WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 

Pages:     | 1 || 3 |

«УТВЕРЖДАЮ Декан физико-технического факультета Б.Б. Педько 2012 г. Учебно-методический комплекс по дисциплине ОБЩИЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ. ОПТИКА для студентов 2 курса ...»

-- [ Страница 2 ] --

5. Способы реализации когерентных источников. Кольца Ньютона начертить ход лучей, дающих кольца Ньютона в отраженном свете.

6. Последовательность операций при выполнении работы.

1. Ландсберг Г.С. Оптика, М.,1976.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т. II, М.,

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ

Цель работы: Определение постоянной дифракционной решетки и длины волны по непосредственному измерению угла дифракции на гониометреспектрометре. Определение угловой дисперсии решетки.

Приборы и принадлежности: гониометр, источник линейчатого спектра (ртутная лампа), дифракционная решетка.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

При распространении электромагнитных волн (а также волн любой природы) в однородной среде геометрическая форма фронта волны не испытывает изменения.

Если же волна распространяется в неоднородной среде, в которой могут находиться непрозрачные препятствия или области с резким изменением показателя преломления, фронт волны искажается и происходит перераспределение интенсивности в пространстве. В таких условиях возникает явление, получившее название дифракции. Вообще же под дифракцией понимается любое отклонение света от прямолинейного распространения, если только оно не может быть объяснено как отражение или преломление.

Наиболее отчетливые дифракционные эффекты возникают при распространении света вблизи непрозрачных препятствий, хотя дифракция происходит и на прозрачных объектах. Дифракция наблюдается всегда, когда изменение амплитуды или фазы не одинаково на всей поверхности волнового фронта. Поэтому она возникает при любом – амплитудном или фазовом – локальном нарушении волнового фронта.

В экспериментах световые пучки ограничены диаметрами отверстий и, следовательно, в известной мере дифракция происходит во всех оптических приборах. Дифракционные эффекты часто маскируются несовершенством оптических изображений, обусловленным аберрациями линз, а также другими Только в тех случаях, когда все другие эффекты уменьшены, дифракция приобретает первенствующее значение. Тогда именно она определяет возможности оптических приборов и точности некоторых измерений.





В оптике условно различают два вида дифракции: дифракцию Френеля и дифракцию Фраунгофера.

Дифракция Френеля (дифракция сферических волн) является более общим случаем по сравнению с дифракцией Фраунгофера (дифракция в параллельных лучах, т.е. плоских волн). Хотя дифракция Фраунгофера – это частный случай, в оптике она имеет большую практическую ценность для общей теории оптических и спектральных приборов.

Полный анализ процесса распространения световых волн при наличии препятствий требует решения волновых дифференциальных уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла). Однако для понимания механизма дифракционных явлений и их приближенного расчета нет необходимости приводить полные волновые уравнения и их точные решения.

Природа и основные качественные закономерности дифракции могут быть установлены с помощью принципа Гюйгенса-Френеля. Согласно этому принципу каждую точку волнового фронта можно считать центром вторичных сферических волн, а волновой фронт в любой последующий момент времени – огибающей этих волн. Все вторичные волны имеют одинаковую частоту и одинаковую фазу и, следовательно, представляют собой совокупность когерентных источников, волны от которых интерферируют друг с другом. Благодаря этому огибающая вторичных волн, введенная Гюйгенсом чисто формально, приобрела физическое содержание как поверхность, где благодаря взаимной интерференции вторичных волн результирующая волна имеет максимальную интенсивность. Таким образом, принцип Гюйгенса-Френеля, являясь основным в волновой оптике, позволяет определять интенсивность результирующей волны в разных направлениях, т.е.

решать задачи о дифракции света.

и угла между r и нормалью n к поверхности. Так как фазы элементарных вторичных волн от всех элементов dS определяются волной, пришедшей из L, то они являются когерентными и вторичные сферические волны, идущие от dS, будут интерферировать между собой. Их действие в каждой точке может быть оценено как интерференционный эффект и, значит, идея Гюйгенса о роли огибающей перестает быть допущением, а становится лишь следствием законов интерференции. Согласно Френелю, выбор вспомогательной поверхности S вполне произвольный и поэтому для каждой конкретной задачи ее следует выбирать наиболее удобным способом. Если поверхность S представляет собой сферу с центром L, все элементы dS будут иметь одинаковую фазу. Если же поверхность S выбрана иным способом, фазы dS не одинаковы, а сами элементы остаются когерентными.

В тех случаях, когда между источником L и точкой наблюдения В находятся непрозрачные экраны с отверстиями, необходимо учесть действие этих экранов. Вспомогательная поверхность выбирается так, чтобы она всюду совпадала с плоскостью экрана, а отверстие в нем заполняем таким способом, который удобен для решения данной задачи. На поверхности экрана амплитуды колебаний от элементов dS считаются равными нулю, а на поверхности, проходящей через отверстие экрана они выбираются так, как если бы экрана не было, т.е. предполагается, что материал непрозрачного экрана не играет роли.

Вычисляя результаты интерференции вторичных волн, посылаемых элементами dS, находим значение интенсивности в любой точке за экраном.





Суммирование действий всех элементов является задачей интегрального исчисления, которая может быть очень сложной. Френель разработал два метода суммирования: первый – геометрический, применяемый к задачам осевой симметрии (метод зон Френеля); второй – общий аналитический, использующий так называемые интегралы Френеля, особенно полезный для решения задач о дифракции на крае экрана, прямоугольной щели и т.д.

Дифракция Фраунгофера на прямоугольной щели Условия, близкие к условиям Фраунгофера, можно осуществить, поместив точечный источник света в фокусе линзы и собрав свет при помощи второй линзы в некоторой точке экрана, расположенного в ее фокальной плоскости.

Эта точка является изображением источника. Помещая между линзами экраны с различными отверстиями, будем менять характер дифракционной картины. В зависимости от формы и размеров отверстий часть света пойдет по тем или иным направлениям и будет собираться в различных точках экрана наблюдения. В результате изображение на экране имеет вид пятна, освещенность которого изменяется от точки к точке.

Схема наблюдения дифракции Фраунгофера приведена на рис.2. Излучение от точечного источника L превращается линзой О1 в плоскую волну, которая проходит через отверстие в непрозрачном экране. Линза собирает в различных участках своей фокальной плоскости все лучи, прошедшие через отверстие, в том числе и лучи, отклонившиеся от начального направления в результате дифракции. Исследуя распределение освещенности в фокальной плоскости линзы О2, можно определить видность дифракционной картины.

Рассмотрим один из наиболее важных случаев, когда отверстие имеет форму бесконечно длинной прямоугольной щели (т.е. прямоугольного отверстия, длина которого намного больше, чем его ширина. Например, при ширине щели в 0.01-0.02 мм длина в несколько миллиметров может считаться бесконечной).

Пусть на бесконечно длинную прямоугольную щель шириной b падает плоская световая волна (рис.3).

Рис.3. Дифракция волн на одной щели За щелью помещена линза, а в ее фокальной плоскости экран наблюдения NN‘. При прямолинейном распространении света в фокальной плоскости линзы получилась бы бесконечно узкая светлая полоса. В действительности же каждая точка волнового фронта, достигающего щели, является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны. Лучи, идущие под некоторым углом к первоначальному направлению, соберутся в фокальной плоскости линзы в точке В.

Для расчета амплитуды колебаний в точке В разобьем открытую часть волновой поверхности на зоны в виде узких полосок одинаковой ширины, параллельных краям щели. Каждая из этих зон должна рассматриваться как источник волн, приходящих в точку В, причем фазы волн от соседних зон отличаются на одинаковую величину, так как при нормальном падении света плоскость щели совпадает с поверхностью волны. Амплитуды элементарных волн будут одинаковы, поскольку зоны имеют равные площади и одинаково наклонены к направлению наблюдения.

Эти два обстоятельства – равенство амплитуд и равновеликое изменение фаз от зоны к зоне упрощает решение рассматриваемой задачи аналитическим способом.

Разобьем открытую часть волновой поверхности на элементарные зоны шириной dx. Амплитуда колебаний dE, возбуждаемых зоной dx в любой точке экрана, может быть представлена в виде где с – коэффициент пропорциональности, не зависящий от угла.

Обозначим алгебраическую сумму амплитуд колебаний, посылаемых в некоторую точку экрана всеми зонами через Е0. Ее можно найти, проинтегрировав dE по всей щели:

Отсюда коэффициент c и, следовательно, световое возмущение Чтобы найти действие всей щели в направлении, определяемом углом (угол дифракции) с направлением падающей волны, необходимо учесть разность фаз, характеризующую волны, доходящие от различных зон до точки наблюдения В. Для этого проведем плоскость АD, перпендикулярную к направлению дифрагируемых лучей (волновой фронт волн, дифрагируемых в направлении, определяемом углом ). Распределение фаз, которое будет иметь место на этой плоскости, определяет соотношение фаз элементарных волн, доходящих до В, поскольку линза не вносит дополнительной разности фаз.

Таким образом, достаточно установить разность хода, возникающую на пути от плоскости АС до плоскости AD. Из рис.3 видно, что разность хода между волнами, идущими от элементарной зоны, примыкающей к точке А (левый край зоны), и какой-либо точки F, лежащей на расстоянии x от точки А, равна Тогда световое возмущение в точках плоскости AD будет иметь вид Результирующее возмущение, создаваемое в точке В всем открытым участком волновой поверхности, выразится интегралом по всей ширине щели, т.е. по всем значениям x от 0 до b.

Модуль выражения, стоящего перед косинусом, дает амплитуду Е0, результирующей волны в точке В :

Исследуем выражение (1). Для точки, лежащей в середине щели (против формулу (1), получаем То есть при =0 волны от всех элементарных зон приходят в точку В в одинаковой фазе. Поэтому амплитуда результирующей волны равна алгебраической сумме амплитуд складываемых волн.

т.е. в случае, если амплитуда Е обращается в ноль. Таким образом, условие (2) определяет положение минимумов интенсивности. Заметим, что первый минимум будет Между минимумами расположены вторичные максимумы интенсивности, значительно уступающие по величине центральному максимуму. Эти максимумы появляются при значениях, удовлетворяющих условиям:

Следовательно, где I0 – интенсивность света в середине дифракционной картины (I=E02); I интенсивность в точке, положение которой определяется данным значениям угла.

График функции (3) изображен на рис. Количество минимумов зависит от отношения ширины щели b и длины волны. Величина вторичных максимумов быстро убывает. Если принять I0=1, а интенсивности вторичных максимумов обозначить I1, I2, I3,…то Таким образом, хотя световой поток сконцентрирован в пределах, определяемых значениями sin (центральный максимум), некоторая часть его будет распространяться в направлении первых (около 5% энергии) и вторых (около 2% энергии) максимумов и т.д.

Из полученных соотношений ясно, что положение максимумов и минимумов зависит от длины. Поэтому описанный вид дифракционной картины имеет место только для монохроматического света. При белом свете наблюдается совокупность картин для разных цветов, сдвинутых одна относительно другой в соответствии с различием в. Центральный максимум ( =0) будет общим для всех длин волн, так что центр дифракционной картины представится в виде белой полосы, слева и справа которой расположатся цветные полосы.

