Upload
others
View
34
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ
З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ laquoФІЗИКАraquo
РОЗДІЛ laquoХВИЛЬОВА ОПТИКАraquo
ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ
ДЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ
КРЕМЕНЧУК 2014
2
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Рецензент проф О І Єлізаров
Кафедра біотехнології та здоровrsquoя людини
Затверджено методичною радою Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
Протокол ____ від__________
Голова методичної ради______________ проф В В Костін
3
ЗМІСТ
Вступ 4 1 Перелік лабораторних робіт 5 Лабораторна робота 1 Визначення радіуса кривини лінзи за кільцями
Ньютона
5 Лабораторна робота 2 Дослідження дифракції світла на вузькій
щілині 12
Лабораторна робота 3 Визначення періоду дифракційної ґратки 20 Лабораторна робота 4 Перевірка закону Малюса й визначення
ступеня поляризації світла
24 Лабораторна робота 5 Визначення кута повороту площини
поляризації світла helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
30 Лабораторна робота 6 Визначення показника заломлення рідини
рефрактометром
36 Лабораторна робота 7 Дослідження дисперсії світла у склі за
допомогою гоніометра
41 2 Критерії оцінювання знань студентів 47 Список літератури 48 Додаток А 49 Додаток Б 50
4
ВСТУП
Основна спрямованість методичних вказівок з предмету фізика - дати
можливість студентам за допомогою досліду вивчити важливі фізичні явища
Опис лабораторних робіт не претендує на те щоб створити у студентів повне
уявлення про явища які вивчаються Таке уявлення може виникнути лише
внаслідок опрацювання лекцій та підручників
Велика увага в методичних вказівках щодо виконання лабораторних робіт
з дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей приділяється обробленню результатів вимірювання Для
успішного виконання робіт необхідна попередня самостійна підготовка в
першу чергу теоретична
Кожна лабораторна робота розрахована на дві академічні години занять у
лабораторії Перед заняттям студент повинен підготувати звіт до лабораторної
роботи вивчивши відповідний теоретичний матеріал
Під час заняття студенти проводять необхідні виміри виконують
розрахунки доводять звіт до висновку Результати вимірювання
обговорюються з викладачем і затверджуються
Повністю оформлений звіт до лабораторної роботи потрібно подати
викладачу до кінця заняття Якщо студент не встигає захистити лабораторну
роботу до кінця заняття дозволяється оформити звіт (графіки) до наступного
заняття
Лабораторна робота вважається виконаною після успішно проведеного
захисту шляхом співбесіди студента з викладачем (захист звіту та оцінка за
теоретичний матеріал)
Після вивчення дисципліни студент повинен
знати основні закони сучасної і класичної фізики класичні і сучасні
теорії взаємозвrsquoязок фізичних законів із законами діалектики
уміти аналізувати фізичні явища і встановлювати причинні звrsquoязки між
ними формулювати інженерно-фізичні задачі уміти їх розвrsquoязувати давати
розумну оцінку отриманих результатів
5
ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ
Лабораторна робота 1
ВИЗНАЧЕННЯ РАДІУСА КРИВИНИ ЛІНЗИ ЗА КІЛЬЦЯМИ
НЬЮТОНА
Мета роботи Вивчення інтерференції світла спостереження кілець
Ньютона й вимірювання їхніх радіусів розрахунок радіуса кривини лінзи за
інтерференційною картиною
Технічне оснащення
Бінокулярний стереоскопічний мікроскоп МБС-9 освітлювальна лампа із
джерелом живлення опукла скляна лінза скляна пластинка мякі серветки
Короткі теоретичні відомості
Інтерференція світла ndash це накладання двох або більше когерентних
світлових хвиль в результаті чого відбувається перерозподіл інтенсивності
світла
Світлові хвилі когерентні якщо їхні довжини хвиль однакові
(монохроматичність) і вектори напруженостей електричних полів хвиль мають
однакову просторову орієнтацію (просторова поляризованість) У результаті
накладання когерентних світлових хвиль відбувається перерозподіл їхньої
енергії У точках інтерференційної картини де хвилі мають однакові фази
відбувається підсилення світла (інтерференційні максимуми) у точках
інтерференційної картини де хвилі мають протилежні фази відбувається
часткове або повне послаблення світла (інтерференційні мінімуми)
Нехай дві світлові хвилі з амплітудами Е01 і Е02 інтерферують у деякій
точці середовища з показником заломлення n Рівняння світлових хвиль
)sin(10011rktEE minus= ω )sin(
20022rktEE minus= ω
де k0 = 2πλ ndash хвильове число Різниця фаз ∆φ і оптична різниця ходу
∆ світлових хвиль становлять
)(210rrk minus=∆ϕ )(
21rrn minus=∆
Для інтерференційних максимумів
6
kπϕ 2=∆ λk=∆ 0201EEE
p+=
де k = 0 1 2 3 4 ndash цілі числа Ер ndashамплітуда результуючої хвилі
Для інтерференційних мінімумів
πϕ )12( +=∆ k 2
)12(λ
+=∆ k 0201EEE
pminus=
У природі не існує когерентних джерел світла тому що елементарні
випромінювачі світлових хвиль (атоми й молекули) рухаються хаотично і
просторова орієнтація їх з часом змінюється Для отримання когерентних
світлових пучків до 60-х років XX століття застосовували такі оптичні системи
щілини Юнга дзеркала Френеля біпризми Френеля та ін У цих системах
світловий пучок розділяється на два пучки які проходять різні оптичні шляхи й
потім інтерферують Недосконалість традиційних методів полягає в тому що
складові світлового пучка залишаються когерентними тільки протягом
тривалості життя атома в збудженому стані тобто при оптичних різницях ходу
порядку довжини світлової хвилі Зараз для одержання когерентних світлових
пучків крім традиційних оптичних систем застосовують лазерні
випромінювачі Світлові хвилі які випускає лазерний випромінювач строго
монохроматичні їхні електричні поля мають однакову просторову орієнтацію
Одним з обєктів в яких відбувається інтерференція світла є тонка прозора
плівка Інтерференційна картина у відбитому від плівки світлі утворюється
внаслідок накладання світлових пучків відбитих на межі плівки з оточуючим її
середовищем Якщо показник заломлення плівки n gt 1 а показник заломлення
середовища яке оточує плівку дорівнює 1 (вакуум повітря) то оптична
різниця ходу світлових пучків відбитих на межі плівки з урахуванням зміни
фази при відбитті становить
2sin2
22 λ+minus=∆ ind (1)
де d ndash товщина плівки i ndash кут падіння світла
7
Метод вимірювання
Оптичну схему лабораторної установки для одержання кілець Ньютона
показано на рис 1
Опукла поверхня скляної лінзи й
скляна пластинка дотикаються в точці О
Між опуклою поверхнею лінзи й
поверхнею пластинки утворюється
повітряний клин Якщо на лінзу падає
плоска світлова монохроматична хвиля
довжиною λ то її промені зазнають
відбивання на випуклій поверхні лінзи
(для одного із променів у точці А) і на
поверхні пластинки (для того ж променя в точці В) Оптична різниця ходу
інтерферуючих у відбитому світлі хвиль згідно з (1) становить
22
λ+=∆ dn (2)
де d = АВ ndash товщина повітряного клина Якщо для даних значень d і λ
∆ = k λ то на відстані r від точки О в площині паралельній поверхні пластинки
спостерігається інтерференційний максимум (світле кільце Ньютона) якщо
∆ = (2k + 1) λ2 ndash інтерференційний мінімум (темне кільце Ньютона)
Інтерференційна картина схематично показана на рис 2 Радіуси кілець
Ньютона можна визначити з наступних
міркувань Оскільки радіус кривини лінзи R gtgt
d то фігуру ОВАС можна розглядати як
прямокутний трикутник
222)( rRdR +cong+ R
rd
2
2
cong
Беручи до уваги рівність (2) одержимо
2
2λ
+=∆R
r
Рис 1
Рис 2
8
Для світлих кілець Ньютона у відбитому світлі
λk=∆ і 2
)12(λ
Rkr minus= (3)
для темних кілець Ньютона у відбитому світлі
2)12(λ
+=∆ k і λkRr = (4)
де k = 1 2 3 4 ndash порядкові номери кілець (рис2) У центрі
інтерференційної картини спостерігається нульовий мінімум Інтерференційна
картина спостерігається також у пройденому світлі причому радіуси темних
кілець визначаються за формулою (3) а радіуси світлих кілець ndash за формулою
(4) Формули (3) і (4) дозволяють розрахувати радіус кривини лінзи R при
вимірюванні радіусів кілець Ньютона з високим ступенем точності Похибку
вимірювання радіуса кривини лінзи можна зменшити якщо визначити його із
системи рівнянь (4) для двох темних кілець із порядковими номерами m і k
λmRrm=
2 λkRrk=
2 λ)(
22
km
rrR
km
minus
minus
= (5)
Формула (5) дає можливість обчислити значення R усереднене тільки по
двох вимірюваннях Одержати його можна за результатами вимірювання
радіусів довільного числа кілець Ньютона шляхом графічної обробки
результатів вимірів Для цього будують
графік залежності 2
kr від номерів кілець k
(рис 3) Отриману залежність апроксимують
прямою лінією вибирають на прямій лінії
точки С1 і С2 і координати цих точок
підставляють у формулу
λ)(12
2
1
2
2
kk
rrR
minus
minus
= (6)
Відносна похибка визначення радіуса
кривини
Рис 3
r2
k
k
C2
C1
9
λ
λ∆+
minus
∆+
+
∆=
∆=
kmkmrr
r
rr
r
R
RE (7)
Абсолютні похибки становлять
∆r = 0025 мм ∆λ = 05 нм
Спостереження кілець Ньютона й вимірювання їхніх радіусів проводиться
за допомогою бінокулярного стереоскопічного мікроскопа МБС-9 (рис 4)
Одна з бінокулярних трубок мікроскопа замінена насадкою 2 із ламповим
освітлювачем 1
Спостереження кілець Ньютона ведеться у відбитому світлі Промінь
світла від освітлювача проходить через червоний світлофільтр (λ = 690 нм) і за
допомогою оптичних елементів направляється на досліджувану лінзу 5 що має
оптичний контакт із пластинкою 6
Відбиті промені через
систему оптичних елементів
попадають в окуляр 3 В окуляр
вмонтована вимірювальна
шкала Чіткість зображення
поля зору досягається
обертанням маховичка 4 Для
вимірювання лінійних розмірів
кілець Ньютона досить
підрахувати число поділок
шкали що укладаються на
діаметрі кільця і поділити його
на коефіцієнт збільшення при
якому здійснюється
вимірювання Отриманий
результат дорівнює діаметру
кільця в міліметрах
Рис 4
2
1
5 6
8
4
7
3
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
2
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Рецензент проф О І Єлізаров
Кафедра біотехнології та здоровrsquoя людини
Затверджено методичною радою Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
Протокол ____ від__________
Голова методичної ради______________ проф В В Костін
3
ЗМІСТ
Вступ 4 1 Перелік лабораторних робіт 5 Лабораторна робота 1 Визначення радіуса кривини лінзи за кільцями
Ньютона
5 Лабораторна робота 2 Дослідження дифракції світла на вузькій
щілині 12
Лабораторна робота 3 Визначення періоду дифракційної ґратки 20 Лабораторна робота 4 Перевірка закону Малюса й визначення
ступеня поляризації світла
24 Лабораторна робота 5 Визначення кута повороту площини
поляризації світла helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
30 Лабораторна робота 6 Визначення показника заломлення рідини
рефрактометром
36 Лабораторна робота 7 Дослідження дисперсії світла у склі за
допомогою гоніометра
41 2 Критерії оцінювання знань студентів 47 Список літератури 48 Додаток А 49 Додаток Б 50
4
ВСТУП
Основна спрямованість методичних вказівок з предмету фізика - дати
можливість студентам за допомогою досліду вивчити важливі фізичні явища
Опис лабораторних робіт не претендує на те щоб створити у студентів повне
уявлення про явища які вивчаються Таке уявлення може виникнути лише
внаслідок опрацювання лекцій та підручників
Велика увага в методичних вказівках щодо виконання лабораторних робіт
з дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей приділяється обробленню результатів вимірювання Для
