучения и специальности. Теоретический мате­риал описаний лабораторных работ может служить кратким конспектом и до­полнением к лекциям по соответствующим темам.

Указания студентам

При подготовке к очередной работе сделайте в рабочей тетради з аготовку отчета. Без нее студенты к выполнению работы не допускаются. Начало отчета должно включать все элементы, указанные в начале описания каждой работы данного практикума:

• номер работы и название работы,

• цель работы,

• приборы и принадлежности,

• план работы.

Далее делаются записи в соответствии с планом. Из пунктов, посвящен­ных и учению ра делов фи ики и описанию работы лабораторных установок, выпишите исходную формулировку физического з акона и расчетную формулу, перечислите смысл входящих в них величин. Сделайте схематичный чертеж лабораторной установки, укажите на ней ход световых лучей. В указ анных пре­подавателем для выполнения пунктах, посвященных и мерению (определению и т.д.) физических величин, запишите параметры установки и начертите заго­товки таблиц. Места должно быть достаточно для возможных уточнений и ис­правлений.

---

На анятиях в фи ической лаборатории необходимо строго соблюдать требования охраны труда. Прежде чем польз оваться прибором, изучите его уст­ройство и правила пользования им. О неисправности прибора немедленно со­общите преподавателю или лаборанту.

При выполнении работы строго придерживайтесь намеченного хода ра­боты. Все указанные преподавателем задания выполняйте самостоятельно, от­четливо представляя цель каждого из них. Измерения и наблюдения проводите с максимальной тщательностью, ре ультаты и мерений сра у аносите в аго- товки таблиц в рабочей тетради. Будьте во всем предельно аккуратны. Бережно относитесь к оборудованию лабораторий, приборам, аппаратам. Будьте внима­тельны и доброжелательны к коллегам по работе, не со давайте лишнего шума и не нарушайте порядка в лаборатории. После з авершения измерений предъя­вите их результаты преподавателю для предварительной проверки. В случае обнаружения неточностей повторите и мерения и добейтесь удовлетворитель­ных результатов. Данные в отчете подписываются преподавателем. После за­вершения работы рабочее место приведите в порядок.

Для ускорения обработки результатов прямых измерений можно исполь- з овать калькулятор погрешностей [31], доступный на сайте ЧПИ МГОУ http://www.mgou.infanet.ru, далее на странице “Кафедра физики” в разделе “Ин­формация для студентов”, а также на компьютерах физических лабораторий. При обработке данных графики необходимо строить или на миллиметровой бумаге, или представлять в электронном виде с помощью одной из компьютер­ных программ научной графики. По осям абсцисс и ординат с ука анием еди­ниц и мерений откладывают в прои вольных масштабах начения, соответст­венно, независимой переменной и функции. Масштабы выбирают так, чтобы график занял весь лист. Согласно ГОСТу, деления осей допускается отмечать только числами, изменяющимися на единицу (0, 1, 2, ...), на двойку (0, 2, 4, ...), на пятерку (0, 5, 10,.), на степень десяти (0, 10, 20,. или 100, 200, 300,.). Пересечение координатных осей не обяз ательно должно совпадать с нулевыми значениямиx и у. По возможности, желательно указ ать абсолютные погреш­ности измеренийA x и А у в виде креста, чтобы найденная точка находилась в середине. Если точка отстоит далеко от графика (во можный промах), то, вы­явив большую погрешность, ее можно удалить. По отмеченным точкам строят наиболее гладкую кривую, проходящую в “коридоре” погрешностей. Если по­грешности не указ аны, то гладкая кривая не должна буквально проходить через каждую точку. Линию проводят так, чтобы она прошла как можно ближе к ним или между ними, оставляя по обе стороны от себя примерно равное число чере­дующихся (выше и ниже) точек.

---

В данном практикуме приведены примеры вычислений, статистической обработки данных и построения графиков с помощью свободных (freeware, не требующих лицен ий) программ, которые можно исполь овать в лаборатории и на любых доступных компьютерах, см. также [31]. Для з ащиты лабораторной работы з аранее подготовьте письменные ответы на контрольные вопросы с по­мощью основных учебников [1-4], дополнительной литературы [11] и теорети­ческого материала данного пособия.

1. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.1 ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА

Цель работы: изучение з акона преломления света и определение показ а- телей преломления прозрачной пластмассы и воды.

Приборы1и принадлежности: оптическая скамья, плоскопараллельная пластинка и про рачной пластмассы и сосуд с полукруглым сечением на пово­ротных столиках, полупроводниковый ла ер, пластиковая бутылка с водой, штангенциркуль, шкала.

Меры предосторожности: не смотреть в ла ерный пучок, не направлять прямой или отраженный луч ла ера на людей, находящихся в лаборатории. Сразу после з авершения из мерений лаз ер выключить.

Литература: [1, §165], [2-5].

План работы:

1. И учение преломления света.

2. Опытная проверка акона преломления света.

3. Определение пока ателя преломления воды по углу полного внутреннего отражения.

4. Измерение показателя преломления воды с помощью круглого прозрач­ного сосуда.

5. И учение преломления света и полного внутреннего отражения на ком­пьютерной модели.

1. Преломление света

При падении луча света на границу ра дела двух сред он частично отра­жается и преломляется. Согласно акону преломления света, экспериментально открытому в 1621 г. Снеллиусом¹, падающий луч, преломленный луч и перпен­дикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения, лежат в одной плоскости, а угол падения а и угол преломления в связ аны соотноше­нием (рис.1.1а)

ОПТИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА 1

Учебное пособие для выполнения лабораторных работ Под редакцией С.М. Казакова 1

Г\<\2 Ч 21

± 1 ± 1=± 1=±ф . 23

н н 25

f 1 ^ 65

f 1 ^ 67

L. 89

::Ц 193

где n₂₁ - относительный показатель преломления второй среды относительно первой,n₂ иn₁ - абсолютные пока атели преломления второй и первой сред. Для вакуума и для воз духа (приближенно)n=1, для оптически более плотных сред

---