В случае прохождения света через две одинаковые параллельные щели картина оказывается более сложной, поскольку здесь необходимо учитывать взаимную интерференцию волн, идущих от первой и второй щелей.

Схема дифракции на двух щелях изображена на рис.5.

На две параллельные бесконечно длинные щели шириной b, разделенные непрозрачным промежутком a, так что a+b=d, падает нормально плоская волна.

Очевидно, что минимумы, наблюдаемые в дифракционной картине от одной щели, не изменяют своего положения и при дифракции на двух щелях, так как те места, в направлении которых ни одна из щелей не посылает света, не получает его и при двух щелях. Однако в результате взаимной интерференции от двух щелей в дифракционной картине возникнут дополнительные максимумы и минимумы. Действительно, разность хода CD между начальными точками обеих щелей (точки А и С на рис.5) равна:

CD=ACsin =dsin, где – угол дифракции.

Если разность хода dsin =m, где m=1,2,3,…, возникают максимумы, т.е.

действие одной щели усиливает действие другой. Эти максимумы называются главными. Когда dsin =(m+1) /2, получаются добавочные минимумы, т.е.

волны, посылаемые двумя щелями, взаимно гасят друг друга.

Таким образом, полная картина при дифракции на двух щелях определяется из условий Добавочные минимумы dsin = /2, 3 /2, 5 /2,….

Главные максимумы dsin =, 2, 3,….

Из этих условий следует, что при дифракции света на двух щелях в распределении интенсивности появляются существенные изменения: между двумя главными максимумами возникает один добавочный минимум.

Расстояние между первичными минимумами зависит от ширины щели b, а расстояние между добавочными минимумами – от соотношения между b и d.

Так как при дифракции на одной щели центральный максимум гораздо интенсивнее вторичных, при двух одинаковых щелях почти весь свет сосредоточен в области центрального максимума, т.е. в пределах sin.

Распределение интенсивности при дифракции монохроматической волны на двух щелях в пределах центрального максимума дано на рис.6.

Дифракция на двух щелях, представляющая собой переход к дифракционной решетке, имеет и самостоятельное значение. В частности, известный интерференционный опыт Юнга является дифракцией на двух щелях. Этот случай был использован Рэлеем для построения дифракционного рефрактометра, в котором два интерферирующих луча получаются в результате дифракции на двух щелях.

Совокупность одинаковых дифракционных элементов, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, образует дифракционную решетку.

Рассмотрим дифракционную решетку, в которой дифракционными элементами являются параллельные щели шириной b, разделенные непрозрачными промежутками шириной а. Величину a+b=d принято называть периодом, или постоянной решетки.

Пусть на такую решетку, состоящую из N щелей, нормально падает плоская монохроматическая волна. Требуется найти интенсивность света, распространяющегося в направлении, составляющим угол с нормалью к плоскости, где лежат все N щелей (рис.7).

По аналогии с дифракцией на двух щелях заметим, что дифракционная картина от каждой из N щелей (описываемая графиком на рис.4) придется на одно и то же место экрана. Поэтому если бы элементарные волны, приходящие в точку наблюдения от различных щелей, были некогерентными, результирующая дифракционная картина от N щелей отличалась бы от картины, создаваемой одной щелью, лишь тем, что все интенсивности возросли в N раз. Однако волны, идущие от щелей, являются когерентными, поэтому необходимо учитывать интерференцию между ними.

Как видно из рис.7, разность хода между лучами от двух соседних щелей равна Лучи, идущие от отдельных щелей в направлении угла, обладают одинаковой интенсивностью и разность хода между ними согласно (4) постоянна. В результате интерференции получим распределение интенсивности, соответствующее случаю интерфереции многих световых пучков.

При интерференции большого числа световых пучков возникает ряд главных максимумов одинаковой интенсивности при разности хода m, где m=1,2,3,…Из соотношения (4) следует, что максимумы появляются при значениях угла, удовлетворяющих условию Если число щелей в решетке равно N, между главными максимумами расположится N-1 минимумов. Эти минимумы лежат при где m=1,2,3…., кроме m=N, 2N, 3N,…., когда условие минимумов (6) переходит в условие максимумов (5). Эти минимумы называют добавочными, в отличие от минимумов, получающихся при дифракции на одной щели, которые удовлетворяют условию где m=1,2,3,…..

Таким образом, полная картина при дифракции на N щелях определится из условий:

Главные максимумы dsin =0,, 2,… Между добавочными минимумами расположены слабые вторичные максимумы. Число таких максимумов, приходящихся на промежуток между соседними главными максимумами, равно N-2. Интенсивность их составляет менее 1/20 интенсивности ближайшего главного максимума.

Не рассматривая аналитически дифракцию на N щелях, запишем конечный результат, передающий распределение амплитуды в зависимости от угла :

направлении =0.

Интенсивность, пропорциональная квадрату амплитуды равна – распределение интенсивности в результате дифракции плоской от всех щелей; I0 – интенсивность света в направлении =0, т.е. интенсивность недифрагировавшего света.

Анализируя формулу (1), можно показать, что интенсивность света в результате дифракции на системе из N щелей возрастает не в N раз по сравнению с интенсивностью света, прошедшего через каждую щель, а в N раз. Если бы N щелей были расположены хаотически, интерференционный эффект был бы равен нулю и суммарная интенсивность была бы пропорциональна числу щелей.

т.е. с увеличением порядка дифракции интенсивность соответствующего центрального максимума уменьшается.

Рассмотрение действия дифракционной решетки показывает, что при большом числе щелей свет, прошедший через решетку, собирается в отдельных узких участках экрана. Положение максимумов этих участков, определяемое формулой dsin = m, зависит от длины волны. Если для освещения решетки использовать белый свет, направления на максимумы с m 0 для различных волн будут отвечать разным углам, т.е. наблюдается разложение белого света в спектр. Число m, соответствующее данному спектру, называется порядком спектра. Чем меньше длина волны, тем меньшему значению угла соответствует положение максимума. Таким образом, белый свет растягивается в спектр так, что внутренним краем его являются фиолетовые, а наружным – красные лучи. Значение m=0 определяет максимум по направлению =0 для всех значений длин волн, поэтому в данном направлении (направлении первичного пучка) собираются лучи всех, т.е. нулевой спектр представляет собой белое изображение источника.

Спектры первого, второго и других порядков располагаются симметрично относительно спектра нулевого порядка. Расстояние между соответствующими линиями спектров возрастает по мере возрастания порядка спектров.

Важными характеристиками дифракционной решетки являются угловая дисперсия, область свободной дисперсии и разрешающая способность.

Угловой дисперсией называют угловое расстояние между близко расположенными линиями на единицу длины волны, т.е. производную : чем больше угловая дисперсия, тем больше расстояние в спектре между двумя спектральными линиями с фиксированными длинами волн. Дифференцируя формулу (5), найдем Так как угловая дисперсия D возрастает с уменьшением d, то понятно стремление изготовлять дифракционные решетки с большим числом штрихов на 1 мм.

Областью свободной дисперсии дифракционной решетки называют интервал длин волн = 1- 2, в котором спектр данного порядка не перекрывается спектрами соседних порядков. Область дисперсии определяется из соотношения откуда. Если спектры соседних порядков перекрываются, то спектральный аппарат становится непригодным для исследования соответствующего участка спектра.

Разрешающая способность дифракционной решетки (количественная оценка возможности прибора сделать две близко расположенные линии раздельно видимыми) определяется соотношением R, где -минимальная разность длин волн спектральных линий, которые еще можно видеть раздельно в спектре. Разрешающая способность решетки зависит от общего числа штрихов: R=m N (m- порядок спектра).

Рассмотренная нами решетка носит название амплитудной, так как при прохождении света через решетку, состоящую из чередующихся прозрачных и непрозрачных полосок, возникает периодическое изменение амплитуды падающей волны в направлении, перпендикулярном к щелям решетки. Для таких решеток распределение интенсивности I m ~, т.е. значительная часть энергии сосредоточена в спектре нулевого порядка и быстро убывает по мере Практически можно изменить распределение энергии по спектрам, вводя дополнительную разность хода в пределах каждого штриха решетки. С этой целью решетку гравируют так, что каждый штрих имеет определенный профиль, благодаря чему при прохождении (или отражении) света возникает добавочная разность хода от одного края штриха до другого. Подбирая профиль штриха, можно сконцентрировать энергию в спектре того или иного порядка, ослабляя остальные, в том числе и спектр нулевого порядка. Такие решетки называют фазовыми дифракционными решетками (рис.8).

Решетки в видимой области спектра имеют от 100 до 2400 штрихов на 1мм.

Гониометр ГС5 состоит из следующих основных частей (рис.1):

коллиматора 3, столика 7, алидады 17 со зрительной трубой 12, которые крепятся на массивном основании 23. на массивном основании 23. На столике размещаются исследуемые предметы (в нашей работе дифракционная решетка).

Наклон столика относительно вертикальной оси регулируется винтами 8.

Коллиматор служит для получения параллельного пучка лучей. Он состоит из объектива 5 и щели 1, ширина которой регулируется микрометрическим винтом 2. Коллиматор крепится неподвижно на основании гониометра.

Зрительная труба состоит из объектива 9 и окуляра 14. Фокусировка трубы производится винтом 11. Наклон коллиматора и зрительной трубы к горизонтальной оси изменяется винтами 6 и 10 соответственно.

Важнейшим узлом гониометра является устройство, служащее для отсчета угла поворота зрительной трубы вокруг вертикальной оси, проходящей через центр столика. На этой оси крепится прозрачное кольцо (лимб), расположенное в корпусе прибора. На поверхности лимба нанесена шкала с делениями. Лимб разделен на 1080 делений. Цена деления 20‘. Оцифровка делений произведена через 10. Шкалу лимба можно наблюдать через окуляр отсчетного устройства 16 при включенном освещении прибора. Резкость изображения шкалы микрометра 1‘‘.

Поле зрения отсчетного микроскопа приведено на рис.2.

На горизонтальной шкале видны индекс отсчета 1, прямое изображение лимба (вверху горизонтальной шкалы) и обратное изображение лимба (нижняя часть шкалы).

На вертикальной шкале наблюдаются деления шкалы оптического микрометра и горизонтальный индекс для отсчета минут и секунд.

Рис. Порядок измерения углового положения спектральных линий Вращая алидаду рукой, привести в поле зрения окуляра зрительной трубы спектральную линию, для которой производится измерение.

Закрепить алидаду винтом 24 (рис.1).

Ручкой фокусировки зрительной трубы сфокусировать линию.

Микроскопическим винтом 25 алидады точно совместить линию спектра с вертикальной линией креста окуляра.

Повернуть маховичок 18 настолько, чтобы верхние и нижние штрихи лимба точно совместились (как показано на рис.2).

ВНИМАНИЕ! Во избежание порчи оптического микрометра нельзя прикладывать к маховичку 18 большого усилия.

Целое число градусов будет равно видимой ближайшей левой от вертикального индекса цифре (на рис. 2 это 950).

Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между штрихом, который соответствует отсчитанному числу градусов (950), и нижним оцифрованным штрихом, отличающимся от верхнего на 1800 (2750). На рис. число интервалов – три, т.е. 3 десятка, или 30 минут.

Единицы минут и секунды отсчитываются по вертикальной шкале 5.