успішного виконання робіт необхідна попередня самостійна підготовка в
першу чергу теоретична
Кожна лабораторна робота розрахована на дві академічні години занять у
лабораторії Перед заняттям студент повинен підготувати звіт до лабораторної
роботи вивчивши відповідний теоретичний матеріал
Під час заняття студенти проводять необхідні виміри виконують
розрахунки доводять звіт до висновку Результати вимірювання
обговорюються з викладачем і затверджуються
Повністю оформлений звіт до лабораторної роботи потрібно подати
викладачу до кінця заняття Якщо студент не встигає захистити лабораторну
роботу до кінця заняття дозволяється оформити звіт (графіки) до наступного
заняття
Лабораторна робота вважається виконаною після успішно проведеного
захисту шляхом співбесіди студента з викладачем (захист звіту та оцінка за
теоретичний матеріал)
Після вивчення дисципліни студент повинен
знати основні закони сучасної і класичної фізики класичні і сучасні
теорії взаємозвrsquoязок фізичних законів із законами діалектики
уміти аналізувати фізичні явища і встановлювати причинні звrsquoязки між
ними формулювати інженерно-фізичні задачі уміти їх розвrsquoязувати давати
розумну оцінку отриманих результатів
5
ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ
Лабораторна робота 1
ВИЗНАЧЕННЯ РАДІУСА КРИВИНИ ЛІНЗИ ЗА КІЛЬЦЯМИ
НЬЮТОНА
Мета роботи Вивчення інтерференції світла спостереження кілець
Ньютона й вимірювання їхніх радіусів розрахунок радіуса кривини лінзи за
інтерференційною картиною
Технічне оснащення
Бінокулярний стереоскопічний мікроскоп МБС-9 освітлювальна лампа із
джерелом живлення опукла скляна лінза скляна пластинка мякі серветки
Короткі теоретичні відомості
Інтерференція світла ndash це накладання двох або більше когерентних
світлових хвиль в результаті чого відбувається перерозподіл інтенсивності
світла
Світлові хвилі когерентні якщо їхні довжини хвиль однакові
(монохроматичність) і вектори напруженостей електричних полів хвиль мають
однакову просторову орієнтацію (просторова поляризованість) У результаті
накладання когерентних світлових хвиль відбувається перерозподіл їхньої
енергії У точках інтерференційної картини де хвилі мають однакові фази
відбувається підсилення світла (інтерференційні максимуми) у точках
інтерференційної картини де хвилі мають протилежні фази відбувається
часткове або повне послаблення світла (інтерференційні мінімуми)
Нехай дві світлові хвилі з амплітудами Е01 і Е02 інтерферують у деякій
точці середовища з показником заломлення n Рівняння світлових хвиль
)sin(10011rktEE minus= ω )sin(
20022rktEE minus= ω
де k0 = 2πλ ndash хвильове число Різниця фаз ∆φ і оптична різниця ходу
∆ світлових хвиль становлять
)(210rrk minus=∆ϕ )(
21rrn minus=∆
Для інтерференційних максимумів
6
kπϕ 2=∆ λk=∆ 0201EEE
p+=
де k = 0 1 2 3 4 ndash цілі числа Ер ndashамплітуда результуючої хвилі
Для інтерференційних мінімумів
πϕ )12( +=∆ k 2
)12(λ
+=∆ k 0201EEE
pminus=
У природі не існує когерентних джерел світла тому що елементарні
випромінювачі світлових хвиль (атоми й молекули) рухаються хаотично і
просторова орієнтація їх з часом змінюється Для отримання когерентних
світлових пучків до 60-х років XX століття застосовували такі оптичні системи
щілини Юнга дзеркала Френеля біпризми Френеля та ін У цих системах
світловий пучок розділяється на два пучки які проходять різні оптичні шляхи й
потім інтерферують Недосконалість традиційних методів полягає в тому що
складові світлового пучка залишаються когерентними тільки протягом
тривалості життя атома в збудженому стані тобто при оптичних різницях ходу
порядку довжини світлової хвилі Зараз для одержання когерентних світлових
пучків крім традиційних оптичних систем застосовують лазерні
випромінювачі Світлові хвилі які випускає лазерний випромінювач строго
монохроматичні їхні електричні поля мають однакову просторову орієнтацію
Одним з обєктів в яких відбувається інтерференція світла є тонка прозора
плівка Інтерференційна картина у відбитому від плівки світлі утворюється
внаслідок накладання світлових пучків відбитих на межі плівки з оточуючим її
середовищем Якщо показник заломлення плівки n gt 1 а показник заломлення
середовища яке оточує плівку дорівнює 1 (вакуум повітря) то оптична
різниця ходу світлових пучків відбитих на межі плівки з урахуванням зміни
фази при відбитті становить
2sin2
22 λ+minus=∆ ind (1)
де d ndash товщина плівки i ndash кут падіння світла
7
Метод вимірювання
Оптичну схему лабораторної установки для одержання кілець Ньютона
показано на рис 1
Опукла поверхня скляної лінзи й
скляна пластинка дотикаються в точці О
Між опуклою поверхнею лінзи й
поверхнею пластинки утворюється
повітряний клин Якщо на лінзу падає
плоска світлова монохроматична хвиля
довжиною λ то її промені зазнають
відбивання на випуклій поверхні лінзи
(для одного із променів у точці А) і на
поверхні пластинки (для того ж променя в точці В) Оптична різниця ходу
інтерферуючих у відбитому світлі хвиль згідно з (1) становить
22
λ+=∆ dn (2)
де d = АВ ndash товщина повітряного клина Якщо для даних значень d і λ
∆ = k λ то на відстані r від точки О в площині паралельній поверхні пластинки
спостерігається інтерференційний максимум (світле кільце Ньютона) якщо
∆ = (2k + 1) λ2 ndash інтерференційний мінімум (темне кільце Ньютона)
Інтерференційна картина схематично показана на рис 2 Радіуси кілець
Ньютона можна визначити з наступних
міркувань Оскільки радіус кривини лінзи R gtgt
d то фігуру ОВАС можна розглядати як
прямокутний трикутник
222)( rRdR +cong+ R
rd
2
2
cong
Беручи до уваги рівність (2) одержимо
2
2λ
+=∆R
r
Рис 1
Рис 2
8
Для світлих кілець Ньютона у відбитому світлі
λk=∆ і 2
)12(λ
Rkr minus= (3)
для темних кілець Ньютона у відбитому світлі
2)12(λ
+=∆ k і λkRr = (4)
де k = 1 2 3 4 ndash порядкові номери кілець (рис2) У центрі
інтерференційної картини спостерігається нульовий мінімум Інтерференційна
картина спостерігається також у пройденому світлі причому радіуси темних
кілець визначаються за формулою (3) а радіуси світлих кілець ndash за формулою
(4) Формули (3) і (4) дозволяють розрахувати радіус кривини лінзи R при
вимірюванні радіусів кілець Ньютона з високим ступенем точності Похибку
вимірювання радіуса кривини лінзи можна зменшити якщо визначити його із
системи рівнянь (4) для двох темних кілець із порядковими номерами m і k
λmRrm=
2 λkRrk=
2 λ)(
22
km
rrR
km
minus
minus
= (5)
Формула (5) дає можливість обчислити значення R усереднене тільки по
двох вимірюваннях Одержати його можна за результатами вимірювання
радіусів довільного числа кілець Ньютона шляхом графічної обробки
результатів вимірів Для цього будують
графік залежності 2
kr від номерів кілець k
(рис 3) Отриману залежність апроксимують
прямою лінією вибирають на прямій лінії
точки С1 і С2 і координати цих точок
підставляють у формулу
λ)(12
2
1
2
2
kk
rrR
minus
minus
= (6)
Відносна похибка визначення радіуса
кривини
Рис 3
r2
k
k
C2
C1
9
λ
λ∆+
minus
∆+
+
∆=
∆=
kmkmrr
r
rr
r
R
RE (7)
Абсолютні похибки становлять
∆r = 0025 мм ∆λ = 05 нм
Спостереження кілець Ньютона й вимірювання їхніх радіусів проводиться
за допомогою бінокулярного стереоскопічного мікроскопа МБС-9 (рис 4)
Одна з бінокулярних трубок мікроскопа замінена насадкою 2 із ламповим
освітлювачем 1
Спостереження кілець Ньютона ведеться у відбитому світлі Промінь
світла від освітлювача проходить через червоний світлофільтр (λ = 690 нм) і за
допомогою оптичних елементів направляється на досліджувану лінзу 5 що має
оптичний контакт із пластинкою 6
Відбиті промені через
систему оптичних елементів
попадають в окуляр 3 В окуляр
вмонтована вимірювальна
шкала Чіткість зображення
поля зору досягається
обертанням маховичка 4 Для
вимірювання лінійних розмірів
кілець Ньютона досить
підрахувати число поділок
шкали що укладаються на
діаметрі кільця і поділити його
на коефіцієнт збільшення при
якому здійснюється
вимірювання Отриманий
результат дорівнює діаметру
кільця в міліметрах
Рис 4
2
1
5 6
8
4
7
3
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
3
ЗМІСТ
Вступ 4 1 Перелік лабораторних робіт 5 Лабораторна робота 1 Визначення радіуса кривини лінзи за кільцями
Ньютона
5 Лабораторна робота 2 Дослідження дифракції світла на вузькій
щілині 12
Лабораторна робота 3 Визначення періоду дифракційної ґратки 20 Лабораторна робота 4 Перевірка закону Малюса й визначення
ступеня поляризації світла
24 Лабораторна робота 5 Визначення кута повороту площини
поляризації світла helliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip
30 Лабораторна робота 6 Визначення показника заломлення рідини
рефрактометром
36 Лабораторна робота 7 Дослідження дисперсії світла у склі за
допомогою гоніометра
41 2 Критерії оцінювання знань студентів 47 Список літератури 48 Додаток А 49 Додаток Б 50
4
ВСТУП
Основна спрямованість методичних вказівок з предмету фізика - дати
можливість студентам за допомогою досліду вивчити важливі фізичні явища
Опис лабораторних робіт не претендує на те щоб створити у студентів повне
уявлення про явища які вивчаються Таке уявлення може виникнути лише
внаслідок опрацювання лекцій та підручників
Велика увага в методичних вказівках щодо виконання лабораторних робіт
з дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей приділяється обробленню результатів вимірювання Для
успішного виконання робіт необхідна попередня самостійна підготовка в
першу чергу теоретична
Кожна лабораторна робота розрахована на дві академічні години занять у
лабораторії Перед заняттям студент повинен підготувати звіт до лабораторної
роботи вивчивши відповідний теоретичний матеріал
Під час заняття студенти проводять необхідні виміри виконують
розрахунки доводять звіт до висновку Результати вимірювання
обговорюються з викладачем і затверджуються
Повністю оформлений звіт до лабораторної роботи потрібно подати
викладачу до кінця заняття Якщо студент не встигає захистити лабораторну
роботу до кінця заняття дозволяється оформити звіт (графіки) до наступного
заняття
Лабораторна робота вважається виконаною після успішно проведеного
захисту шляхом співбесіди студента з викладачем (захист звіту та оцінка за
теоретичний матеріал)
Після вивчення дисципліни студент повинен
знати основні закони сучасної і класичної фізики класичні і сучасні
теорії взаємозвrsquoязок фізичних законів із законами діалектики
уміти аналізувати фізичні явища і встановлювати причинні звrsquoязки між
ними формулювати інженерно-фізичні задачі уміти їх розвrsquoязувати давати
розумну оцінку отриманих результатів
5
ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ
Лабораторна робота 1
ВИЗНАЧЕННЯ РАДІУСА КРИВИНИ ЛІНЗИ ЗА КІЛЬЦЯМИ
НЬЮТОНА
Мета роботи Вивчення інтерференції світла спостереження кілець
Ньютона й вимірювання їхніх радіусів розрахунок радіуса кривини лінзи за
інтерференційною картиною
Технічне оснащення
Бінокулярний стереоскопічний мікроскоп МБС-9 освітлювальна лампа із
джерелом живлення опукла скляна лінза скляна пластинка мякі серветки
Короткі теоретичні відомості
Інтерференція світла ndash це накладання двох або більше когерентних
світлових хвиль в результаті чого відбувається перерозподіл інтенсивності
світла
Світлові хвилі когерентні якщо їхні довжини хвиль однакові
(монохроматичність) і вектори напруженостей електричних полів хвиль мають
однакову просторову орієнтацію (просторова поляризованість) У результаті
накладання когерентних світлових хвиль відбувається перерозподіл їхньої
енергії У точках інтерференційної картини де хвилі мають однакові фази
відбувається підсилення світла (інтерференційні максимуми) у точках
інтерференційної картини де хвилі мають протилежні фази відбувається
часткове або повне послаблення світла (інтерференційні мінімуми)
Нехай дві світлові хвилі з амплітудами Е01 і Е02 інтерферують у деякій
точці середовища з показником заломлення n Рівняння світлових хвиль
)sin(10011rktEE minus= ω )sin(
20022rktEE minus= ω
де k0 = 2πλ ndash хвильове число Різниця фаз ∆φ і оптична різниця ходу
∆ світлових хвиль становлять
)(210rrk minus=∆ϕ )(
21rrn minus=∆
Для інтерференційних максимумів
6
kπϕ 2=∆ λk=∆ 0201EEE
p+=
де k = 0 1 2 3 4 ndash цілі числа Ер ndashамплітуда результуючої хвилі
Для інтерференційних мінімумів
πϕ )12( +=∆ k 2
)12(λ
+=∆ k 0201EEE
pminus=
У природі не існує когерентних джерел світла тому що елементарні
випромінювачі світлових хвиль (атоми й молекули) рухаються хаотично і
просторова орієнтація їх з часом змінюється Для отримання когерентних
світлових пучків до 60-х років XX століття застосовували такі оптичні системи
щілини Юнга дзеркала Френеля біпризми Френеля та ін У цих системах
світловий пучок розділяється на два пучки які проходять різні оптичні шляхи й
потім інтерферують Недосконалість традиційних методів полягає в тому що
складові світлового пучка залишаються когерентними тільки протягом
тривалості життя атома в збудженому стані тобто при оптичних різницях ходу
порядку довжини світлової хвилі Зараз для одержання когерентних світлових
пучків крім традиційних оптичних систем застосовують лазерні
випромінювачі Світлові хвилі які випускає лазерний випромінювач строго
монохроматичні їхні електричні поля мають однакову просторову орієнтацію
Одним з обєктів в яких відбувається інтерференція світла є тонка прозора
плівка Інтерференційна картина у відбитому від плівки світлі утворюється
внаслідок накладання світлових пучків відбитих на межі плівки з оточуючим її
середовищем Якщо показник заломлення плівки n gt 1 а показник заломлення
середовища яке оточує плівку дорівнює 1 (вакуум повітря) то оптична
різниця ходу світлових пучків відбитих на межі плівки з урахуванням зміни
фази при відбитті становить
2sin2
22 λ+minus=∆ ind (1)
де d ndash товщина плівки i ndash кут падіння світла
7
Метод вимірювання
Оптичну схему лабораторної установки для одержання кілець Ньютона
показано на рис 1
Опукла поверхня скляної лінзи й
скляна пластинка дотикаються в точці О
Між опуклою поверхнею лінзи й
поверхнею пластинки утворюється
повітряний клин Якщо на лінзу падає
плоска світлова монохроматична хвиля
довжиною λ то її промені зазнають
відбивання на випуклій поверхні лінзи
(для одного із променів у точці А) і на
поверхні пластинки (для того ж променя в точці В) Оптична різниця ходу
інтерферуючих у відбитому світлі хвиль згідно з (1) становить
22
λ+=∆ dn (2)
де d = АВ ndash товщина повітряного клина Якщо для даних значень d і λ
∆ = k λ то на відстані r від точки О в площині паралельній поверхні пластинки
спостерігається інтерференційний максимум (світле кільце Ньютона) якщо
∆ = (2k + 1) λ2 ndash інтерференційний мінімум (темне кільце Ньютона)
Інтерференційна картина схематично показана на рис 2 Радіуси кілець
Ньютона можна визначити з наступних
міркувань Оскільки радіус кривини лінзи R gtgt
d то фігуру ОВАС можна розглядати як
прямокутний трикутник
222)( rRdR +cong+ R
rd
2
2
cong
Беручи до уваги рівність (2) одержимо
2
2λ
+=∆R
r
Рис 1
Рис 2
8
Для світлих кілець Ньютона у відбитому світлі
λk=∆ і 2
)12(λ
Rkr minus= (3)
для темних кілець Ньютона у відбитому світлі
2)12(λ
+=∆ k і λkRr = (4)
де k = 1 2 3 4 ndash порядкові номери кілець (рис2) У центрі
інтерференційної картини спостерігається нульовий мінімум Інтерференційна
картина спостерігається також у пройденому світлі причому радіуси темних
кілець визначаються за формулою (3) а радіуси світлих кілець ndash за формулою
(4) Формули (3) і (4) дозволяють розрахувати радіус кривини лінзи R при
вимірюванні радіусів кілець Ньютона з високим ступенем точності Похибку
вимірювання радіуса кривини лінзи можна зменшити якщо визначити його із
системи рівнянь (4) для двох темних кілець із порядковими номерами m і k
λmRrm=
2 λkRrk=
2 λ)(
22
km
rrR
km
minus
minus
= (5)
Формула (5) дає можливість обчислити значення R усереднене тільки по
двох вимірюваннях Одержати його можна за результатами вимірювання
радіусів довільного числа кілець Ньютона шляхом графічної обробки
результатів вимірів Для цього будують
графік залежності 2
kr від номерів кілець k
(рис 3) Отриману залежність апроксимують
прямою лінією вибирають на прямій лінії
точки С1 і С2 і координати цих точок
підставляють у формулу
λ)(12
2
1
2
2
kk
rrR
minus
minus
= (6)
Відносна похибка визначення радіуса
кривини
Рис 3
r2
k
k
C2
C1
9
λ
λ∆+
minus
∆+
+
∆=
∆=
kmkmrr
r
rr
r
R
RE (7)
Абсолютні похибки становлять
∆r = 0025 мм ∆λ = 05 нм
Спостереження кілець Ньютона й вимірювання їхніх радіусів проводиться
за допомогою бінокулярного стереоскопічного мікроскопа МБС-9 (рис 4)
Одна з бінокулярних трубок мікроскопа замінена насадкою 2 із ламповим
освітлювачем 1
Спостереження кілець Ньютона ведеться у відбитому світлі Промінь
світла від освітлювача проходить через червоний світлофільтр (λ = 690 нм) і за
допомогою оптичних елементів направляється на досліджувану лінзу 5 що має
оптичний контакт із пластинкою 6
Відбиті промені через
систему оптичних елементів
попадають в окуляр 3 В окуляр
вмонтована вимірювальна
шкала Чіткість зображення
поля зору досягається
обертанням маховичка 4 Для
вимірювання лінійних розмірів
кілець Ньютона досить
підрахувати число поділок
шкали що укладаються на
діаметрі кільця і поділити його
на коефіцієнт збільшення при
якому здійснюється
вимірювання Отриманий
результат дорівнює діаметру
кільця в міліметрах
Рис 4
2
1
5 6
8
4
7
3
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
4
ВСТУП
Основна спрямованість методичних вказівок з предмету фізика - дати
можливість студентам за допомогою досліду вивчити важливі фізичні явища
Опис лабораторних робіт не претендує на те щоб створити у студентів повне
уявлення про явища які вивчаються Таке уявлення може виникнути лише
внаслідок опрацювання лекцій та підручників
Велика увага в методичних вказівках щодо виконання лабораторних робіт
з дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей приділяється обробленню результатів вимірювання Для
успішного виконання робіт необхідна попередня самостійна підготовка в
першу чергу теоретична
Кожна лабораторна робота розрахована на дві академічні години занять у
лабораторії Перед заняттям студент повинен підготувати звіт до лабораторної
роботи вивчивши відповідний теоретичний матеріал
Під час заняття студенти проводять необхідні виміри виконують
розрахунки доводять звіт до висновку Результати вимірювання
обговорюються з викладачем і затверджуються
Повністю оформлений звіт до лабораторної роботи потрібно подати
викладачу до кінця заняття Якщо студент не встигає захистити лабораторну
роботу до кінця заняття дозволяється оформити звіт (графіки) до наступного
заняття
Лабораторна робота вважається виконаною після успішно проведеного
захисту шляхом співбесіди студента з викладачем (захист звіту та оцінка за
теоретичний матеріал)
Після вивчення дисципліни студент повинен
знати основні закони сучасної і класичної фізики класичні і сучасні
теорії взаємозвrsquoязок фізичних законів із законами діалектики
уміти аналізувати фізичні явища і встановлювати причинні звrsquoязки між
ними формулювати інженерно-фізичні задачі уміти їх розвrsquoязувати давати
розумну оцінку отриманих результатів
5
ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ
Лабораторна робота 1
ВИЗНАЧЕННЯ РАДІУСА КРИВИНИ ЛІНЗИ ЗА КІЛЬЦЯМИ
НЬЮТОНА
Мета роботи Вивчення інтерференції світла спостереження кілець
Ньютона й вимірювання їхніх радіусів розрахунок радіуса кривини лінзи за
інтерференційною картиною
Технічне оснащення
Бінокулярний стереоскопічний мікроскоп МБС-9 освітлювальна лампа із
джерелом живлення опукла скляна лінза скляна пластинка мякі серветки
Короткі теоретичні відомості
Інтерференція світла ndash це накладання двох або більше когерентних
світлових хвиль в результаті чого відбувається перерозподіл інтенсивності
світла
Світлові хвилі когерентні якщо їхні довжини хвиль однакові
(монохроматичність) і вектори напруженостей електричних полів хвиль мають
однакову просторову орієнтацію (просторова поляризованість) У результаті
накладання когерентних світлових хвиль відбувається перерозподіл їхньої
енергії У точках інтерференційної картини де хвилі мають однакові фази
відбувається підсилення світла (інтерференційні максимуми) у точках
інтерференційної картини де хвилі мають протилежні фази відбувається
часткове або повне послаблення світла (інтерференційні мінімуми)
Нехай дві світлові хвилі з амплітудами Е01 і Е02 інтерферують у деякій
точці середовища з показником заломлення n Рівняння світлових хвиль
)sin(10011rktEE minus= ω )sin(
20022rktEE minus= ω
де k0 = 2πλ ndash хвильове число Різниця фаз ∆φ і оптична різниця ходу
∆ світлових хвиль становлять
)(210rrk minus=∆ϕ )(
21rrn minus=∆
Для інтерференційних максимумів
6
kπϕ 2=∆ λk=∆ 0201EEE
p+=
де k = 0 1 2 3 4 ndash цілі числа Ер ndashамплітуда результуючої хвилі
Для інтерференційних мінімумів
πϕ )12( +=∆ k 2
)12(λ
+=∆ k 0201EEE
pminus=
У природі не існує когерентних джерел світла тому що елементарні
випромінювачі світлових хвиль (атоми й молекули) рухаються хаотично і
просторова орієнтація їх з часом змінюється Для отримання когерентних
світлових пучків до 60-х років XX століття застосовували такі оптичні системи
щілини Юнга дзеркала Френеля біпризми Френеля та ін У цих системах
світловий пучок розділяється на два пучки які проходять різні оптичні шляхи й
потім інтерферують Недосконалість традиційних методів полягає в тому що
складові світлового пучка залишаються когерентними тільки протягом
тривалості життя атома в збудженому стані тобто при оптичних різницях ходу
порядку довжини світлової хвилі Зараз для одержання когерентних світлових
пучків крім традиційних оптичних систем застосовують лазерні
випромінювачі Світлові хвилі які випускає лазерний випромінювач строго
монохроматичні їхні електричні поля мають однакову просторову орієнтацію
Одним з обєктів в яких відбувається інтерференція світла є тонка прозора
плівка Інтерференційна картина у відбитому від плівки світлі утворюється
внаслідок накладання світлових пучків відбитих на межі плівки з оточуючим її
середовищем Якщо показник заломлення плівки n gt 1 а показник заломлення
середовища яке оточує плівку дорівнює 1 (вакуум повітря) то оптична
різниця ходу світлових пучків відбитих на межі плівки з урахуванням зміни
фази при відбитті становить
2sin2
22 λ+minus=∆ ind (1)
де d ndash товщина плівки i ndash кут падіння світла
7
Метод вимірювання
Оптичну схему лабораторної установки для одержання кілець Ньютона
показано на рис 1
Опукла поверхня скляної лінзи й
скляна пластинка дотикаються в точці О
Між опуклою поверхнею лінзи й
поверхнею пластинки утворюється
повітряний клин Якщо на лінзу падає
плоска світлова монохроматична хвиля
довжиною λ то її промені зазнають
відбивання на випуклій поверхні лінзи
(для одного із променів у точці А) і на
поверхні пластинки (для того ж променя в точці В) Оптична різниця ходу
інтерферуючих у відбитому світлі хвиль згідно з (1) становить
22
λ+=∆ dn (2)
де d = АВ ndash товщина повітряного клина Якщо для даних значень d і λ
∆ = k λ то на відстані r від точки О в площині паралельній поверхні пластинки