Единицы минут отсчитываются по левому вертикальному ряду чисел. Первый сверху от индекса оцифрованный штрих показывает десятки секунд (на рис. Число единиц секунд равно числу делений между штрихом, соответствующим отсчету десятков секунд, и индексом ( в нашем примере 7 ).

Положение, показанное на рис.2, соответствует отсчету – 95031‘47.

Включить ртутную лампу (включает лаборант или преподаватель).

Установить дифракционную решетку на предметный столик.

Вращая алидаду, добиться совмещения оптических осей коллиматора и зрительной трубы. В окуляре зрительной трубы при этом появится нулевой порядок спектра ртути (окрашенная по краям белая линия). Оптимальная ширина щели уже установлена.

Вращая алидаду рукой влево, убедиться, что видны все линии спектра ртути 1 и 2 порядков (фиолетовая, зелено-голубая, зеленая, желтая первая и желтая вторая). Аналогичные действия выполнить при вращении алидады вправо от нулевого порядка.

Задание 1: Измерение углов дифракции.

Измерить угловое положение всех спектральных линий первого и второго порядков спектра слева и справа от нулевого положения, начиная от желтой линии второго порядка справа (или слева) до желтой линии второго порядка слева (или справа).

Данные записать в таблицу. Значения углов дифракции расчитать по формуле 1-го 2-го Задание 2: Определение постоянной дифракционной решетки.

По найденным значениям углов дифракции для зеленой линии 1 и порядков расчитать постоянную решетки:

Задание 3: Определение длины световой волны.

По найденным значениям углов дифракции для остальных линий первого и второго порядков расчитать длины волн соответствующих линий по формуле (5). Значение постоянной дифракционной решетки взять из задания 1.

Задание 4: Вычисление угловой дисперсии решетки.

Дисперсия D характеризует угловое расстояние между близкими спектральными линиями на единицу длины волны:

Дифференцируя обе части (5), получим Дисперсия возрастает в увеличением порядка спектра.

На опыте дисперсию решетки определяют путем измерения углового расстояния между двумя близкими спектральными линиями с известной разностью длин волн (например, между желтыми линиями):

Сравнить значения D для первого и второго порядков.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Содержание принципа Гюйгенса-Френеля.

2.Дифракция Френеля и дифракция Фраунгофера.

3.Дифракционная решетка. Дифракция монохроматических волн на решетке.

Условие главных максимумов – вывод формулы. Распределение интенсивности на экране при дифракции на прямоугольной щели. Условие максимумов и минимумов интенсивности.

4.Распределение интенсивности на экране при дифракции световых волн на решетке.

5.Дифракционная решетка как спектральный прибор. Дисперсия и разрешающая способность решетки. Особенности дифракционного спектра.

6. Измерение углов дифракции. Основные узлы гониометра.

7. Типы дифракционных решеток.

Ландсберг Г.С. Оптика. М., Наука, 1976.

Калитeeвский Н.И. Волновая оптика. М., Наука, 1971.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №

ЕСТЕСТВЕННЫЙ И ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ СВЕТ

Приборы и принадлежности: осветитель, черное зеркало, стопа Столетова, исландский шпат, призма Николя, прибор Норренберга.

Цель работы: изучить методы получения линейно поляризованного света и поляризационные приспособления, проверить закон Малюса.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Световые волны поперечны: электрический вектор E и магнитный вектор H (или B ) волны взаимно перпендикулярны и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны – вектору скорости v.

На рис. 1 представлена моментальная фотография плоской монохроматической волны, распространяющейся в направлении оси x. Во всякой данной точке пространства ориентация пары векторов E и H в плоскости, перпендикулярной вектору v, может изменяться со временем. В зависимости от характера такого изменения различают естественный и поляризованный свет. Далее, говоря о направлении световых колебаний, будем подразумеваться направление колебаний электрического вектора E.

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся (10-10-10-8с) элементарных источников (атомов или молекул), испускающих свет независимо друг от друга, с разными фазами и с разными ориентациями вектора E. Ориентация вектора E в результирующей волне поэтому хаотически изменяется во времени, так, что в плоскости, перпендикулярной вектору v, все направления оказываются в среднем равноправными. Такой свет называется естественным или неполяризованным.

направлением световых колебаний. При помощи специальных приспособлений (поляризаторов), естественный свет может быть превращен в линейно поляризованный (плоскополяризованный). В линейно поляризованном свете колебаниявектора E (вектора H ) происходят в одном направлении, т.е. пара векторов E и H не изменяет с течением времени своей ориентации.

Наиболее общим типом поляризации является эллиптическая поляризация. При этом конец вектора E ( в данной точке пространства) описывает некоторый эллипс. Линейно поляризованный свет можно рассматривать как частный случай эллиптически поляризованного света (эллипс поляризации вырождается в отрезок). В данной работе будет изучаться линейная поляризация.

Частично поляризованный свет можно представить как смесь естественного и линейно поляризованного света.

Направление колебаний электрического вектора в волне, прошедшей через поляризатор, называется разрешенным направлением поляризатора (или главным направлением поляризатора).

1) Отражение света от диэлектрической пластинки (опыт с черным зеркалом).

Отраженный от диэлектрика свет частично поляризован. Степень поляризации света, отраженного от диэлектрической пластинки в воздух, зависит от показателя преломления диэлектрика n и от угла падения i. Полная поляризация отраженного света достигается при падении под углом Брюстера iБ, который определяется соотношением: tgiБ = n (1), где n-относительный показатель преломления диэлектрика относительно воздуха.

В этом случае плоскость колебаний электрического вектора в отраженном свете перпендикулярна плоскости падения (рис. 3).

2) Преломление света в стеклянной пластинке(опыт со стопой Столетова).

Поскольку отраженный от диэлектрической пластинки свет оказывается частично (или даже полностью) поляризованным, проходящий свет всегда поляризован частично. Максимальная поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Рассмотрим пример: свет падает на стекло с n=1.5. Тогда угол Брюстера iБ=57о. При таком угле падения отражается примерно седьмая часть света, а шесть седьмых преломляется и проходит в стекло. Отраженный свет поляризован полностью. В проходящем же свете поляризована только примерно седьмая часть падающего (с колебаниями в плоскости падения), а пять седьмых не поляризовано. Если свет пропускать последовательно через несколько пластинок (стопа Столетова), то можно добиться почти полной поляризации и в проходящем свете (с колебаниями светового вектора в плоскости падения).

3) Преломление света в двоякопреломляющих кристаллах (исландский шпат) Некоторые кристаллы, например исландский шпат, обладают свойством двойного лучепреломления. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два луча со взаимно перпендикулярными плоскостями колебаний. Двойное лучепреломление не наблюдается лишь в том случае, когда свет в кристалле распространяется вдоль оптической оси. Исландский шпат кристалл одноосный; оптическая ось-это любая прямая в кристалле, параллельная прямой АВ, проходящей через тупые углы ромбоэдра (рис.4).

Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, называется главной плоскостью или главным сечением.

Если луч света падает нормально на естественную грань кристалла, то он все равно разделяется на два луча- обыкновенный о и необыкновенный е, лежащие в главной плоскости. Оба они будут плоскополяризованы. Электрический вектор луча е лежит в главной плоскости, а для луча о электрический вектор перпендикулярен главной плоскости. Показатель преломления обыкновенного луча nо=1,658 и не зависит от направления в кристалле; для необыкновенного луча nе, разный в разных направлениях, от nе=1,486 в направлении, перпендикулярном оптической оси, до nе=nо=1,658 вдоль оптической оси. Из перечисленных свойств видно, как можно получить плоскополяризованный свет: нужно пропустить свет через кристалл под углом к оптической оси. Тогда получим два пучка плоскополяризованного света.

Рис. Отклоняя один из лучей в сторону, можно получить плоскополяризованный свет - так устроена, например, поляризационная призма Николя (рис.5).

nenno Рис. 4) Поглощение света в дихроичных пластинках (поляроиды) У некоторых двоякопреломляющих кристаллов (например, турмалина) коэффициенты поглощения света для обыкновенного и необыкновенного лучей отличаются настолько сильно, что уже при небольшой толщине кристалла один из лучей (обыкновенный) гасится практически полностью, и из кристалла выходит линейно поляризованный пучок света определенного спектрального состава (для турмалина это желто-зеленая часть спектра). Это явление носит название дихроизма. В настоящее время дихроичные пластинки изготовляются в виде тонких пленок - поляроидов.

Монокристаллы другого дихроичного вещества- герапатита уже при толщине порядка 0,3 мм дают в проходящем пучке почти линейно поляризованный свет (степень поляризации больше 99,5%) во всем видимом спектре.

В последнее время появились поляроиды, которые получаются путем иодирования пластмасс и создания из них растянутых пленок. Сильный дихроизм таких пленок обусловлен одинаковой ориентацией молекул I2, находящихся среди ориентированных в одном направлении молекул пластмассы. Пластмассовые поляроиды дают очень высокую степень поляризации по всему видимому спектру, включая и его красную область.

Преимущество поляроидов по сравнению с поляризационными призмами заключается в возможности получать поляризующие системы с большой апертурой. Малая толщина поляроида позволяет устанавливать его практически в любом месте оптической системы. Степень поляризации достигает 98%.

Недостатки поляроидов связаны с некоторым изменением спектрального состава света, проходящего через такой поляризатор. Поляризационные призмы из кальцита или кварца практически не изменяют спектральный состав проходящего через них света.

Приспособления, служащие для исследования состояния поляризации света, называются анализаторами. В качестве анализатора может быть использован любой поляризатор, т.е. поляризаторы и анализаторы различаются только по назначению. Чтобы понять принцип работы анализатора, рассмотрим закон Малюса.

Пусть на поляризатор П (рис.6), главное направление которого совпадает с прямой Р1Р2 падает естественный свет. На выходе свет будет плоскополяризован и будет иметь амплитуду Е1.

Рис. Колебания электрического вектора упорядочены и направлены вдоль прямой Р1Р2. Далее свет падает на анализатор А, главное направление которого совпадает с прямой А1А2. Анализатор пропустит только ту компоненту вектора Е1, которая параллельна главному направлению анализатора: Е2=ЕII=Е1cos, где - угол между главными направлениями анализатора и поляризатора.

Отношение интенсивностей пропорционально отношению квадратов амплитуд.

Следовательно, Уравнение (2) выражает закон Малюса.

Таким образом, при изменении угла между главными направлениями поляризатора и анализатора, т.е. при повороте анализатора, будет изменяться интенсивность проходящего света. Если главные направления поляризатора и анализатора параллельны, то интенсивность проходящего света будет максимальной, если они перпендикулярны, то интенсивность минимальна.

На платформе в гнезде может вращаться анализатор поляризованного света.

Положение анализатора относительно прибора может быть отсчитано с помощью указателя.

Лист бумаги необходимо хорошо осветить, поставив рядом осветитель. Если на предметном столике нет поляризатора, то прибор Норренберга пропустит в вертикальном направлении пучок неполяризованных лучей.

Объясните наблюдаемое явление.

2) На верхнюю платформу поместите призму Николя (в качестве анализатора), а на предметный столик- поляроид (в качестве поляризатора). Поворачивая призму Николя, убедитесь, что свет, прошедший через поляроид, поляризован.

Поменяв местами призму и поляроид, повторите опыт (рис.8).