спостерігається інтерференційний максимум (світле кільце Ньютона) якщо
∆ = (2k + 1) λ2 ndash інтерференційний мінімум (темне кільце Ньютона)
Інтерференційна картина схематично показана на рис 2 Радіуси кілець
Ньютона можна визначити з наступних
міркувань Оскільки радіус кривини лінзи R gtgt
d то фігуру ОВАС можна розглядати як
прямокутний трикутник
222)( rRdR +cong+ R
rd
2
2
cong
Беручи до уваги рівність (2) одержимо
2
2λ
+=∆R
r
Рис 1
Рис 2
8
Для світлих кілець Ньютона у відбитому світлі
λk=∆ і 2
)12(λ
Rkr minus= (3)
для темних кілець Ньютона у відбитому світлі
2)12(λ
+=∆ k і λkRr = (4)
де k = 1 2 3 4 ndash порядкові номери кілець (рис2) У центрі
інтерференційної картини спостерігається нульовий мінімум Інтерференційна
картина спостерігається також у пройденому світлі причому радіуси темних
кілець визначаються за формулою (3) а радіуси світлих кілець ndash за формулою
(4) Формули (3) і (4) дозволяють розрахувати радіус кривини лінзи R при
вимірюванні радіусів кілець Ньютона з високим ступенем точності Похибку
вимірювання радіуса кривини лінзи можна зменшити якщо визначити його із
системи рівнянь (4) для двох темних кілець із порядковими номерами m і k
λmRrm=
2 λkRrk=
2 λ)(
22
km
rrR
km
minus
minus
= (5)
Формула (5) дає можливість обчислити значення R усереднене тільки по
двох вимірюваннях Одержати його можна за результатами вимірювання
радіусів довільного числа кілець Ньютона шляхом графічної обробки
результатів вимірів Для цього будують
графік залежності 2
kr від номерів кілець k
(рис 3) Отриману залежність апроксимують
прямою лінією вибирають на прямій лінії
точки С1 і С2 і координати цих точок
підставляють у формулу
λ)(12
2
1
2
2
kk
rrR
minus
minus
= (6)
Відносна похибка визначення радіуса
кривини
Рис 3
r2
k
k
C2
C1
9
λ
λ∆+
minus
∆+
+
∆=
∆=
kmkmrr
r
rr
r
R
RE (7)
Абсолютні похибки становлять
∆r = 0025 мм ∆λ = 05 нм
Спостереження кілець Ньютона й вимірювання їхніх радіусів проводиться
за допомогою бінокулярного стереоскопічного мікроскопа МБС-9 (рис 4)
Одна з бінокулярних трубок мікроскопа замінена насадкою 2 із ламповим
освітлювачем 1
Спостереження кілець Ньютона ведеться у відбитому світлі Промінь
світла від освітлювача проходить через червоний світлофільтр (λ = 690 нм) і за
допомогою оптичних елементів направляється на досліджувану лінзу 5 що має
оптичний контакт із пластинкою 6
Відбиті промені через
систему оптичних елементів
попадають в окуляр 3 В окуляр
вмонтована вимірювальна
шкала Чіткість зображення
поля зору досягається
обертанням маховичка 4 Для
вимірювання лінійних розмірів
кілець Ньютона досить
підрахувати число поділок
шкали що укладаються на
діаметрі кільця і поділити його
на коефіцієнт збільшення при
якому здійснюється
вимірювання Отриманий
результат дорівнює діаметру
кільця в міліметрах
Рис 4
2
1
5 6
8
4
7
3
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
5
ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ
Лабораторна робота 1
ВИЗНАЧЕННЯ РАДІУСА КРИВИНИ ЛІНЗИ ЗА КІЛЬЦЯМИ
НЬЮТОНА
Мета роботи Вивчення інтерференції світла спостереження кілець
Ньютона й вимірювання їхніх радіусів розрахунок радіуса кривини лінзи за
інтерференційною картиною
Технічне оснащення
Бінокулярний стереоскопічний мікроскоп МБС-9 освітлювальна лампа із
джерелом живлення опукла скляна лінза скляна пластинка мякі серветки
Короткі теоретичні відомості
Інтерференція світла ndash це накладання двох або більше когерентних
світлових хвиль в результаті чого відбувається перерозподіл інтенсивності
світла
Світлові хвилі когерентні якщо їхні довжини хвиль однакові
(монохроматичність) і вектори напруженостей електричних полів хвиль мають
однакову просторову орієнтацію (просторова поляризованість) У результаті
накладання когерентних світлових хвиль відбувається перерозподіл їхньої
енергії У точках інтерференційної картини де хвилі мають однакові фази
відбувається підсилення світла (інтерференційні максимуми) у точках
інтерференційної картини де хвилі мають протилежні фази відбувається
часткове або повне послаблення світла (інтерференційні мінімуми)
Нехай дві світлові хвилі з амплітудами Е01 і Е02 інтерферують у деякій
точці середовища з показником заломлення n Рівняння світлових хвиль
)sin(10011rktEE minus= ω )sin(
20022rktEE minus= ω
де k0 = 2πλ ndash хвильове число Різниця фаз ∆φ і оптична різниця ходу
∆ світлових хвиль становлять
)(210rrk minus=∆ϕ )(
21rrn minus=∆
Для інтерференційних максимумів
6
kπϕ 2=∆ λk=∆ 0201EEE
p+=
де k = 0 1 2 3 4 ndash цілі числа Ер ndashамплітуда результуючої хвилі
Для інтерференційних мінімумів
πϕ )12( +=∆ k 2
)12(λ
+=∆ k 0201EEE
pminus=
У природі не існує когерентних джерел світла тому що елементарні
випромінювачі світлових хвиль (атоми й молекули) рухаються хаотично і
просторова орієнтація їх з часом змінюється Для отримання когерентних
світлових пучків до 60-х років XX століття застосовували такі оптичні системи
щілини Юнга дзеркала Френеля біпризми Френеля та ін У цих системах
світловий пучок розділяється на два пучки які проходять різні оптичні шляхи й
потім інтерферують Недосконалість традиційних методів полягає в тому що
складові світлового пучка залишаються когерентними тільки протягом
тривалості життя атома в збудженому стані тобто при оптичних різницях ходу
порядку довжини світлової хвилі Зараз для одержання когерентних світлових
пучків крім традиційних оптичних систем застосовують лазерні
випромінювачі Світлові хвилі які випускає лазерний випромінювач строго
монохроматичні їхні електричні поля мають однакову просторову орієнтацію
Одним з обєктів в яких відбувається інтерференція світла є тонка прозора
плівка Інтерференційна картина у відбитому від плівки світлі утворюється
внаслідок накладання світлових пучків відбитих на межі плівки з оточуючим її
середовищем Якщо показник заломлення плівки n gt 1 а показник заломлення
середовища яке оточує плівку дорівнює 1 (вакуум повітря) то оптична
різниця ходу світлових пучків відбитих на межі плівки з урахуванням зміни
фази при відбитті становить
2sin2
22 λ+minus=∆ ind (1)
де d ndash товщина плівки i ndash кут падіння світла
7
Метод вимірювання
Оптичну схему лабораторної установки для одержання кілець Ньютона
показано на рис 1
Опукла поверхня скляної лінзи й
скляна пластинка дотикаються в точці О
Між опуклою поверхнею лінзи й
поверхнею пластинки утворюється
повітряний клин Якщо на лінзу падає
плоска світлова монохроматична хвиля
довжиною λ то її промені зазнають
відбивання на випуклій поверхні лінзи
(для одного із променів у точці А) і на
поверхні пластинки (для того ж променя в точці В) Оптична різниця ходу
інтерферуючих у відбитому світлі хвиль згідно з (1) становить
22
λ+=∆ dn (2)
де d = АВ ndash товщина повітряного клина Якщо для даних значень d і λ
∆ = k λ то на відстані r від точки О в площині паралельній поверхні пластинки
спостерігається інтерференційний максимум (світле кільце Ньютона) якщо
∆ = (2k + 1) λ2 ndash інтерференційний мінімум (темне кільце Ньютона)
Інтерференційна картина схематично показана на рис 2 Радіуси кілець
Ньютона можна визначити з наступних
міркувань Оскільки радіус кривини лінзи R gtgt
d то фігуру ОВАС можна розглядати як
прямокутний трикутник
222)( rRdR +cong+ R
rd
2
2
cong
Беручи до уваги рівність (2) одержимо
2
2λ
+=∆R
r
Рис 1
Рис 2
8
Для світлих кілець Ньютона у відбитому світлі
λk=∆ і 2
)12(λ
Rkr minus= (3)
для темних кілець Ньютона у відбитому світлі
2)12(λ
+=∆ k і λkRr = (4)
де k = 1 2 3 4 ndash порядкові номери кілець (рис2) У центрі
інтерференційної картини спостерігається нульовий мінімум Інтерференційна
картина спостерігається також у пройденому світлі причому радіуси темних
кілець визначаються за формулою (3) а радіуси світлих кілець ndash за формулою
(4) Формули (3) і (4) дозволяють розрахувати радіус кривини лінзи R при
вимірюванні радіусів кілець Ньютона з високим ступенем точності Похибку
вимірювання радіуса кривини лінзи можна зменшити якщо визначити його із
системи рівнянь (4) для двох темних кілець із порядковими номерами m і k
λmRrm=
2 λkRrk=
2 λ)(
22
km
rrR
km
minus
minus
= (5)
Формула (5) дає можливість обчислити значення R усереднене тільки по
двох вимірюваннях Одержати його можна за результатами вимірювання
радіусів довільного числа кілець Ньютона шляхом графічної обробки
результатів вимірів Для цього будують
графік залежності 2
kr від номерів кілець k
(рис 3) Отриману залежність апроксимують
прямою лінією вибирають на прямій лінії
точки С1 і С2 і координати цих точок
підставляють у формулу
λ)(12
2
1
2
2
kk
rrR
minus
minus
= (6)
Відносна похибка визначення радіуса
кривини
Рис 3
r2
k
k
C2
C1
9
λ
λ∆+
minus
∆+
+
∆=
∆=
kmkmrr
r
rr
r
R
RE (7)
Абсолютні похибки становлять
∆r = 0025 мм ∆λ = 05 нм
Спостереження кілець Ньютона й вимірювання їхніх радіусів проводиться
за допомогою бінокулярного стереоскопічного мікроскопа МБС-9 (рис 4)
Одна з бінокулярних трубок мікроскопа замінена насадкою 2 із ламповим
освітлювачем 1
Спостереження кілець Ньютона ведеться у відбитому світлі Промінь
світла від освітлювача проходить через червоний світлофільтр (λ = 690 нм) і за
допомогою оптичних елементів направляється на досліджувану лінзу 5 що має
оптичний контакт із пластинкою 6
Відбиті промені через
систему оптичних елементів
попадають в окуляр 3 В окуляр
вмонтована вимірювальна
шкала Чіткість зображення
поля зору досягається
обертанням маховичка 4 Для
вимірювання лінійних розмірів
кілець Ньютона досить
підрахувати число поділок
шкали що укладаються на
діаметрі кільця і поділити його
на коефіцієнт збільшення при
якому здійснюється
вимірювання Отриманий
результат дорівнює діаметру
кільця в міліметрах
Рис 4
2
1
5 6
8
4
7
3
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
6
kπϕ 2=∆ λk=∆ 0201EEE
p+=
де k = 0 1 2 3 4 ndash цілі числа Ер ndashамплітуда результуючої хвилі
Для інтерференційних мінімумів
πϕ )12( +=∆ k 2
)12(λ
+=∆ k 0201EEE
pminus=
У природі не існує когерентних джерел світла тому що елементарні
випромінювачі світлових хвиль (атоми й молекули) рухаються хаотично і
просторова орієнтація їх з часом змінюється Для отримання когерентних
світлових пучків до 60-х років XX століття застосовували такі оптичні системи
щілини Юнга дзеркала Френеля біпризми Френеля та ін У цих системах
світловий пучок розділяється на два пучки які проходять різні оптичні шляхи й
потім інтерферують Недосконалість традиційних методів полягає в тому що
складові світлового пучка залишаються когерентними тільки протягом
тривалості життя атома в збудженому стані тобто при оптичних різницях ходу
порядку довжини світлової хвилі Зараз для одержання когерентних світлових
пучків крім традиційних оптичних систем застосовують лазерні
випромінювачі Світлові хвилі які випускає лазерний випромінювач строго
монохроматичні їхні електричні поля мають однакову просторову орієнтацію
Одним з обєктів в яких відбувається інтерференція світла є тонка прозора
плівка Інтерференційна картина у відбитому від плівки світлі утворюється
внаслідок накладання світлових пучків відбитих на межі плівки з оточуючим її
середовищем Якщо показник заломлення плівки n gt 1 а показник заломлення
середовища яке оточує плівку дорівнює 1 (вакуум повітря) то оптична
різниця ходу світлових пучків відбитих на межі плівки з урахуванням зміни
фази при відбитті становить
2sin2
22 λ+minus=∆ ind (1)
де d ndash товщина плівки i ndash кут падіння світла
7
Метод вимірювання
Оптичну схему лабораторної установки для одержання кілець Ньютона