3) Определение разрешенного направления поляроида.

Направление разрешенных колебаний поляроида можно определить с помощью черного зеркала. На предметный столик ставится поляроид, а на верхнюю платформу черное зеркало (рис.9). Зеркало устанавливают так, чтобы плоскость падения была вертикальна. Прошедший через поляроид и отраженный от зеркала свет наблюдают сбоку; при этом глаз располагают так, чтобы изображение диафрагмы располагалось вблизи оси поворота зеркала.

Поворачивая поляроид вокруг направления луча, можно заметить, что яркость отражения в черном зеркале меняется. Объясните наблюдаемое явление.

Установите поляроид в положение, когда эта яркость минимальна. После этого поверните зеркало вокруг горизонтальной оси, снова добиваясь минимальной интенсивности отраженного света. Затем положение поляроида и зеркала можно уточнить. В таком положении система, состоящая из поляроида и черного зеркала, практически не пропускает света. Это означает, что зеркало установлено под углом Брюстера и что в падающей на зеркало световой волне электрический вектор лежит в плоскости падения (вертикальная плоскость).

Следовательно, разрешенное направление поляроида также лежит в плоскости падения.

Измерив по углу поворота зеркала угол Брюстера, нетрудно определить коэффициент преломления материала, из которого изготовлено зеркало.

4) На предметный столик поместите горизонтально стопу Столетова (поляризатор). На верхнюю платформу - поляроид (анализатор). Исследуя при помощи поляроида свет, прошедший через стопу Столетова, решите, поляризован ли он. Повторите подобные наблюдения несколько раз, меняя угол наклона стопы. Объясните наблюдаемое. Можно ли добиться полной поляризации света, пользуясь стопой Столетова? Сколько раз при полном повороте поляроида получается гашение света и достигается максимум яркости?

5) Пронаблюдайте двойное лучепреломление в исландском шпате. Для этого установите кристалл на верхнюю платформу. В поле зрения видны два изображения диафрагмы: одно создается обыкновенным лучом, другоенеобыкновенным. При вращении кристалла одно изображение диафрагмы остается неподвижным, другое - описывает окружность вокруг первого.

5) Поместите на предметный столик поляроид (в качестве поляризатора), на верхнюю платформу - кристалл исландского шпата. Что наблюдается при вращении кристалла? Объясните наблюдаемое явление. Отметьте по шкале угол поворота, соответствующий переходу от гашения луча обыкновенного к гашению луча необыкновенного.

Задание 2. Проверка закона Малюса Установка для проверки закона Малюса (рис.10) представляет собой:

оптическую скамью - 1, на которой смонтированы источник света - 2, поляризационный узел - 3 и узел анализатора света - 4.

Источником света служит 8-ми вольтовая лампа накаливания в кожухе - 5, питаемая током от понижающего трансформатора - 6.

Поляризационный узел состоит из корпуса - 7, в котором в подвижной обойме вмонтирован поляризатор света - 8. Поляризатор можно вращать в корпусе на 360о за рифленое кольцо - 9. Узел анализатора состоит из корпуса - 10, на котором нанесен индекс отсчета - 11, анализатора - 12, вмонтированного в подвижную обойму, градусного лимба - 13, закрепленного на обойме анализатора, фотоэлемента - 14, микроамперметра - 15. Анализатор может вращаться в корпусе на 360о за кольцо обоймы анализатора с лимбом.

Свет от источника (5), проходя через поляризатор (8), становится плоскополяризованным. Анализатор (12) пропускает только колебания, у которых электрический вектор совпадает с его главным направлением. Пусть главные направления анализатора (4) и поляризатора (8) создают между собой некоторый угол. Зависимость между интенсивностью света, проходящего через систему поляризатор - анализатор, и углом Рис. выражается законом Малюса:

где Io- интенсивность света, прошедшего через поляризатор, I- интенсивность света, прошедшего через анализатор.

Подготовка установки к работе -совместить «0» лимба анализатора с индексом на корпусе;

-включить источник света в сеть;

-вращая поляризатор за рифленое кольцо, добиться максимального отклонения стрелки микроамперметра (15). Это свидетельствует о том, что направления, в котором пропускают свет анализатор и поляризатор, совпадают.

Измерения Вращая анализатор на 360о через каждые 15о, записывать значения углов поворота анализатора и соответствующие им значения фототока в таблицу.

По полученным измерениям построить график зависимости силы фототока I от угла скрещивания поляроидов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Уравнение и свойства электромагнитной волны.

2.Естественный и линейно поляризованный свет.

3.Формулы Френеля. Закон Брюстера.

4.Явления, в результате которых свет поляризуется. Поляризаторы.

5.Закон Малюса.

6.Анализ поляризованного света.

ЛИТЕРАТУРА

1.Ландсберг Г. Оптика. -М.: Наука, 1976.

2.Руководство к лабораторным занятиям по физике / под ред. Л.Гольдина. -М.:

Наука, 1973.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №

Изучение эллиптически поляризованного света Приборы и принадлежности: Осветитель со светофильтром (или лазер), поляризаторы П1, П2, гониометрический столик, экран, пластинки /2 и /4.

Цель работы: Изучение поляризационных свойств полуволновой и четвертьволновой пластинок.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Эллиптическая поляризация является наиболее общим случаем поляризации электромагнитных волн. В световой волне, поляризованной эллиптически, в каждой фиксированной точке пространства конец вектора Е (а соответственно и конец ортогонального ему вектора Н) движется по эллипсу. Частными случаями эллиптической поляризации являются круговая поляризация (конец вектора Е движется по окружности) и линейная поляризация (эллипс вырождается в прямую).

Движение по эллипсу возникает при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний одной и той же частоты. Рассмотрим механический пример. Пусть частица совершает два гармонических колебания с одной и той же частотой : одно колебание происходит вдоль оси Х другое вдоль оси Y. Координаты частицы представляются выражениями:

Исключив из этих выражений время t, найдем уравнение траектории частицы:

Это кривая второго порядка, а именно эллипс. В зависимости от значений параметров а, b, эллипс может вырождаться в отрезки прямой или в окружность. Из (2) видно, что для движения по окружности должны выполняться два условия:

Очевидно, что все изложенное относится и к сложению любых векторных колебаний, в частности электромагнитных. Две электромагнитные волны, линейно поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, при сложении в общем случае дают волну, поляризованную эллиптически. Отсюда вытекает практический способ получения эллиптически поляризованного света из линейно поляризованного с помощью двоякопреломляющих кристаллических пластинок.

Пусть линейно поляризованный свет проходит через кристаллическую пластинку толщины d и, вырезанную из одноосного кристалла параллельно его оптической оси. Сквозь пластинку будут распространяться в одном направлении, но с разной скоростью, две волны, поляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях, которые называются главными направлениями кристаллической пластинки. У одной из волн электрические колебания направлены вдоль оптической оси кристалла (необыкновенный луч, показатель преломления ne), у другой перпендикулярно к оси (обыкновенный луч, no).

Если направление колебаний электрического вектора в падающем поляризованном свете составляет угол с одним из главных направлений пластинки (рис.1), то амплитуды колебаний равны:

Рис.1. Разложение линейно поляризованного света по главным направлениям двоякопреломляющей пластинки.

Как уже отмечалось, при сложении двух взаимно перпендикулярных колебаний, обладающих некоторым сдвигом фаз, образуется колебание, поляризованное по эллипсу. Колебания в волнах, прошедших пластинку, описываются соотношениями:

При сложении получаем уравнение эллипса вида (2).

Рассмотрим практически важные частные случаи.

1). Пластинка дает сдвиг фаз между колебаниями /2 (пластинка в 1/4 длины волны). Тогда уравнение эллипса (2) примет вид:

рис. т.е. получаем эллипс, ориентированный относительно главных осей пластинки. Соотношение длин его полуосей а и b зависит от величины угла.

В частности, при = 450, а = b ( E xA E yA ) эллипс обращается в круг, описываемый уравнением:

Получается круговая (или циркулярная) поляризация. На рис.2 наглядно представлено сложение двух колебаний, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, сдвиг фаз между которыми составляет / (пластинка /4). В момент времени t = 0 вектор Еx имеет максимальное значение, тогда Еy = 0.

2). Пластинка дает сдвиг фаз (пластинка в 1/2 длины волны).

Если = или = 2 m, эллипс вырождается в прямую:

волны на выходе из пластинки повернуто относительно направления aa колебаний падающей волны (рис.3). Направление bb является зеркальным отображением направления aa относительно одного из главных направлений пластинки.

3). Пластинка дает сдвиг фаз 2 (пластинка в длину волны). Эллипс вырождается в прямую:

т.е. луч остается линейно поляризованным без изменения направления колебаний.

Говоря о пластинках в /2, /4 и т.д. всегда подразумевают какую-либо вполне определенную монохроматическую компоненту. Если на двоякопреломляющую пластинку падает не монохроматический свет, то на выходе из нее для разных спектральных компонент эллипсы поляризации будут различными.

Тонкие двоякопреломляющие пластинки, помещенные между поляроидами, кажутся окрашенными. Эта окраска может быть истолкована как результат интерференции поляризованных лучей. На рис.4 представлена схема для случая скрещенных поляроидов.

Здесь p1 p1 разрешенное направление колебаний поляризатора (первого поляроида); х,у координатная система, связанная с главными направлениями двоякопреломляющей пластинки; p2 p2 разрешенное направление колебаний анализатора (второго поляроида). Волны Еx и Еy на выходе из пластинки когерентны, нo не могут интерферировать, т.к. Еx Еy. Волны E1 и E2 на выходе Рис.4. Интерференция поляризованных лучей из второго поляроида также когерентны и к тому же поляризованы в одной плоскости. Результат интерференции определяется зависящим от длины волны разность фаз между ними не изменяются. Это означает, что цвет пластинки при ее поворотах не меняется, а меняется только интенсивность света. За один оборот пластинки интенсивность 4 раза обращается в нуль, это происходит при совпадении главных направлений х и у с разрешенными направлениями колебаний поляроидов.

Если же двоякопреломляющую пластинку оставить неподвижной, а второй поляроид повернуть так, чтобы разрешенные направления p1 p1 и p2 p2 совпали, то волны E1 и E2 приобретают дополнительный фазовый сдвиг на для всех спектральных компонент; поэтому цвет пластинки изменится на дополнительный. Студентам предлагается самостоятельно объяснить это явление.

Четвертьволновая пластинка Схема приведена на рис.5. Перед началом выполнения работы необходимо закрепить пластинку /4 на гониометрическом столике (ГС) так, чтобы ее рабочая поверхность находилась над отверстием в центре. Следует заметить, что пластинка работает как четвертьволновая на длине волны генерации Не-Nе лазера, поэтому при его отсутствии необходимо пользоваться осветителем с красным абсорбционным светофильтром.

Ход выполнения упражнения состоит в следующем. Сначала в отсутствие пластинки /4 нужно вращением П2 добиться погашения луча на экране. Затем установить вертикально ГС с пластинкой на пути луча. Это приводит, в общем случае, к превращению света в эллиптически поляризованный, и экран освещается. Вращением ГС необходимо вновь добиться погашения луча на экране и отсчитать показание гониометра 1. Затем необходимо повернуть ГС на ±450. При такой ориентации пластинка /4 превращает свет определенной длины волны и заданной линейной поляризации в поляризованный по кругу.