показано на рис 1
Опукла поверхня скляної лінзи й
скляна пластинка дотикаються в точці О
Між опуклою поверхнею лінзи й
поверхнею пластинки утворюється
повітряний клин Якщо на лінзу падає
плоска світлова монохроматична хвиля
довжиною λ то її промені зазнають
відбивання на випуклій поверхні лінзи
(для одного із променів у точці А) і на
поверхні пластинки (для того ж променя в точці В) Оптична різниця ходу
інтерферуючих у відбитому світлі хвиль згідно з (1) становить
22
λ+=∆ dn (2)
де d = АВ ndash товщина повітряного клина Якщо для даних значень d і λ
∆ = k λ то на відстані r від точки О в площині паралельній поверхні пластинки
спостерігається інтерференційний максимум (світле кільце Ньютона) якщо
∆ = (2k + 1) λ2 ndash інтерференційний мінімум (темне кільце Ньютона)
Інтерференційна картина схематично показана на рис 2 Радіуси кілець
Ньютона можна визначити з наступних
міркувань Оскільки радіус кривини лінзи R gtgt
d то фігуру ОВАС можна розглядати як
прямокутний трикутник
222)( rRdR +cong+ R
rd
2
2
cong
Беручи до уваги рівність (2) одержимо
2
2λ
+=∆R
r
Рис 1
Рис 2
8
Для світлих кілець Ньютона у відбитому світлі
λk=∆ і 2
)12(λ
Rkr minus= (3)
для темних кілець Ньютона у відбитому світлі
2)12(λ
+=∆ k і λkRr = (4)
де k = 1 2 3 4 ndash порядкові номери кілець (рис2) У центрі
інтерференційної картини спостерігається нульовий мінімум Інтерференційна
картина спостерігається також у пройденому світлі причому радіуси темних
кілець визначаються за формулою (3) а радіуси світлих кілець ndash за формулою
(4) Формули (3) і (4) дозволяють розрахувати радіус кривини лінзи R при
вимірюванні радіусів кілець Ньютона з високим ступенем точності Похибку
вимірювання радіуса кривини лінзи можна зменшити якщо визначити його із
системи рівнянь (4) для двох темних кілець із порядковими номерами m і k
λmRrm=
2 λkRrk=
2 λ)(
22
km
rrR
km
minus
minus
= (5)
Формула (5) дає можливість обчислити значення R усереднене тільки по
двох вимірюваннях Одержати його можна за результатами вимірювання
радіусів довільного числа кілець Ньютона шляхом графічної обробки
результатів вимірів Для цього будують
графік залежності 2
kr від номерів кілець k
(рис 3) Отриману залежність апроксимують
прямою лінією вибирають на прямій лінії
точки С1 і С2 і координати цих точок
підставляють у формулу
λ)(12
2
1
2
2
kk
rrR
minus
minus
= (6)
Відносна похибка визначення радіуса
кривини
Рис 3
r2
k
k
C2
C1
9
λ
λ∆+
minus
∆+
+
∆=
∆=
kmkmrr
r
rr
r
R
RE (7)
Абсолютні похибки становлять
∆r = 0025 мм ∆λ = 05 нм
Спостереження кілець Ньютона й вимірювання їхніх радіусів проводиться
за допомогою бінокулярного стереоскопічного мікроскопа МБС-9 (рис 4)
Одна з бінокулярних трубок мікроскопа замінена насадкою 2 із ламповим
освітлювачем 1
Спостереження кілець Ньютона ведеться у відбитому світлі Промінь
світла від освітлювача проходить через червоний світлофільтр (λ = 690 нм) і за
допомогою оптичних елементів направляється на досліджувану лінзу 5 що має
оптичний контакт із пластинкою 6
Відбиті промені через
систему оптичних елементів
попадають в окуляр 3 В окуляр
вмонтована вимірювальна
шкала Чіткість зображення
поля зору досягається
обертанням маховичка 4 Для
вимірювання лінійних розмірів
кілець Ньютона досить
підрахувати число поділок
шкали що укладаються на
діаметрі кільця і поділити його
на коефіцієнт збільшення при
якому здійснюється
вимірювання Отриманий
результат дорівнює діаметру
кільця в міліметрах
Рис 4
2
1
5 6
8
4
7
3
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
7
Метод вимірювання
Оптичну схему лабораторної установки для одержання кілець Ньютона
показано на рис 1
Опукла поверхня скляної лінзи й
скляна пластинка дотикаються в точці О
Між опуклою поверхнею лінзи й
поверхнею пластинки утворюється
повітряний клин Якщо на лінзу падає
плоска світлова монохроматична хвиля
довжиною λ то її промені зазнають
відбивання на випуклій поверхні лінзи
(для одного із променів у точці А) і на
поверхні пластинки (для того ж променя в точці В) Оптична різниця ходу
інтерферуючих у відбитому світлі хвиль згідно з (1) становить
22
λ+=∆ dn (2)
де d = АВ ndash товщина повітряного клина Якщо для даних значень d і λ
∆ = k λ то на відстані r від точки О в площині паралельній поверхні пластинки
спостерігається інтерференційний максимум (світле кільце Ньютона) якщо
∆ = (2k + 1) λ2 ndash інтерференційний мінімум (темне кільце Ньютона)
Інтерференційна картина схематично показана на рис 2 Радіуси кілець
Ньютона можна визначити з наступних
міркувань Оскільки радіус кривини лінзи R gtgt
d то фігуру ОВАС можна розглядати як
прямокутний трикутник
222)( rRdR +cong+ R
rd
2
2
cong
Беручи до уваги рівність (2) одержимо
2
2λ
+=∆R
r
Рис 1
Рис 2
8
Для світлих кілець Ньютона у відбитому світлі
λk=∆ і 2
)12(λ
Rkr minus= (3)
для темних кілець Ньютона у відбитому світлі
2)12(λ
+=∆ k і λkRr = (4)
де k = 1 2 3 4 ndash порядкові номери кілець (рис2) У центрі
інтерференційної картини спостерігається нульовий мінімум Інтерференційна
картина спостерігається також у пройденому світлі причому радіуси темних
кілець визначаються за формулою (3) а радіуси світлих кілець ndash за формулою
(4) Формули (3) і (4) дозволяють розрахувати радіус кривини лінзи R при
вимірюванні радіусів кілець Ньютона з високим ступенем точності Похибку
вимірювання радіуса кривини лінзи можна зменшити якщо визначити його із
системи рівнянь (4) для двох темних кілець із порядковими номерами m і k
λmRrm=
2 λkRrk=
2 λ)(
22
km
rrR
km
minus
minus
= (5)
Формула (5) дає можливість обчислити значення R усереднене тільки по
двох вимірюваннях Одержати його можна за результатами вимірювання
радіусів довільного числа кілець Ньютона шляхом графічної обробки
результатів вимірів Для цього будують
графік залежності 2
kr від номерів кілець k
(рис 3) Отриману залежність апроксимують
прямою лінією вибирають на прямій лінії
точки С1 і С2 і координати цих точок
підставляють у формулу
λ)(12
2
1
2
2
kk
rrR
minus
minus
= (6)
Відносна похибка визначення радіуса
кривини
Рис 3
r2
k
k
C2
C1
9
λ
λ∆+
minus
∆+
+
∆=
∆=
kmkmrr
r
rr
r
R
RE (7)
Абсолютні похибки становлять
∆r = 0025 мм ∆λ = 05 нм
Спостереження кілець Ньютона й вимірювання їхніх радіусів проводиться
за допомогою бінокулярного стереоскопічного мікроскопа МБС-9 (рис 4)
Одна з бінокулярних трубок мікроскопа замінена насадкою 2 із ламповим
освітлювачем 1
Спостереження кілець Ньютона ведеться у відбитому світлі Промінь
світла від освітлювача проходить через червоний світлофільтр (λ = 690 нм) і за
допомогою оптичних елементів направляється на досліджувану лінзу 5 що має
оптичний контакт із пластинкою 6
Відбиті промені через
систему оптичних елементів
попадають в окуляр 3 В окуляр
вмонтована вимірювальна
шкала Чіткість зображення
поля зору досягається
обертанням маховичка 4 Для
вимірювання лінійних розмірів
кілець Ньютона досить
підрахувати число поділок
шкали що укладаються на
діаметрі кільця і поділити його
на коефіцієнт збільшення при
якому здійснюється
вимірювання Отриманий
результат дорівнює діаметру
кільця в міліметрах
Рис 4
2
1
5 6
8
4
7
3
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
8
Для світлих кілець Ньютона у відбитому світлі
λk=∆ і 2
)12(λ
Rkr minus= (3)
для темних кілець Ньютона у відбитому світлі
2)12(λ
+=∆ k і λkRr = (4)
де k = 1 2 3 4 ndash порядкові номери кілець (рис2) У центрі
інтерференційної картини спостерігається нульовий мінімум Інтерференційна
картина спостерігається також у пройденому світлі причому радіуси темних
кілець визначаються за формулою (3) а радіуси світлих кілець ndash за формулою
(4) Формули (3) і (4) дозволяють розрахувати радіус кривини лінзи R при
вимірюванні радіусів кілець Ньютона з високим ступенем точності Похибку
вимірювання радіуса кривини лінзи можна зменшити якщо визначити його із
системи рівнянь (4) для двох темних кілець із порядковими номерами m і k
λmRrm=
2 λkRrk=
2 λ)(
22
km
rrR
km
minus
minus
= (5)
Формула (5) дає можливість обчислити значення R усереднене тільки по
двох вимірюваннях Одержати його можна за результатами вимірювання
радіусів довільного числа кілець Ньютона шляхом графічної обробки
результатів вимірів Для цього будують
графік залежності 2
kr від номерів кілець k
(рис 3) Отриману залежність апроксимують
прямою лінією вибирають на прямій лінії
точки С1 і С2 і координати цих точок
підставляють у формулу
λ)(12
2
1
2
2
kk
rrR
minus
minus
= (6)
Відносна похибка визначення радіуса
кривини
Рис 3
r2
k
k
C2
C1
9
λ
λ∆+
minus
∆+
+
∆=
∆=
kmkmrr
r
rr
r
R
RE (7)
Абсолютні похибки становлять
∆r = 0025 мм ∆λ = 05 нм
Спостереження кілець Ньютона й вимірювання їхніх радіусів проводиться
за допомогою бінокулярного стереоскопічного мікроскопа МБС-9 (рис 4)
Одна з бінокулярних трубок мікроскопа замінена насадкою 2 із ламповим
освітлювачем 1
Спостереження кілець Ньютона ведеться у відбитому світлі Промінь
світла від освітлювача проходить через червоний світлофільтр (λ = 690 нм) і за
допомогою оптичних елементів направляється на досліджувану лінзу 5 що має
оптичний контакт із пластинкою 6
Відбиті промені через
систему оптичних елементів
попадають в окуляр 3 В окуляр
вмонтована вимірювальна
шкала Чіткість зображення
поля зору досягається
обертанням маховичка 4 Для
вимірювання лінійних розмірів
кілець Ньютона досить
підрахувати число поділок
шкали що укладаються на
діаметрі кільця і поділити його
на коефіцієнт збільшення при
якому здійснюється
вимірювання Отриманий
результат дорівнює діаметру
кільця в міліметрах
Рис 4
2
1
5 6
8
4
7
3
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
9
λ
λ∆+
minus
∆+
+
∆=
∆=
kmkmrr
r
rr
r
R
RE (7)
Абсолютні похибки становлять
∆r = 0025 мм ∆λ = 05 нм
Спостереження кілець Ньютона й вимірювання їхніх радіусів проводиться
за допомогою бінокулярного стереоскопічного мікроскопа МБС-9 (рис 4)
Одна з бінокулярних трубок мікроскопа замінена насадкою 2 із ламповим
освітлювачем 1
Спостереження кілець Ньютона ведеться у відбитому світлі Промінь
світла від освітлювача проходить через червоний світлофільтр (λ = 690 нм) і за
допомогою оптичних елементів направляється на досліджувану лінзу 5 що має
оптичний контакт із пластинкою 6
Відбиті промені через
систему оптичних елементів
попадають в окуляр 3 В окуляр
вмонтована вимірювальна
шкала Чіткість зображення
поля зору досягається
обертанням маховичка 4 Для
вимірювання лінійних розмірів
кілець Ньютона досить
підрахувати число поділок
шкали що укладаються на
діаметрі кільця і поділити його
на коефіцієнт збільшення при
якому здійснюється
вимірювання Отриманий
результат дорівнює діаметру
кільця в міліметрах
Рис 4
2
1
5 6
8
4
7
3
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
10
Хід роботи
1 Помістити на предметний столик 7 мікроскопа ретельно протерту
серветкою скляну пластинку 6 Включити джерело живлення освітлювача
2 Обертанням діоптрійного кільця 8 домогтися чіткого зображення
шкали мікроскопа
3 Поворотом маховичка 4 фокусування мікроскопа одержати чітке
зображення поверхні скляної пластинки
4 Покласти досліджувану лінзу 5 на скляну пластинку таким чином
щоб головна оптична вісь лінзи співпадала з оптичною віссю мікроскопа
Співпадання осей досягається переміщенням лінзи й пластинки по
предметному столику 7 мікроскопа У полі зору повинні зявитися світлі й темні
кільця Ньютона
5 Переміщенням пластинки 6 з лінзою сумістити діаметри кілець
Ньютона зі шкалою мікроскопа як це показано на рис 2
6 Зробити відлік координат x1 і x2 точок перетину темних кілець
Ньютона з горизонтальною шкалою (як мінімум для 5 кілець) результати