Убедиться в этом можно вращая поляризатор П2 и наблюдая за освещенностью на экране, которая практически не изменяется.

Методика упражнения, а также схема установки аналогичны описанным выше. Сначала поляроиды скрещиваются и на экране наблюдается погашение света. Затем вертикально устанавливается ГС с закрепленной на нем пластинкой /2 и вращением ГС находится положение, при котором освещенность экрана наименьшая. Отсчитывается угол. Затем ГС поворачивается на ±45°, и на экране наблюдается прошедший через поляроиды и /2 пучок света. Чтобы убедиться, что плоскость поляризации света повернулась на 900, поляризатор П2 поворачивают на 900, пользуясь нанесенной на оправу шкалой, проградуированной с ценой деления 100. При повороте на 900 на экране наблюдается наименьшая освещенность, что свидетельствует о соответствующем направлении плоскости поляризации.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Эллиптическая поляризация.

2. Получение эллиптически поляризованного света.

3. Анализ эллиптически поляризованного света.

4. Неполяризованный свет проходит через двоякопреломляющую пластинку /4. Какова поляризация света на выходе из пластинки?

5. Как отличить естественный свет от света, поляризованного по кругу?

ЛИТЕРАТУРА

1. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.

2. Годжаев Н.М. Оптика. М.: Высшая школа, 1977.

3. Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Физматгиз, 1959.

4. Поль Р.В. Оптика и атомная физика. М.: Наука, 1966.

5. Дитчберн Р. Физическая оптика. М.: Наука, 1965.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ И

ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Приборы и принадлежности: рефрактометр, стеклянная палочка, микроскоп, стеклянные пластины - круглая 2,05 мм, квадратная - 2,68 мм Плотность веществ: ( )С5H12O =0,812 г/см3, С2H6O = 0,789 г/см3, С3H8O3 = 1,26 г/см Задание1. Изучение принципа работы рефрактометра и исследование зависимости показателя преломления раствора от концентрации.

При переходе света через границу раздела двух сред, скорость распространения света в которых различна, происходит изменение его направления. Это явление называется преломлением или рефракцией света.

Абсолютный показатель преломления среды n, где c - скорость распространения света в вакууме, v - скорость его распространения в данной среде.

Относительный показатель преломления сред n 21, где n1 и n 2 n абсолютные показатели преломления сред.

При переходе света из среды с меньшим показателем преломления (оптически углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления. Из закона преломления света следует откуда углом полного отражения и обозначается i пр.

Так как Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для данных сред зависят от их показателей преломления.

Это нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ - рефрактометрах (рис. 3), используемых при определении чистоты воды, для идентификации различных веществ и т. д.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Основной частью установки являются две прямоугольные призмы 1 и 2 (рис.

4а), сделанные из одного и того же сорта стекла.

через исследуемую жидкость, падает на грань СД нижней призмы под различными углами от 00 до 900. Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла, то лучи входят в призму 2 в пределах от 00 до tпр Пространство внутри этого угла будет освещнным, а вне его тмным. Таким образом, поле зрения, видимое в зрительную трубу, разделено на две части; тмную и светлую. Положение границы раздела света и тени определяется предельным углом преломления, зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

Если исследуемая жидкость имеет большой коэффициент поглощения (мутная, окрашенная жидкость), то во избежание потерь энергии прохождения падает на гипотенузную грань С Д нижней призмы 2, соприкасающуюся с исследуемой жидкостью, под всевозможными углами от 00 до 900..Если жидкость оптически менее плотная, чем стекло, из которого изготовлена призма, то лучи, падающие под углами, большими tпр, будут испытывать полное отражение и выходить через вторую боковую грань нижней призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, так же, как и в первом случае,окажется разделнным на светлую и тмную части. Положение границы раздела в данном случае определяется предельным углом полного отражения, также зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

С помощью этого прибора можно исследовать вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления стекла измерительных призм. Оптическая схема рефрактометра изображена на рис, 5.

чтобы монохроматический луч с длиной волны = 589,3 мкм ( длина волны жлтой линии натрия ) не испытывал после прохождения компенсатора отклонения. Лучи с другими длинами волн отклоняются призмами в различных направлениях. Перемещая призмы компенсатора с помощью специальной рукоятки, добиваются того, чтобы граница света и тени стала более резкой.

Лучи света, пройдя компенсатор, попадают в объектив 5 зрительной трубы. Изображение границы раздела свет - тень рассматривают через окуляр зрительной трубы. Одновременно в окуляр рассматривается шкала 7. Так как предельный угол преломления и предельный угол полного отражения зависят от показателя преломления жидкости, то на шкале рефрактометра сразу нанесены значения этого показателя преломления.

Оптическая система рефрактометра содержит также поворотную призму 6. Она позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно призмам 1 и 2, что делает наблюдение более удобным. В общей фокальной плоскости объектива и окуляра зрительной трубы помещают стеклянную пластинку, на которую нанесена визирная линия (или крест, образованный тонкими нитями).

Перемещением зрительной трубы добиваются совпадения визирной линии с границей свет - тень и по шкале определяют показатель преломления исследуемой жидкости.

ПОДГОТОВКА ПРИБОРА К РАБОТЕ.

a) Расположите источник света так, чтобы наблюдения проводить в проходящем свете.

b) Откиньте верхнюю призму рефрактометра и стеклянной палочкой нанесите на нижнюю призму 1 - 2 капли дистиллировано ой воды. Опустите верхнюю призму.

c) Фиксируя окуляр, получите резкие изображения поля зрения, визира и шкалы d) Перемещая зрительную трубу, получите в поле зрения границу свет - тень.

Линия раздела должна быть резкой и без цветной окраски. Последнее достигается поворотом рукоятки компенсатора. Четкость границы раздела зависит от положения лампочки осветителя.

e) Совместить визир с границей раздела свет - тень. При правильной настройке рефрактометра показания шкалы при этом должно соответствовать показателю преломления воды n = 1,333 (при 200 С).

f) Для того, чтобы измерить показатель преломления другого вещества, необходимо тщательно протереть обе платформы рефрактометра сначала мокрой, а затем сухой тряпочкой. Чтобы сохранить чистоту исследуемых веществ, необходимо также тщательно протирать стеклянную палочку после каждой исследованной жидкости..

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Проделайте серию контрольных измерений показателя преломления дистиллированной воды и убедитесь в правильной работе прибора. Найдите систематическую ошибку прибора и оцените случайную ошибку, возникающую при измерении (однократном) показателя преломления.

2. Измерьте показатели преломления глицерина, этилового спирта, изоамилового спирта и ацетона.

Задание 2. Изучить метод определения показателя преломления плоскопараллельных пластинок с помощью микроскопа.

В основе измерения показателя преломления прозрачной плоскопараллельной пластинки лежит кажущееся приближение предмета, рассматриваемого через пластинку. Такое кажущееся приближение возникает при условии, что показатель преломления исследуемой пластинки больше показателя преломления окружающей среды.

Ход лучей через плоскопараллельную исследуемую пластинку ясен из Наблюдаемая точка О видна в О, точке пересечения лучей СД и ВЕ и кажется поднятой на отрезок ОО. Из чертежа следует;

где d - толщина пластинки, i - угол падения, r - угол преломления, b расстояние от основания нормали до точки выхода отражнного луча из верхней поверхности пластинки.

Перемножая левые и правые части уравнений (1) и (2), получаем:

или с учтом закона преломления Из (3) видно, что величина смещения луча зависит от угла падения, что ведет к нарушению гомоцентрического пучка. Однако при малых углах падения для параксиального пучка получаем из (3)

ИЗМЕРЕНИЯ

ю плоскопараллельную пластинку и найти на ней участок, содержащий штрих на обеих поверхностях (или нанести штрихи).

Установить отсчтный барабан микроскопа (см. приложение) в крайнее верхнее положение.

Сфокусировать микроскоп на штрих верхней поверхности пластинки (фокусировку выполнять без вращения отсчтного барабана).

Спуская тубус микроскопа вращением отсчтного барабана, перефокусировать его на изображение штриха нижней поверхности пластинки.

Вращая отсчетный барабан в обратном направлении, вернуть его в исходное положение. При этом считать число делений последнего оборота до "0" и количество полных оборотов от "0" до "0".

Измерить величину (d-a) не менее 5-ти раз. Усреднить результаты измерений и определить показатель преломления пластинки.

ОПИСАНИЕ МИКРОСКОПА БИОЛОГИЧЕСКОГО МБР-

Микроскоп МБР-1 является средней моделью биологического микроскопа и предназначается для исследования различных прозрачных объектов в проходящем свете в светлом поле; применяется для работ в области медицины, биологии, бактериологии, ботаники, а также в учебных заведениях.

Микроскоп имеет наклонный монокулярный тубус для визуального наблюдения и низко расположенные барашки грубой и микрометровой подачи.

КОНСТУКЦИЯ МИКРОСКОПА

Прилагаемый к микроскопу набор объективов и окуляров обеспечивает возможность получения увеличения от 56Х до 1350Х.

Основными частями микроскопа являются: башмак 1, коробка с микромеханизмом 2, предметный столик 3, тубусодержатель 4, наклонный тубус 5, револьвер на салазках 6, кронштейн конденсора 7, конденсор 8, объективы 9 и окуляр 10.

Коробка микромеханизма представляет собой прямоугольный параллелепипед, привинченный к башмаку. С одной стороны коробка микромеханизма нест направляющую для кронштейна конденсора, с другой для тубусодержателя. Внутри коробки находится микромеханизм для точной фокусировки микроскопа.

Микромеханизм приводится в действие вращением барашков 11, расположенных с правой и левой сторон. Слева от оси барашка закреплн барабан со шкалой, разделнной на 50 частей, с ценой одного деления 0,002 мм Один оборот барашка соответствует перемещению тубуса на 0,1 мм.

Общая величина перемещения тубуса до упора 2,2-2,4 мм.

Для грубой наводки на резкость служат барашки грубой подачи 12.При вращении барашков грубой и точной подач по часовой стрелке (если смотреть на микроскоп справа) тубус микроскопа опускается, при вращении против часовой стрелки - поднимается.

Предметный столик укрепляется на специальном кронштейне, последний в свою очередь, закреплн на коробке микромеханизма. Верхняя часть предметного столика может вращаться, для чего необходимо освободить винт 14, находящийся с правой стороны микроскопа, и вращать столик за накатанную часть. Кроме того, при помощи двух винтов 13, находящихся справа и слева, и пружины в передней части столика, он может перемещать на 88 мм, что позволяет привести препарат в центр поля зрения.

Тубусодержатель, имеющий форму дуги, в нижней части нест направляющую в трубку с двумя барашками 12, служащими для грубой подачи тубуса. Поворотом одного барашка относительно другого можно регулировать лгкость хода грубой подачи по желанию исследователя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ландсберг Г.С. Оптика М.Наука, 1976, стр. 475, 482-487,278.

2. Мальцев М.Д.,Каракуменко Г.А. Прикладная оптика и оптические измерения.М.1958,стр.51-53,

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ

ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА.

Цель работы:

Целью данной работы является знакомство с законами излучения нагретых тел, проверка закона Стефана-Больцмана для нагретого тела, определение постоянной Стефана-Больцмана, измерение температуры с помощью оптического пирометра.