вимірювання занести до таблиці
7 За координатами x1 і x2 визначити діаметри D кілець Ньютона в
поділках шкали радіуси кілець Ньютона rk і виразити їх у метрах
8 Побудувати графік залежності 2
kr від k визначити із графіка радіус
кривини лінзи за формулою (6)
9 Визначити відносну похибку вимірювання за формулою (7)
10 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 1
Таблиця 1
k x в поділках D
поділок rk м r
2
k м2 R м E
зліва справа
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
11
Зміст звіту назва і номер лабораторної роботи оптична схема установки
графік залежності 2
kr від k розрахункові формули таблиця результатів
вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що називають інтерференцією світла
2 Дайте пояснення поняття laquoкогерентні світлові хвиліraquo
3 Що називають інтерференційними максимумами й мінімумами
4 Що називають оптичною різницею ходу світлових хвиль При якій
оптичній різниці ходу світлових хвиль утворяться інтерференційні максимуми
й мінімуми
5 У чому сутність традиційних методів одержання когерентних
світлових пучків Поясніть ці методи
6 У чому особливість світлових хвиль одержуваних від лазерних
випромінювачів
7 Поясніть хід світлових променів і утворення інтерференційної
картини в тонкій плівці
8 Запишіть і поясніть формулу оптичної різниці ходу в тонких
плівках
9 У яких випадках при розрахунку оптичної різниці ходу в тонких
плівках варто додавати (або віднімати) λ2
10 Поясніть хід променів в оптичній системі яка застосовується для
спостереження кілець Ньютона
11 Виведіть формули радіусів світлих і темних кілець Ньютона у
відбитому світлі
12 У чому сутність і необхідність графічного методу визначення
радіуса кривини лінзи за результатами вимірювання радіусів кілець Ньютона
Література [1 т3 sect 51-52 2 т2 sect 119-122 3 с 244-225]
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
12
Лабораторна робота 2
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА НА ВУЗЬКІЙ ЩІЛИНІ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на вузькій щілині визначення
довжини світлової хвилі за дифракційною картиною від вузької щілини
Технічне оснащення
Гоніометр Г 5 ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення екран з вузькою
щілиною на штативі
Короткі теоретичні відомості
Дифракцією називають огинання хвилями перешкод або відхилення
поширення хвиль поблизу перешкод від законів геометричної оптики
Розрізняють два види дифракції світла дифракцію плоских хвиль (дифракція
Фраунгофера) і дифракцію сферичних хвиль (дифракція Френеля) Обидва види
дифракції пояснюються на основі принципу Гюйгенса Розрахунок кожної
точки дифракційної картини можна зробити методом зон Френеля Для цього
фронт первинної хвилі розділяють на зони Френеля й підсумовують у даній
точці дифракційної картини амплітуди коливань які посилаються зонами
Френеля Одним з обєктів на яких відбувається дифракція світла є вузька
прямокутна щілина в непрозорому екрані
Якщо на вузьку прямокутну щілину
завширшки a падає плоска монохроматична
хвиля довжиною λ то на границях щілини
відбувається дифракція світла й за певних
умов на екрані що знаходиться на відстані l
від щілини буде спостерігатися
дифракційна картина що складається із
центрального максимуму й ряду вторинних
слабких по освітленості максимумів
розділених мінімумами (рис 5)
Для розрахунку дифракційної картини
в напрямку визначеному кутом дифракції φ розділяємо щілину на зони
Рис 5
а
d
φ
∆
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
13
Френеля геометрично подібні щілині Припускаємо що для цих напрямків на
щілині укладається ціле число n зон Френеля Ширина кожної зони Френеля
n
ad = різниця ходу хвиль що йдуть через краї щілини
2
λsdot=∆n
З рис 5 слідує що
ϕsinsdot=∆ a ϕλ
sin2
sdot=sdot an
Припустимо що для напрямків визначених кутом φ на щілині
укладається парне число зон Френеля Тоді
ϕλλ
sin2
sdot=sdot=sdot akn
де k = 1 2 3 4 ndash ціле число Амплітуда результуючого коливання
вторинних хвиль що йдуть від двох сусідніх зон дорівнює нулю дія всіх зон
попарно компенсується Умова дифракційних мінімумів
ϕλ sinsdot=sdot ak (8)
причому k відповідає порядковому номеру мінімуму Якщо число зон
Френеля непарне то
ϕλλ
sin2
)12(2
sdot=sdot+=sdot akn
дія однієї зони залишається не скомпенсованою і в даному напрямку
спостерігається вторинний максимум Умова вторинних максимумів
ϕλ
sin2
)12( sdot=sdot+ ak (9)
причому значення k відповідає порядковому номеру дифракційного
максимуму
Уточнимо умови при яких буде спостерігатися показана на рис 5 картина
Для цього знайдемо різницю ходу хвиль що йдуть через краї щілини в довільно
вибрану точку Р дифракційної картини (рис 6) Із трикутника АВР
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
14
)2
cos(2)(222 π
ϕ +minus+=∆+ ararr
Нехтуючи значенням ∆2 після
перетворень одержимо
l
a
r
aa
22sin
22
cong=minus∆ ϕ
Виконаємо дослідження
1) якщо λϕ ltltminus∆ sina то λltlt
l
a
2
2
або 12
2
ltlt
λl
a
2) якщо λϕ asympminus∆ sina то λasymp
l
a
2
2
або 12
2
asymp
λl
a
3) якщо λϕ gtgtminus∆ sina то λgtgt
l
a
2
2
або 12
2
gtgt
λl
a
Зясуємо фізичний зміст параметра дифракції λl
a
2
2
Для точки Р0 яка
лежить навпроти середини щілини (на рис6 пунктирні лінії)
4)
22
1(
2
22 alnl +=+
λ
λl
an
2
2
=
Отже параметр дифракції безпосередньо повязаний з числом зон Френеля
що укладаються на щілині Якщо n ltlt 1 щілина відкриває для даного напрямку
тільки частину центральної зони Френеля У цьому випадку спостерігається
дифракція Фраунгофера При n = 1 на щілині укладається невелике число зон
Френеля і на екрані спостерігається центральне зображення щілини
(центральний максимум) обрамлене темними й світлими смугами (дифракція
Френеля) Якщо n gtgt 1 на екрані спостерігається рівномірно освітлене
зображення щілини дифракційна картина по краях зображення дуже слабка і не
спостерігається Цей випадок відповідає геометричній оптиці
Рис 6
A B a
φ
r
r
∆
l
P P0
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
15
Метод вимірювання
Розподіл інтенсивності світла в досліджуваній дифракційній картині
показаний на рис 5 Площі фігур обмежені кривими прямо пропорційні
освітленості областей дифракційної картини На центральний максимум
припадає близько 85 світлового потоку що проходить через щілину
Вторинні максимуми розміщені по обидва боки від центрального максимуму У
проміжках між максимумами знаходяться мінімуми (темні області поля зору)
Для спостереження дифракційної картини й вимірювання кутів дифракції
використовується гоніометр Г 5 який зображений на рис 7 Основні елементи
його 1 ndash відліковий мікроскоп 2 ndash зорова труба 3 ndash маховичок фокусування
зорової труби 4 ndash столик (для установки екрана із щілиною) 5 ndash коліматор з
коліматорною щілиною 6 7 ndash основа 8 ndash мікрометричний гвинт алідади 9 ndash
маховичок оптичного мікрометра Зорова труба встановлена на поворотній
частині приладу (алідаді) Алідада може повертатися навколо вертикальної осі
Тумблер вмикання лампи підсвічування поля зору знаходиться на основі 7 з
лівої його сторони
Рис 7
1
2 3 4 5 6
9
8 7
10
11
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
16
Спрощену оптичну схему установки показано на рис 8 Промені від
ртутної лампи 10 проходять через коліматорну щілину 6 лінзу коліматора 5 і
зазнають дифракції на щілині Щ Після цього промені попадають в зорову
трубу 2 через окуляр якої спостерігається уявне зображення дифракційної
картини Д
У складі видимого випромінювання ртутної лампи по інтенсивності
переважають жовтий дублет з λ1 = 5791 нм і λ2 =5770 нм і зелена лінія з λ =
5461 нм По виміряному куту
дифракції можна визначити
довжину хвилі жовто-зеленої
області спектра (9)
12
2
+
=
k
aϕλ (10)
оскільки для малих кутів sinφ =
φ
Відносна похибка вимірювання довжини хвилі
ϕ
ϕ
λ
λ ∆=
∆=
∆=
a
aE (11)
причому ∆а = 0005 мм а ∆φ = 05 як номінальні похибки застосовуваних
приладів
Кути дифракції вимірюють за допомогою відлікового мікроскопу 1
Приклад поля зору відлікового мікроскопу показаний на рис 9 У лівому вікні
спостерігається зображення діаметрально протилежних ділянок лімба й
вертикальний індекс для відліку градусів а в правому вікні ndash вертикальна
шкала поділок оптичного мікрометра й горизонтальний індекс для відліку
хвилин і секунд Щоб зняти відлік з лімба необхідно повернути маховичок 9
настільки щоб верхні й нижні зображення штрихів лімба в лівому вікні точно
сумістилися
Рис 8
6 5 Щ 2 Д
10
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
17
Число градусів буде
дорівнювати найближчому лівому
від вертикального індексу числу
61 Число десятків хвилин
дорівнює числу інтервалів що
знаходиться між верхнім
штрихом який відповідає
відліченому числу градусів і
нижнім оцифрованим штрихом що відрізняється від верхнього на 180deg На рис
9 число поділок дорівнює 2 що відповідає 20 Число одиниць хвилин
відлічують по шкалі мікрометра в правому вікні по лівому ряду число секунд ndash
у тім же вікні по правому ряду Кут для відліку якого показане поле зору на
рис 9 становить
φ = 61deg20 (по лівій шкалі) + 1 26 (по правій шкалі)
φ=61deg2126
Хід роботи
1 Вивчити елементи гоніометра за схемою приведеною на рис 7
Забороняється безцільно обертати маховички приладу тому що це може
призвести до його розrsquoюстирування Включити тумблер гоніометра й вивчити
через відліковий мікроскоп 1 шкалу приладу показану на рис 9
2 Установити ртутну лампу на відстані 2-3 см від коліматорної
щілини Включити джерело живлення ртутної лампи 11 й спостерігати через
окуляр зорової труби зображення щілини коліматора й хрестоподібний перетин
візирних ліній Якщо є потреба сфокусувати зображення щілини коліматора
маховичком 3 до одержання чіткого зображення
3 Установити екран з досліджуваною щілиною на столик 4 і
спостерігати через окуляр зорової труби дифракційну картину від щілини
4 Спостерігаючи через окуляр зорової труби дифракційну картину
маховичком 8 звести вертикальну одинарну візирну лінію з лівим другим
дифракційним максимумом Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1
Рис 9
242ordm
61ordm
241ordm
62ordm 1
1
20
30
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
18
маховичком 9 сумістити штрихи верхньої й нижньої шкал лімба в лівій частині
поля зору Зробити відлік кута Ψ1 у відповідності з поясненнями до рис 9
5 Маховичком 8 сумістити вертикальну візирну лінію в полі зорової
труби із правим другим дифракційним максимумом Спостерігаючи поле зору
відлікового мікроскопу 1 маховичком 9 установити шкалу лімба в попереднє
положення По обох шкалах відлікового мікроскопу зробити відлік кута Ψ2
6 Повторити описані в пп 45 виміри кутів для максимумів 3-го й
4-го порядків
7 Для кожного значення порядку досліджуваного максимуму ( k = 2
3 4) визначити кути дифракції
2
21ψψ
ϕminus
=
у кутових секундах і перевести їх у радіани
1= 48510ndash6 радіан За формулою (10) знайти три значення довжини
світлової хвилі і її середнє значення Ширина щілини а зазначена на її штативі
8 Для мінімального значення k обчислити відносну похибку
вимірювання (11)
9 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 2
Таблиця 2
k Ψ1
1deg11
Ψ2
1deg11
φ
1
λ
нм
λср
нм
а
мм
Е
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема
установки розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
19
2 На які види дифракції поділяються всі дифракційні явища
3 У чому полягає метод зон Френеля для розрахунку дифракційної
картини
4 Як розподіляється інтенсивність світла в дифракційній картині від