Приборы и принадлежности:

Оптический пирометр ОППИР-17, лампа накаливания, ЛАТР.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Всякое светящееся тело излучает электромагнитные волны. Это может происходить лишь благодаря превращению каких-либо других видов энергии, получаемых телом, в электромагнитную. Очень широко распространено свечение тел, вызванное их нагреванием и названное тепловым излучением. В тепловом излучении распределение энергии между телом и излучением является неизменным для каждой длины волны, то есть тепловое излучение равновесно. Поэтому к тепловому излучению применимы общие принципы термодинамики, позволяющие сформулировать некоторые общие закономерности - законы теплового излучения.

1.Тепловое излучение характеризуют интегральной испускательной способностью E, т.е. потоком энергии, испускаемым единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям Излучение состоит из волн разных частот, поэтому поток энергии с единицы поверхности тела в малом интервале частот d можно записать в виде где E,T - испускательная способность тела, зависящая от частоты и температуры T. Полная излучательная способность будет Излучение можно характеризовать вместо частоты длиной волны, тогда (1) можно записать Теоретические исследования проводились для выяснения вида функции E,T, но экспериментально удобнее иметь дело с E,T. Зная E,T можно найти E,T и наоборот.

2. Если на элементарную площадку поверхности тела падает поток лучистой энергии dФ, то часть потока dФ’ может быть поглощена телом. Величина называется поглощательной способностью тела. Она также зависит от частоты и температуры, т.е.

Если тело поглощает всю падающую на него энергию всех частот, то оно называется абсолютно черным (АЧТ). Его поглощательную способность будем обозначать через a, а излучательную -.

Кирхгоф доказал, что отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и является для всех тел функцией частоты и температуры Величины E,T и A,T сильно меняются от тела к телу, но их отношение универсально и равно испускательной способности абсолютно черного тела Поэтому главной проблемой теории теплового излучения стало нахождение вида функции (,T), (,T). Задача эта была решена постепенно.

Абсолютно черных тел в природе нет. Сажа и платиновая чернь приближаются к ним лишь в некотором интервале температур. Но почти замкнутая полость с малым отверстием по свойствам подобна черному телу.

Поддерживая температуру стенок равной Т, можно получить из отверстия излучение, по спектральному составу близкое к излучению АЧТ при той же температуре. Если это излучение разложить в спектр, то можно измерить интенсивность излучения различных участков спектра. Для разных температур излучающего тела получается семейство кривых (рис. 1).

Площадь, охватываемая кривой, представляет испускательную способность АЧТ при соответствующей температуре.

Вначале Стефан из опыта, а затем Больцман из термодинамических соображений показали, что испускательная способность АЧТ т.е. пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела; постоянная Стефана-Больцмана; =5,67 10-8 [Вт/м2К4]. Этот результат, получивший название закона Стефана-Больцмана, был подтвержден последующими опытами по излучению АЧТ. Для нечерного тела закон записывается в виде Анализируя экспериментальные кривые вида (рис. 1) Вин получил теоретическую функцию,T=f( /T), о которой известно, что она имеет максимум. Для максимумов семейства экспериментальных кривых получается соотношение, известное под названием закона смещения Вина:

где max - длина волны, соответствующая максимуму излучения при температуре T, а b - постоянная Вина.

Измерения дают: b=0,2898 см K Из закона следует, что при повышении температуры максимум излучения сдвигается в сторону коротких волн.

Оказалось, что функция Вина не противоречит закону Стефана-Больцмана, но сама по себе подтверждается опытом только для коротких волн.

Исходя из закона равномерного распределения энергии по степеням свободы, полагая, что на каждую степень свободы электромагнитной волны приходится энергия (1/2)kT, Рэлей и Джинс получили для функции Кирхгофа выражение Эта формула противоречит закону Стефана-Больцмана. Она хорошо подтверждается опытом для длинных волн и непригодна для коротких.

Правильная формула для спектральной излучательной способности равновесного излучения, подтвержденная всеми экспериментальными исследованиями, была найдена Планком:

В этой формуле все величины общеизвестны, кроме постоянной h. Смысл ее выяснился позже. Замечательно то, что чем точнее проводились измерения, тем лучше эта формула выполнялась, т.е. было похоже, что Планк открыл некий новый закон природы. Так и оказалось. Планк для выяснения вида функции (,T) вынужден был отказаться от незыблемо принятого в классической физике представления о непрерывности, о том, что атом, или атомная система, может иметь какое угодно значение энергии. Пришлось допустить, и это было величайшим открытием Планка, что электромагнитное излучение испускается лишь отдельными порциями энергии, квантами, величины которых а энергия системы может быть лишь кратной этой порции, т.е.

Здесь h - постоянная Планка, найденная им из экспериментальных кривых типа (рис.1) и равная h=6,62 10-34 Дж с.

Формула Планка заключает в себе закон Стефана-Больцмана, закон Вина, формулу Рэлея-Джинса.

Применение законов теплового излучения.

Любой из законов теплового излучения может служить для определения температуры раскаленных излучающих тел. Приборы, измеряющие температуру по тепловому излучению тела называются пирометрами.

В данной работе измеряется температура спирали лампы накаливания с помощью пирометра с исчезающей нитью.

Проверяется закон Стефана - Больцмана для нечерных тел.

В основу пирометра ОППИР-17 положен способ измерения температуры путем сравнения яркости нагретого тела с яркостью абсолютно черного тела в том же спектральном интервале.

Основная часть пирометра - пирометрическая нить, т.е. нить накала лампы пирометра. Меняя ток накала, а следовательно - температуру и яркость нити, можно добиться того, чтобы нить перестала быть видимой на фоне нагретого тела, температуру которого нужно измерить. Пирометр проградуирован по черному телу, т.е. на шкале пирометра нанесены значения температур черного тела, имеющего такую же яркость, что и яркость нити пирометра при определенных токах накала.

Однако, излучение нечерных тел отличается от излучения абсолютно черного тела: при одной и той же температуре АЧТ излучает больше нечерного. В пирометре уравниваем яркость нити, проградуированной по черному телу, с яркостью нечерного тела, т.е. определяем так называемую яркостную температуру ТЯРК, которая ниже истинной.

Истинную температуру можно найти по формуле:

Принципиальная оптическая схема пирометра ОППИР-17 изображена на рис.2:

Изображение нагретого тела - 1 с помощью объектива 2 проектируется в плоскости расположения нити накала пирометрической лампы 5. Нить лампы в форме петли и изображение нагретого тела рассматриваются через окуляр с красным светофильтром 7, который может вводиться в поле зрения окуляра.

В качестве источника излучения, температура которого измеряется, служит лампа накаливания с вольфрамовым излучающим элементом. Лампа питается по схеме рис. 2, позволяющей регулировать и измерять мощность, потребляемую лампой.

В первом приближении можно считать, что вся подводимая к нити мощность P=I V идет на излучение.

Экспериментальная часть Задание I. Измерение температуры оптическим пирометром Ознакомиться с инструкцией пользования оптическим пирометром.

Установить ток накала лампы I = 1,4 A. Записать в таблицу величину напряжения и тока лампы, меняя затем величину тока через 0,2 A до 2,6 А и записывая соответствующее напряжение.

Пирометром измерить температуру Тярк при этом режиме.

Повторить измерения в шести - восьми точках.

Задание II. Проверка закона Стефана - Больцмана для нечерного тела где W - испускательная способность тела (лучистый поток с единицы поверхности по всем направлениям). При высоких температурах вся подводимая мощность практически идет на излучение, т.е.

где S - размеры излучающего элемента лампы ~3 мм2.

Из ( 3 ) получим lgW=lgB+nlgT.

а) Построив график зависимости lgW(lgT), можно найти показатель степени n, т.е.

б) Считая нить лампы абсолютно черным телом и построив график зависимости W(Т4), можно оценить постоянную Стефана - Больцмана.

Коэффициент черноты вольфрама зависит от длины волны. В нашем случае 0,45.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Интегральная и спектральная излучательная способность тел, поглощательная способность тел как основные характеристики теплового излучения 2. Законы Кирхгофа и Стефана-Больцмана, формула Рэлея-Джинса, формула Вина. Закон смещения Вина.

3. Формула Планка для излучательной способности абсолютно черного тела.

4. Измерение температуры нагретых тел с помощью оптического пирометра 1. Д.В. Сивухин Общий курс физики. Оптика. 1977.

2. И.В. Савельев Курс общей физики. т.Ш. 1971.

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ФОТОЭФФЕКТА

Цель работы:

Изучение законов фотоэффекта. Определение интегральной чувствительности фотоэлементов, проверка закона Столетова.

Приборы и принадлежности:

Источник света - лампа накаливания; люксметр; фотоэлемент с сурьмяноцезиевым катодом (диаметр катода 3 см); вентильный фотоэлемент (s= 1мм2);

вольтметр и микроамперметр; блок питания - Б-5-47.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Квантовая природа света отчетливее всего проявляется в явлении фотоэффекта.

Внешний фотоэффект наблюдается в металлах. При освещении металла фотоны поглощаются электронами проводимости, при этом увеличивается энергия электронов. Если энергия отдельного электрона превышает работу выхода из металла, то электрон покидает металл. Энергетический баланс этого взаимодействия устанавливается уравнением Эйнштейна:

где h - энергия фотона, - частота света, А - работа выхода электрона, mv /2 - максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Даже при монохроматическом освещении энергия электронов, вылетающих из фотокатода, оказывается неодинаковой. Электроны в веществе обладают разными энергиями, располагаясь по уровням разрешенных зон. Под работой выхода А понимают энергию, необходимую для удаления электрона с самых верхних заполненных уровней. Энергия, которую надо затратить, чтобы удалить электрон с нижерасположенных уровней, превосходит А, и кинетическая энергия таких электронов оказывается меньше. Кроме того, электроны могут терять часть своей энергии на пути к поверхности фотокатода. Уравнение Эйнштейна определяет поэтому кинетическую энергию не всех, а только наиболее быстрых электронов.

Опытным путем были установлены следующие законы фотоэффекта.

1. Число фотоэлектронов, вырываемых с поверхности металла за единицу времени, пропорционально световому потоку, падающему на металл, при неизменном спектральном составе.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Для металла существует красная граница (порог) фотоэффекта, т.е.

максимальная длина волны 0, при которой фотоэффект еще возможен. Если длина волны падающего (поглощаемого) света 0, то фотоэффект не наблюдается. Величина 0 зависит от природы металла и состояния его поверхности и определяется из уравнения Эйнштейна. Электрон сможет выйти за пределы металла, если сообщенная ему энергия не меньше работы выхода, т.е. h A. Полагая h 0 = А, получаем 0=c/ 0=hc/A.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах двухэлектродных приборах, в которых падающая на поверхность катода энергия света превращается в энергию электрического тока (рис. 1).

Внутренняя поверхность стеклянного баллона фотоэлемента покрыта тонким слоем металла. Этот слой занимает примерно 50% всей внутренней поверхности баллона и является фотокатодом. Против него имеется прозрачное окно, через которое на катод попадает свет. Анод имеет форму рамки и расположен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод.

При освещении фотоэлемента начинается эмиссия электронов с катода возникает фотоэффект.