вузької щілини
5 Виведіть залежність між числом зон Френеля шириною щілини й
кутом дифракції
6 Виведіть формули що визначають дифракційні максимуми й
мінімуми в дифракційній картині від вузької щілини
7 Виведіть формулу залежності параметра дифракції λl
a
2
2
від різниці
ходу хвиль що йдуть через краї щілини
8 Який звязок існує між параметром дифракції λl
a
2
2
й числом зон
Френеля що укладаються на щілині
9 Дослідіть випадки проходження світла через щілину якщо число
зон Френеля що укладаються на щілині n lt 1 n = 1 n gt 1
Література [1 т3 sect 62-63 2 т2 sect 128-129 3 с169-170]
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
20
Лабораторна робота 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Мета роботи Вивчення дифракції світла на дифракційній ґратці
визначення періоду дифракційної ґратки за дифракційною картиною
Технічне оснащення
Установка для дослідження дифракції світла на дифракційній ґратці з
освітлювачем трансформатором і екраном дифракційна ґратка лінійка
Короткі теоретичні відомості
Оригінал прозорої дифракційної ґратки являє собою прозору пластинку на
яку нанесені різцем ділильної машини паралельні штрихи На 1 мм довжини
ґратки наноситься від 50 до 2500 штрихів У лабораторному практикумі
застосовуються репліки (копії) оригінальних ґраток Прозорий проміжок між
двома сусідніми штрихами являє собою вузьку щілину Сумарну ширину
щілини а й штриха b називають сталою або періодом дифракційної ґратки c
c = a + b
Число штрихів і щілин на одиниці довжини ґратки
c
n
1= (12)
Припустимо що на дифракційну ґратку падає нормально плоска
монохроматична світлова хвиля довжиною λ Кожна точка кожної щілини
ґратки стає джерелом вторинних хвиль що йдуть в усіх напрямках простору
внаслідок чого світлові хвилі огинають штрихи ґратки під різними кутами
дифракції φ На екрані кожна щілина створює свою дифракційну картину
однак цей ефект тут головної ролі не відіграє тому що центральні максимуми
від кожної щілини мають малу інтенсивність Для дифракційної ґратки основну
роль грає інтерференція світлових хвиль що йдуть від різних щілин ґратки
Різниця ходу променів що йдуть під кутом φ від відповідних точок двох
сусідніх щілин
ϕsinc=∆
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
21
Інтерференційні максимуми спостерігаються для кутів дифракції що
задовольняють умову
ϕλ sinck = (13)
де k = 0 1 2 3 ndash порядковий номер максимуму
інтерференційні мінімуми ndash для кутів дифракції що задовольняють умову
ϕλ
sin2
)12( ck =+
де k ndash порядковий номер мінімуму
Дифракційна картина білого світла складається із центрального максимуму
й ряду спектрів симетрично розміщених обабіч від центрального максимуму
(рис 10) Порядковий номер максимуму називають порядком спектру
Роздільна сила дифракційної ґратки ndash це відношення
δλ
λ=R
де δλ ndash мінімальна різниця довжин хвиль ліній спектру λ і λ + δλ які в
дифракційній картині видні роздільно Роздільна сила дифракційної ґратки
залежить від порядку спектру й числа щілин ґратки
kNR =
Метод вимірювання
Лабораторна установка показана на
рис 10 а її схема на рис 11 Біле світло від
лампи Л проходячи через конденсор К
паралельним пучком променів падає на
дифракційну ґратку Д
На екрані Е спостерігається
дифракційне зображення нитки
розжарювання лампи у вигляді
центрального максимуму 0 (біле світло) і
ряду спектрів першого другого й вищих порядків
Відстань h від середини центрального максимуму до кожної області
спектру знаходиться за міліметровою шкалою екрана відстань l від
дифракційної ґратки до екрана вимірюється лінійкою Для світлових хвиль
Рис 10
Д Е
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
22
довжиною λ в спектрі до k -го порядку
l
hctgcck =sdot== ϕϕλ sin
Період дифракційної ґратки
h
lkc
λ= (14)
Відносна похибка визначення періоду
дифракційної ґратки
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ (15)
Числові значення λ задані з відносною
похибкою 010=∆
λ
λ абсолютні похибки ∆l і
∆h визначаються як номінальні похибки
лінійки й шкали екрану Довжини хвиль
центральних областей спектру червоної ndash 660 нм зеленої ndash 550 нм синьої ndash
430 нм
Хід роботи
1 Ввімкнути в мережу трансформатор лампи-освітлювача й шляхом
переміщення екрана одержати в його центрі чітке зображення нитки
розжарювання лампи (центральний максимум) Виміряти відстань l
2 Проспостерігати на екрані спектри першого другого й вищих
порядків Виміряти h вправо й вліво від центрального максимуму для
центральних червоної зеленої й синьої частин спектру 2-го і 3-го порядків
Вимкнути лампу-освітлювач
3 Для центральних червоної зеленої й синьої областей спектру за
результатами вимірювань знайти середнє значення h
4 Застосувавши формулу (14) визначити період дифракційної ґратки
за заданими довжинами хвиль для червоної зеленої й синьої областей спектру
Визначити середнє значення періоду дифракційної ґратки
5 За формулою (15) знайти відносну похибку вимірювання періоду
ґратки
Рис 11
Л
К
Д
φ l
h Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
23
6 За формулою (12) визначити число штрихів ґратки на 1 мм її
довжини взявши за с його середнє значення
7 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 3
Таблиця 3
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7
Зелена 55010-7
Синя 43010-7
сср = мм n = 1мм
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що таке дифракція світла Як пояснюється це явище на основі
принципу Гюйгенса
2 Що таке період або стала дифракційної ґратки
3 Поясніть утворення дифракційної картини монохроматичного й
білого світла від багатьох щілин
4 При якій оптичній різниці ходу світлових хвиль утворюються
інтерференційні максимуми й мінімуми
5 Як залежить кут дифракції від довжини світлової хвилі
6 Що таке роздільна сила дифракційної ґратки Як вона залежить від
числа щілин і порядку спектру
7 Як визначити найбільший порядок максимуму дифракційної ґратки
і число всіх максимумів якщо задана довжина хвилі й період дифракційної
ґратки
8 Дифракційна ґратка розділяє хвилі з довжинами 540 і 5412 нм Як
визначити роздільну силу дифракційної ґратки
Література [1 т 3 sect 63 2 т 2 sect 126130 3 с 169-170]
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
24
Лабораторна робота 4
ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА Й ВИЗНАЧЕННЯ СТУПЕНЯ
ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища поляризації світла експериментальна
перевірка закону Малюса визначення ступеня поляризації світла
Технічне оснащення
Установка для перевірки закону Малюса що складається з поляризатора
аналізатора фоторезистора й освітлювача випрямляч ВУП-2 вольтметр на
150 В міліамперметр на 10 мА реостат зrsquoєднувальні провідники
Короткі теоретичні відомості
Природне світло являє собою сукупність світлових хвиль у яких вектори
напруженості електричних полів мають різну просторову орієнтацію Якщо
орієнтація векторів напруженості світлових хвиль якимсь чином упорядкована
в просторі повністю або частково то сукупність таких світлових хвиль є
повністю або частково поляризоване світло Найпростішим видом
поляризованого світла є плоскополяризоване світло Для променя
плоскополяризованого світла вектори напруженості електричних полів усіх
світлових хвиль лежать в одній
площині для пучка світлових
променів ndash у паралельних площинах
Площину в якій знаходяться вектори
напруженості електричних полів
називають площиною коливань
(площина ЕОr на рис 12) площину в
якій лежать вектори напруженості
магнітних полів ndash площиною поляризації (площина HОr на рис 12)
Речовини що перетворюють неполяризоване світло у плоскополяризоване
світло називають поляризаторами В якості поляризаторів застосовують
поляризуючі призми й поляроїди Плоскополяризоване світло одержують також
від лазерних випромінювачів
Рис 12
E
H
r O
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
25
Часткова поляризація світла відбувається при відбитті й заломленні його
на межі двох діелектриків Поляризація світла при відбитті й заломленні
обумовлена поляризацією діелектрика електричним полем світлової хвилі
Відповідно до закону Брюстера відбитий промінь максимально поляризований
якщо тангенс кута падіння дорівнює відносному показнику заломлення другого
середовища відносно першого
tgin =21
Поляризуючі призми виготовляють із прозорих кристалів які дають
подвійне променезаломлення Найчастіше для цього застосовуються кристали
ісландського шпату Для виготовлення поляризуючої призми Ніколя дві
прямокутні призми склеюють канадським бальзамом У призмі промінь
природного світла розділяється на два промені поляризовані у взаємно
перпендикулярних площинах (рис 13)
Промінь звичайний зазнає повного
відбиття на шарі клею й поглинається
оправою призми промінь незвичайний
проходить через призму Інтенсивність
його без врахування поглинання світла
становить половину інтенсивності
променя природного світла
Поляроїд являє собою тонку прозору плівку на яку нанесені однаково
орієнтовані дрібні кристали (наприклад кристали сульфату йодистого хініну)
Метод вимірювання
Інженерно-фізичні дослідження обєктів у плоскополяризованому світлі
виконуються на установках що містять дві поляризуючі призми (або два
поляроїди) джерело світла й приймач світла Перша призма (поляризатор)
перетворює природне світло у плоскополяризоване друга (аналізатор)
застосовується для аналізу світла що пройшло через досліджуваний обєкт
який перебуває між поляризатором і аналізатором Інтенсивність світла що
Рис 13
Д о
С
90ordm е
68ordm 22ordm
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
26
пройшло через аналізатор
α2
0cosII = (16)
де I0 ndash інтенсивність світла що падає на аналізатор
α ndash кут між площинами поляризації (або між площинами коливань)
поляризатора й аналізатора Рівність (16) виражає зміст закону Малюса якщо
коефіцієнт поглинання світла матеріалом аналізатора дорівнює k то
інтенсивність світла що проходить через аналізатор
α2
0cos)1( kII minus= (17)
Схему застосовуваної для виконання лабораторної роботи установки показано
на рис 14 15 Світло від лампи Л (1) проходить через поляризатор П (2) і
аналізатор А (3) Як поляризатор і аналізатор застосовуються поляроїди
Оправа поляроїдів має кругову шкалу проградуйовану в кутових градусах
індекс для відліку кутів знаходиться на штативі поляроїду Як приймач світла
застосовується фоторезистор ФС (4) ndash напівпровідниковий елемент установки
електричний опір якого залежить від інтенсивності падаючого на нього світла
Рис 14
6 5
1
2 3
7
8
4
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
27
Напругу на фоторезистор подають від випрямляча ВУП-2 (5) через реостат
R (6) величину напруги контролюють вольтметром (7) Силу струму що
проходить через фоторезистор вимірюють міліамперметром (8) Світлова
характеристика фоторезистора нелінійна але при малій інтенсивності світлових
пучків силу фотоструму що проходить через фоторезистор при сталій напрузі
можна вважати приблизно прямо пропорційною інтенсивності світла що
проходить через аналізатор Повертаючи навколо напрямку променя
поляризатор і аналізатор вимірюють міліамперметром силу фотоструму й
приймають її за значення інтенсивності I Будують графік залежності I від cosα
Високоякісні поляризатори повністю поляризують пройдене через них
світло Застосовувані в лабораторній роботі поляроїди поляризують світло
частково ndash коливання одного напрямку переважають над коливаннями інших
напрямків За ступінь поляризації світла приймається співвідношення