Установка для изучения фотоэффекта представляет собой вакуумный фотоэлемент, на электроды которого подается напряжение, меняющееся с помощью потенциометра (рис. 2).

Снимая вольт-амперную характеристику, т.е. зависимость фототока от напряжения на аноде при постоянном световом потоке, получают кривые Столетова (рис.3).

Как видно из графика, при увеличении анодного напряжения сила тока i вначале увеличивается, так как при этом все большее число вылетевших из катода электронов достигает анода. При некотором напряжении на аноде все фотоэлектроны попадают на анод, и при дальнейшем увеличении напряжения сила тока не изменяется. Величина этого тока служит мерой фотоэффекта и называется током насыщения. Установленный на опыте закон пропорциональности тока насыщения световому потоку носит название закона Столетова. Величина =iнас/Ф является чувствительностью фотоэлемента.

Различают интегральную и спектральную чувствительность фотоэлемента.

Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного излучения.

Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического светового потока.

Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм.

Для увеличения силы фототока иногда баллон фотоэлемента заполняют инертным газом при давлении 1-10 Па. Такие фотоэлементы называют газонаполненными. При большом анодном напряжении в этих фотоэлементах происходит ударная ионизация атомов газа электронами, покидающими катод под действием света. В результате этого в создании тока участвуют не только фотоэлектроны, но и электроны и ионы, возникающие при ионизации газа. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов достигает 150 - мкА/лм.

Внешний фотоэффект находит также применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ), которые используются для измерения световых потоков малой интенсивности и в электронно-оптических преобразователях (ЭОП), с помощью которых можно усилить яркость рентгеновского изображения или преобразовать инфракрасное излучение в видимое.

Пользуясь уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта можно экспериментально определить важнейшую квантовую постоянную Планка h.

Для этого в большинстве случаев используют метод задерживающего потенциала, суть которого состоит в следующем: к электродам вакуумного фотоэлемента подводится обратное (запирающее) напряжение, как это показано на рис. 4.

При напряжении UЗ=0, электроны, покинувшие катод фотоэлемента под действием фотонов монохроматического света с частотой, достигают анода, образуя электрический ток, называемый фототоком. Величина фототока регистрируется измерительным прибором. При увеличении задерживающего потенциала часть электронов, энергия которых невелика, не достигает анода, ток фотоэлемента уменьшается. При некоторой величине задерживающего потенциала даже самые быстрые электроны не будут достигать анода и ток в цепи будет равен нулю.

и, следовательно, h =eUЗ+A, или UЗ=(h -A)/e, т.е. величина задерживающего потенциала UЗ зависит линейно от частоты света.

Освещая катод фотоэлемента монохроматическим светом с частотами 1 2 3 и измеряя величину фототока при изменении задерживающего потенциала, получим семейство вольт-амперных характеристик, представленных на рис. 5.

Определив величины U1, U2, U3 и т.д., и построив график зависимости UЗ=f( ) (рис. 6), можно определить UЗ=(h -A)/e и tg =h/e.

Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) наблюдается в полупроводниках. Энергия фотонов передается электронам полупроводника. Если эта энергия h больше ширины W запрещенной зоны, то электроны переходят в чистом полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости. В примесных полупроводниках поглощение фотона ведет к переходу электрона с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни. Таким образом, при освещении полупроводников увеличивается их проводимость. На этом явлении основано действие фоторезисторов.

Фоторезисторы изготовляют на основе сульфида кадмия, сернистого свинца и др. Они имеют значительно большую чувствительность, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Однако с повышением чувствительности возрастает инерционность фоторезисторов, что ограничивает возможность их использования при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.

Фоторезисторы применяются в фотометрической аппаратуре для измерения световых энергетических величин, а также в фоторелейных устройствах.

Особый практический интерес представляет вентильный (фотогальванический) эффект, возникающий при освещении контакта полупроводников с p- и n-проводимостью. Сущность этого явления заключается в следующем. В переходном слое, возникающем в месте контакта полупроводников p- и n-типа, создается контактная разность потенциалов, которая препятствует дальнейшему переходу основных носителей через контакт: дырок — в n-область и электронов - в p-область.

При освещении p-n перехода и прилегающих к нему областей полупроводника наблюдается внутренний фотоэффект, заключающийся в образовании электронно-дырочных пар. Под действием электрического поля p-n перехода образовавшиеся заряды разделяются: неосновные носители проникают через переход, а основные задерживаются в своей области, и на pn - переходе создается добавочная разность потенциалов (фотоэлектродвижущая сила).

Фотоэлектродвижущая сила, возникающая при освещении контакта монохроматическим потоком света, пропорциональна величине потока.

поскольку она определяется числом образующихся в полупроводнике электронно-дырочных пар. т.е. числом фотонов в потоке.

Преимущество вентильных фотоэлементов заключается в том, что для их работы не требуется источник питания, поскольку в них самих под действием света генерируется фотоЭДС. Если замкнуть цепь, содержащую фотоэлемент, то в ней возникнет ток.

Интегральная чувствительность вентильных фотоэлементов превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов.

Она может достигать нескольких тысяч микроампер на люмен.

Вентильные фотоэлементы изготавливают на основе селена, германия, кремния, сернистого серебра и др. Кремниевые и некоторые другие типы фотоэлементов используются в солнечных батареях, применяемых на космических кораблях для питания бортовой аппаратуры. Вентильные фотоэлементы применяются также для измерения светового потока и освещенности в фотометрической практике.

Селеновый фотоэлемент (рис. 7) представляет собой слой селена 2, нанесенный на полированную железную пластинку 1.

При нагревании селен переходит в кристаллическую модификацию, обладающую дырочной p-проводимостью. Сверху напыляется тонкая пленка 3 серебра. В результате диффузии атомов серебра внутрь селена на границе образуется слой селена с примесью серебра, обладающий электронной n-проводимостью.

Таким образом, создается контакт между чистым селеном и селеном с примесью, и возникает p-n - переход. При освещении фотоэлемента свет легко проходит через тонкую пленку серебра. Фотоны поглощаются электронами, и возникает фотоЭДС. Если соединить проводником железную пластинку с пленкой серебра, то микроамперметр, включенный в цепь, покажет ток, текущий от железа к верхнему электроду.

Задание I. Изучение вакуумного фотоэлемента и определение интегральной чувствительности.

Интегральная чувствительность фотоэлемента Из фотометрии известно, что где Е - освещенность, а S - площадь освещаемой поверхности.

Освещенность, создаваемая точечным источником, равна где I - сила света источника, R - расстояние от источника до освещаемой поверхности. Имея ввиду эти соотношения, получим формулу для определения интегральной чувствительности фотоэлемента:

В качестве источника света в установке используется лампа накаливания 1 (рис. 8), которая может перемещаться в непрозрачном пенале 2, имеющем гнездо для фотоэлемента 3 и выключатель лампы 4. Расстояние между нитью накала лампы и фотоэлементом R измеряется линейкой 5.

1. Не включая лампу, измерить люксметром фоновую освещенность Eф, 2. Включить лампу и измерить люксметром освещенность E в гнезде фотоэлемента при четырех расстояниях R от источника света (20, 30, 40, см).

3. Определить силу света источника для каждого случая по формуле где E0=E-Eф, и найти среднее I. Рассчитать световой поток Ф по формуле Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

4. Собрать электрическую схему (рис. 10), вставив в гнездо вакуумный фотоэлемент.

Источником постоянного тока служит блок питания Б-5-47. Сила фототока измеряется микроамперметром.

ВНИМАНИЕ! Микроамперметр является очень чувствительным прибором, поэтому во избежание поломки прибора его не следует сдвигать с места.

Цена деления прибора указана на его панели.

Разность потенциалов между анодом и катодом фотоэлемента устанавливается переключением напряжения на блоке питания Б-5-47.

5. Снять 4 вольтамперные характеристики фотоэлемента, установив источник света на четырех различных расстояниях R от него (20, 30, 40, см). Для снятия каждой характеристики необходимо, увеличивая напряжение на блоке питания от 0 с шагом в 1 вольт, измерять соответствующую напряжению величину фототока i. Измерения необходимо проводить до получения фототока насыщения, который нужно зафиксировать как минимум тремя точками. Результаты измерений занести в таблицу.

Построить графики зависимости i=f(U) для каждого расстояния R от источника света до фотоэлемента.

6. Построить график зависимости силы тока насыщения iнас от величины светового потока Ф: iнас=f(Ф). Найти из графика.

7. Вычислить интегральную чувствительность фотоэлемента по формуле (4) и найти среднее. (Площадь катода равна площади полусферы, диаметр катода 3 см.) 8. Вычислить погрешность измерения чувствительности фотоэлемента.

Задание 2. Определение интегральной чувствительности вентильного фотоэлемента.

1. Заменить в установке вакуумный фотоэлемент на вентильный.

2. Собрать схему (рис. 11).

3. Измерить величину фототока i при различных расстояниях R источника света от фотоэлемента (от 5 до 40 см через 5 см).

4. Результаты измерений занести в таблицу.

I(мкА) 5. Вычислить интегральную чувствительность фотоэлемента и найти 6. Построить график зависимости i=f(1/R2)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Внешний фотоэффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.

Устройство фотоэлемента, использующего внешний фотоэффект.

2. Внутренний фотоэффект: фотопроводимость и фотогальванический эффект.

3. Чувствительность фотоэлемента. Возможность экспериментального определения интегральной чувствительности.

4. Основные фотометрические величины и единицы их измерения.

1. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 2 - М. Наука, 1978.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика - М. Наука, 1980.

Светофильтры простейшие монохроматоры света Приборы: монохроматор УМ-2; ртутная лампа; неоновая лампа; лампа накаливания; источники питания; набор абсорбционных светофильтров;

набор интерференционных светофильтров С1, С2 и СЗ; гониометрический столик.

Цель работы: ознакомление с принципами действия основных типов светофильтров-абсорбционных, отражательных, интерференционных и дисперсионных, экспериментальное определение их основных параметров.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Большое значение в оптике имеет проблема монохроматизапии света, то есть выделение определенного интервала длин волн. Сравнительно узкие спектральные области излучения можно выделить с помощью монохроматических светофильтров. В отличие от более сложных спектральных приборов-монохроматоров светофильтры обладают значительно большим сечением светового пучка и большей апертурой.

Светофильтрами, или просто фильтрами, называются устройства, меняющие спектральный состав или энергию падающего на них светового излучения без изменения формы его фронта. Основные характеристики (параметры) светофильтров следующие:

1. Длина волны max, соответствующая максимуму полосы пропускания (рис.1).

2. Пропускание (прозрачность) в максимуме полосы пропускания где I0 интенсивность света, падающего на светофильтр, Im интенсивность света, прошедшего через светофильтр в максимуме 3. Спектральная ширина полосы пропускания, равная ширине спектрального интервала, на границах которого интенсивность прошедшего света равна половине интенсивности в максимуме полосы пропускания.

4. Остаточное пропускание Ir, равное интенсивности света, пропускаемого светофильтром в области спектра, отстоящего от Im на расстоянии много большем m. Вместо остаточной пропускаемости часто используют так называемый фактор контрастности светофильтра Светофильтры называются серыми или нейтральными, если их пропускание в исследуемом спектральном интервале не зависит от длины волны. Фильтры, не удовлетворяющие этому условию, называются селективными. Селективные светофильтры предназначаются либо для отделения широкой области спектра, либо для выделения узкой спектральной области. Светофильтры последнего типа называются монохроматическими.

Они часто применяются вместо других спектральных приборов, так как обычно пропускают гораздо больший световой поток, чем приборы с диспергирующими элементами (призмами, дифракционными решетками и др.). Однако разрешающая способность светофильтров часто невелика в большинстве случаев ширина полосы пропускания составляет десятки и сотни ангстрем. Лучшие узкополосные светофильтры имеют ширину полосы пропускания меньше 1 ангстрема, однако интенсивность пропускаемого ими света невелика. Поэтому основное назначение светофильтров грубая монохроматизация или неселективное ослабление излучения. Существуют несколько типов монохроматических светофильтров.

Абсорбционные светофильтры. Применяются наиболее широко.

Ослабление света в них происходит главным образом в результате поглощения веществом фильтра. Интенсивность света I 0, прошедшего через поглощающий слой светофильтра, уменьшается в соответствии с законом Бугера-Ламберта:

Коэффициент пропускания (пропускание) абсорбционных фильтров где R коэффициент отражения света от поверхности фильтра.



Pages:     | 1 || 3 |
 
Похожие работы:

«Олег Ермаков Мать Истина, Сок из Луны Жом как подлинный метод Единой теории Поля Все попытки создания универсального миропредставления, именуемого Теорией Всего, или Единой теорией Поля, обречены на крах, доколь столп их есть физика Аристотеля, корень науки дней сих, в постижении сущего опирающаяся на мир, нам видимый, и отметающая как нуль причинный ему горний кра|й — царство Истины, тайное бренным очам. А меж тем, Пра|щур наш знал прямой путь зрить Истину — жом Диониса: давленье ее, как Вина...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Рабочая программа дисциплины Б.2. Химия Направление подготовки 280100.62 Природообустройство и водопользование Профиль подготовки Мелиорация, рекультивация и охрана земель Квалификация (степень) выпускников Бакалавр Форма обучения Очная Краснодар 2011 1. Цели освоения дисциплины Целями...»

«Социальная история отечественной науки и техники В. Л. ЛЮБОШИЦ О ГЕРЦЕНЕ ИСАЕВИЧЕ КОПЫЛОВЕ Вот уже более 20 лет прошло со дня безвременной смерти талантливого физика и замечательного человека, доктора физико-математических наук Герцена Исаевича Копылова. Но тропинки, проложенные им, не заросли, а стали еще шире и прямее. Он жил среди нас, и мы помним о нем. Высочайший профессионализм ученого, талант педагога и популяризатора науки, несомненный литературно-поэтический дар и исключительные...»

«Глава 4 ЭЛЕКТРОРАЗВЕДКА Электроразведка (электрическая, или точнее электромагнитная разведка) объединяет физические методы исследования геосфер Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, основанные на изучении электромагнитных полей, существующих в Земле в силу естественных космических, атмосферных или физико-химических процессов или созданных искусственно. Электромагнитные поля могут быть: 1) установившимися, т.е. существующими свыше 1 с, постоянными и переменными (гармоническими или...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ИНАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗВАНИЯ ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра теоретической физики икомпьютерного моделирования УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС КУРСА ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ Направление: 050100 – Педагогическое образование Профили: Физика и Информатика и ИКТ Квалификация (степень): Бакалавр Пермь ПГПУ 2011 2 УДК ББК Рецензент: к. ф.-м. н.,...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тверской государственный университет Утверждаю Декан биологического университета Дементьева С.М. 2012г. Учебно – методический комплекс по дисциплине Биогеография для студентов 3 курса очной формы обучения специальность 020801.65 ЭКОЛОГИЯ Обсуждено на заседании кафедры Составитель: _ 2012г. Протокол № _к.б.н., доцент Е.С. Пушай Зав. кафедрой физико-химических...»

«Annotation Кому как не ученым-физикам рассуждать о том, что будет представлять собой мир в 2100 году? Как одним усилием воли будут управляться компьютеры, как силой мысли человек сможет двигать предметы, как мы будем подключаться к мировому информационному полю? Возможно ли это? Оказывается, возможно и не такое. Искусственные органы; парящие в воздухе автомобили; невероятная продолжительность жизни и молодости — все эти чудеса не фантастика, а научно обоснованные прогнозы серьезных ученых,...»

«WWW.MEDLINE.RU ТОМ 7, БИОФИЗИКА, ИЮНЬ 2006 Исследование дисперсий фосфолипидов. 1. Меченый NBD-PE и Rh-PE пальмитоилолеоилфосфатидилхолин В.П. Топалы, Э.Е. Топалы Институт Теоретической и Экспериментальной Биофизики РАН, Содержание Аннотация Введение 1. Материалы и методы 2. Результаты и обсуждение 2.1. Первые сомнения 2.2. Флюоресценция меченой дисперсии POPC как функция её возраста 2.3. Влияние ультразвука на флюоресценцию 2.4. Влияние детергентов на флюоресценцию 2.5. Флюоресценция донора и...»

«Альманах 2009 Для грантополучателей и стипендиатов фонда Династия Cправочник по фондам и организациям, поддерживающим науку и образование в России Альманах 2009 Для грантополучателей Cправочник по фондам и организациям, и стипендиатов поддерживающим фонда Династия науку и образование в России Информационные партнеры альманаха: • Российское агентство научных новостей Информнаука • АНО Агентство социальной информации Содержание Приветствия Дмитрий Зимин стр. 7 Анна Пиотровская стр. О фонде...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Амурский государственный университет Кафедра ФИЗИКИ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ КОМПЬЮТЕРНЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ Основной образовательной программы по направлению подготовки 010900.68 – Прикладные математика и физика Благовещенск 2012 УМКД разработан доцентом кафедры ФИЗИКИ Рокосей Вероникой Александровной Рассмотрен и...»

«Р.Г.Баранцев ИСТОРИЯ СЕМИОДИНАМИКИ: ДОКУМЕНТЫ, БЕСЕДЫ, КОММЕНТАРИИ Аннотация Семиодинамика, изучающая качественные изменения целостных образований в знаковом представлении, была ближайшей предтечей синергетической парадигмы. Появившись в Ленинградском университете в 1980 году, она много лет была вынуждена отстаивать своё право на существование. История этой борьбы представлена здесь в документальных материалах того времени. Показано, как открытая методология, разработанная семиодинамикой,...»

«женщины мужчины FRONTESPIZIO XFORMER O D Y O P T I Sonic руководство по эксплуатации ® / EXE M I Z E R PERSONAL B 8-800-200-383-2 kudesnik54.ru - только полезные товары 3 index Введение Информация о мануальной терапии Добро пожаловать в мир XFormer/EXE Sonic.стр. 9 Противопоказания к использованию XFormer/EXE Sonic Электростимуляция История электростимуляции Об электростимуляции: основные принципы Биологическое описание мышечной системы Типы мышечных волокон Иннервация мышц Элементы...»

«Яков Исидорович Перельман Занимательная физика (книга 2) Занимательная физика. В 2-х книгах. Книга 2: Издательство Наука; Москва; 1983 ОТ РЕДАКЦИИ Предлагаемое издание Занимательной физики в основном повторяет предыдущие. Я. И. Перельман в течение многих лет работал над книгой, совершенствуя текст и дополняя его, и в последний раз при жизни автора книга вышла в 1936 г. (тринадцатое издание). Выпуская последующие издания, редакция не ставила своей целью коренную переработку текста или...»

«Научное приложение. Вып. XXXVIII НОВОЕ ЛИТЕРАТУРНОЕ ОБОЗРЕНИЕ Ирина ШЕВЕЛЕНКО ЛИТЕРАТУРНЫЙ ПУТЬ ЦВЕТАЕВОЙ ИДЕОЛОГИЯ—ПОЭТИКА—ИДЕНТИЧНОСТЬ АВТОРА В КОНТЕКСТЕ ЭПОХИ Новое литературное обозрение Москва. 2002 ББК 83.3(2Рос=Рус)1-8 УДК 821.161.1 Ш 37 НОВОЕ Л И Т Е Р А Т У Р Н О Е О Б О З Р Е Н И Е Научное приложение. Вып. XXXVIII Художник Д. Балабуха В оформлении обложки использованы рисунки А. С. Эфрон 1930-х годов: иллюстрация к поэме Крысолов и набросок портрета Цветаевой. Шевеленко И. Ш 37...»

«О проблемах физической наук и и образования в современных условиях Д.Р. Хохлов Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова 1. Достижения и проблемы с профессиональной деятельностью в области физики Достижения: А) 7 Нобелевских премий по физике Достижения российских ученых в области физики общеизвестны. Достаточно отметить, что 10 российских ученых стали лауреатами 7 Нобелевских премий по физике. Таких результатов нет ни в одной другой естественнонаучной...»

«Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт фундаментальной биологии и биотехнологии Кафедра биофизики УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой _ подпись инициалы, фамилия _ 20 _ г. БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА 010708.62 – биохимическая физика Возможности использования тройной системы вода/лаурилсульфат натрия/олеиновая кислота для микроэмульсионных моделей клетки Руководители _ П.И. Белобров подпись, дата...»

«Полная исследовательская публикация Тематический раздел: Физико-химические исследования. Регистрационный код публикации: 2tp-b76 Подраздел: Теплофизические свойства веществ. УДК 536.33:536.421. Поступила в редакцию 10 ноября 2002 г. БЫСТРАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ТУГОПЛАВКИХ ОКСИДОВ И ВОЗМОЖНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ДВУХФАЗНОЙ ЗОНЫ © Воробьёв А.Ю., Петров В.А., Титов В.Е. и Улыбин С.А. Институт теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН. г. Москва. Ключевые слова: быстрая кристаллизация, свободное...»

«НАУКА МИКРООРГАНИЗМЫ МОГУТ ВСЁ. интервью с И.Б. Ившиной УРАЛА – Стр. 3-5 ЯНВАРЬ 2003 г. № 2 (830) Из истории научных Газета Уральского отделения Российской академии наук контактов ученыххимиков Урала Важное событие ДЕМИДОВСКАЯ- на), В.Н. Кудрявцев (правоведеСтр. 4- ние) и Г.А. Месяц (физика). Николай Иванович Тимофеев, председатель Уральского отделения РАН академик В.А. Черешнев, члены совета фонда подробно рассказали о лауреатах, каждый из которых — уче- ДЕТИ КУРЧАТОВА ный мирового масштаба,...»

«МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет перерабатывающих технологий Рабочая программа дисциплины Техническая физика Направление подготовки 260200.62 Продукты питания животного происхождения Профиль подготовки Квалификация (степень) выпускника Бакалавр Форма обучения очная Краснодар 2011 1. Цели освоения дисциплины Целью...»

«2 1. Цели освоения дисциплины Целью освоения дисциплины Строение вещества (дополнительные главы) является: формирование у студентов системы научных знаний и современных представлений о строении вещества (от атомно-молекулярного до супрамолекулярного и кристаллического уровней) и освоение принципов основных физических методов получения структурнохимической информации, в том числе исследования свойств поверхности твердых тел, включая нанообъекты. Знание данного раздела современной химии...»






 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.