minmax
minmax
II
IIP
+
minus
= (18)
де Imax та Imin ndash максимальна й мінімальна інтенсивність світла що
проходить через поляризатор
Для повністю поляризованого світла Imin = 0 і Р = 1 для не поляризованого
світла Imin = Imax і Р = 0
Рис 15
Л
П А
α
ФС
mA
V R +
- ВУП-2
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
28
Хід роботи
1 Зібрати електричну схему установки показану на рис 15 Повзунок
реостата R виставити в положення яке відповідає мінімальній напрузі на
фоторезисторі Шкали поляризатора й аналізатора встановити на нуль (360deg)
Включити в мережу освітлювач і випрямляч Повільно переміщаючи повзунок
реостата установити на фоторезисторі напругу 80 В Виміряти величину
фотоструму
2 Повернути поляризатор на кут 20deg За показами вольтметра
контролювати напругу Якщо напруга змінилася за допомогою реостата
встановити попереднє її значення Виміряти величину фотоструму
3 Повторити описаний дослід для кутів 30deg 40deg 50deg 60deg 70deg 90deg
110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg При всіх змінах кута напругу
підтримувати постійною
4 Залишити поляризатор на поділці 180deg повернути аналізатор на кут
20deg провести вимірювання струму Повторити дослід для кутів 30deg 40deg 50deg
60deg 70deg 90deg 110deg 120deg 130deg 140deg 150deg 160deg 180deg Вимкнути апаратуру
5 За парами значень струму знайти середнє його значення для кожної
величини кута
2
anII
I+
=
6 Побудувати графік залежності ltIgt від соs2α
При побудові графіка середину осі соs2α прийняти за нуль а вправо і
вліво від нього відкласти позитивні значення соs2α
7 За максимальним і мінімальним значенням струму ltIgt обчислити
ступінь поляризації світла (18)
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 4
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
29
Таблиця 4
α град соs2α Іп мА І
а мА ltIgt мА Р
0 100 20 0884 30 0750 40 0586 50 0413 60 0250 70 0117 90 000 110 0117 120 0250 130 0413 140 0586 150 0750 160 0884 180 100 Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи схема установки графік
залежності ltIgt від соs2α таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 Що являє собою неполяризоване світло
2 Яке світло називають плоскополяризованим Що таке площина
коливань і площина поляризація плоскополяризованого світла
3 За допомогою яких речовин і пристроїв неполяризоване світло
можна перетворити у плоскополяризоване світло
4 Що таке ступінь поляризації світла
5 Поясніть призначення поляризатора й аналізатора
6 Сформулюйте закон Малюса з урахуванням поглинання світла і без
урахування поглинання світла
7 Сформулюйте закон Брюстера
8 У чому полягає подвійне променезаломлення світла
9 Поясніть проходження світла через призму Ніколя
10 Що являють собою поляроїди Яке їх застосування
Література [1 т3 sect 81-85 2 т2 sect 134-136 141 3 с 574-576]
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
30
Лабораторна робота 5
ВИЗНАЧЕННЯ КУТА ПОВОРОТУ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ
СВІТЛА
Мета роботи Вивчення явища повороту площини поляризації
визначення концентрації цукру у водному розчині визначення питомого
повороту кварцу
Технічне оснащення
Цукромір СУ-3 (або СУ-4) набір кювет з водним розчином цукру набір
кварцевих пластинок в оправі
Короткі теоретичні відомості
Деякі прозорі кристали й розчини органічних сполук мають властивість
повертати площину поляризації плоскополяризованого світла яке проходить
через них Речовини що повертають площину поляризації ndash оптично активні
Прикладами оптично активних речовин можуть бути кварц кіновар (кристали)
скипидар нікотин (чисті рідини) розчини оптично активних речовин у
неактивних розчинниках (водні розчини цукру винної кислоти й ін)
Для спостерігача що дивиться назустріч променю площина поляризації
повертається за годинниковою стрілкою або проти неї Залежно від напрямку
обертання оптично активні речовини називають лівоповертаючими або
правоповертаючими
Кут повороту площини поляризації в кристалічній речовині прямо
пропорційний шляху l променя в кристалі
l0
αϕ =
де α0 ndash питоме обертання (стала обертання) речовини кут повороту
площини поляризації в розчинах прямо пропорційний шляху l світла в розчині
й концентрації С оптично активної речовини
Cl0
αϕ =
Повертання площини поляризації оптично активними речовинами
обумовлено асиметрією молекул і кристалів В органічних речовинах воно
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
31
обумовлено асиметричним атомом вуглецю (на рис 16 і 17 ndash атомами 1 2 3 4)
Молекули або кристали одного різновиду є дзеркальним відображенням
молекул або кристалів іншого
Оптично неактивні речовини під дією зовнішнього магнітного поля
набувають здатності повертати площину поляризації світла що поширюється
уздовж напрямку поля Це явище називають ефектом Фарадея Кут повороту
площини поляризації магнітним полем
VBl=ϕ
де В ndash індукція магнітного поля l ndash довжина шляху світла в магнітному
полі V ndash стала Верде що залежить від довжини хвилі світла й природи
речовини
Повертання площини пояснюється теорією Френеля відповідно до якої
вектор напруженості електричного поля розкладається на два вектори
половинної амплітуди які повертаючись в протилежних напрямках одночасно
переміщаються в напрямку променя з різними швидкостями При виході з
оптично активної речовини ці вектори складаються й дають результуючий
вектор плоскополяризованого променя Оскільки швидкості переміщення
векторів уздовж напрямку променя неоднакові площина поляризації світла
повертається на деякий кут
Метод вимірювання
На рис 19 показано цукромір СУ-4 а його оптичну схему ndash на рис 18
Світловий потік від лампи Л через конденсор К падає на поляризатор П який
перетворює його в поляризований Потім потік світла проходить через
Рис 16 Рис 17
2
1 3
4
С С
3 1
2
4
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
32
напівтіневу пластину НП яка розділяє його на дві половини При цьому
пластина установлена так що площини поляризації обох половин світлового
пучка становлять однакові кути із площиною поляризації аналізатора А При
відсутності оптично активної речовини М обидві половини поля зору в зоровій
трубі ЗТ освітлені однаково При введенні в камеру приладу оптично активної
речовини рівність освітленості обох половин поля зору порушується
Для компенсації
кута повороту площини
поляризації
застосовується
компенсаційний вузол
КВ що складається з
великого кварцового
клина лівого обертання
контрклина і малого
клина правого
обертання Компенсаційний вузол повязаний із гвинтом і шкалою При
вирівнюванні освітленості обох половин поля зору кут повороту відлічується за
основною шкалою й ноніусом що розміщений над основною шкалою У
цукромірі застосована міжнародна цукрова шкала Один градус цієї шкали
1deg S = 03462deg кутових
Додатні кути відлічуються від нуля вправо відrsquoємні ndash вліво
Якщо в якості оптично активної речовини використовується водний
розчин цукру то за виміряним кутом повороту площини поляризації φ можна
Рис 19
3
1 2
4
Рис 18
Л
С
К
П
НП
М
КВ
А ЗТ
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
33
визначити концентрацію цукру в розчині
lC
0α
ϕ= (19)
де l ndash довжина кювети з розчином цукру α0 ndash питоме обертання
Спостереження ведеться в жовтому світлі для якого питоме обертання цукру
α0 = 66510-2 кутових градусів м2кг
довжина застосовуваної кювети l ndash 0200 м або 0100 м
Відносна похибка вимірювання концентрації цукру в розчині
l
l
C
CE
∆+
∆+
∆=
∆=
0
0
1
α
α
ϕ
ϕ (20)
За технічними характеристиками приладу ∆l = 510ndash6 м
∆φ = 005degS = 001731deg кутових ∆α0 = 00005deg кутових
Якщо в якості оптично активної речовини використовується кварцева
пластинка то вимірявши кут повороту площини поляризації φ можна
визначити питоме повертання кварцу
l
ϕα =
0 (21)
де l ndash товщина кварцевої пластинки
Відносна похибка визначення питомого повертання кварцу
l
lE
∆+
∆=
∆=
ϕ
ϕ
α
α
0
0
1 (22)
причому ∆φ = 001731deg кутових ∆l = 510ndash6 м
Товщина кварцевої пластинки зазначена на її оправі
Хід роботи
1 Відкрити камеру цукроміра 1 й обережно вийняти кювету з
розчином цукру і кварцеві пластинки Закрити камеру (рис 19)
2 Тумблером включити лампу цукроміра настроїти лупу шкали 2 і
зорову трубу 3 на максимальну чіткість Обертанням гвинта компенсатора 4
встановити рівність освітленості обох половин поля зору Перевірити установку
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
34
нуля шкали У добре відрегульованому приладі рівність освітленості обох
половин поля зору повинна відповідати нулю шкали
3 Покласти в камеру приладу кювету з розчином цукру
спостерігаючи в зорову трубу Обертанням гвинта компенсатора встановити
однакові освітленості обох половин поля зору Визначити по основній шкалі
(нижній) і шкалі ноніуса (верхній) кут повороту площини поляризації розчином
цукру
4 Перевести значення кута повороту площини поляризації із градусів
цукрової шкали degS у градуси кутові
5 За формулами (19) і (20) обчислити концентрацію цукру в розчині
відносну й абсолютну похибки Результати занести до табл 5
6 Установити в камеру цукроміра одну з кварцевих пластинок і
обертанням гвинта компенсатора вирівняти освітленість обох половин поля
зору Визначити по шкалі кут повороту площини поляризації в градусах
цукрової шкали degS і перевести його в градуси кутові
7 Такі ж виміри зробити для другої кварцевої пластинки
8 За формулами (21) і (22) визначити питоме обертання
правообертаючого й лівообертаючого кварцу в кутових градусахмм і похибки
визначення питомого обертання
9 Результати вимірів і розрахунків занести до табл 6 і 7
Таблиця 5
l мм φ degS φ deg кутові С кгм3 Е1 ∆С кгм3
Таблиця 6
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е2 ∆α 1degмм
Таблиця 7
l мм φ degS φ deg кутові α0 1degмм Е3 ∆α 1degмм
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
35
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи спрощена схема
цукроміра табл 5-7 з результатами вимірювань і розрахунків
Контрольні запитання
1 Що таке площина коливань і площина поляризації
плоскополяризованого світла
2 Сформулюйте закон Брюстера для поляризації світла при відбитті й
заломленні його на границі двох діелектриків
3 Сформулюйте закон Малюса для інтенсивності світла яке пройшло
через поляризатор і аналізатор
4 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла кристалами
5 Як залежить кут повороту площини поляризації розчинами від
концентрації оптично активної речовини в розчині
6 Від яких факторів залежить кут повороту площини поляризації
світла магнітним полем
7 Які оптично активні речовини називають правоповертаючими а
які ndash лівоповертаючими
8 Чим обумовлене обертання площини поляризації світла оптично
активними речовинами
9 У чому сутність теорії обертання площини поляризації світла
оптично активними речовинами
10 Як вимірюють кути повороту площини поляризації цукроміром
Література [1 т 3 sect 84-85 2 т 2 sect 138-141 3 с 574-576]
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
36
Лабораторна робота 6
ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ
РЕФРАКТОМЕТРОМ
Мета роботи Вивчення дисперсії й поглинання світла вимірювання
показників заломлення рідин визначення фазової швидкості світла в рідинах за
виміряним показником заломлення
Технічне оснащення
Рефрактометр УРЛ посудини з досліджуваними рідинами палички для
нанесення крапель рідин у камеру рефрактометра бавовняні серветки
Короткі теоретичні відомості
Дисперсія світла ndash це явище зумовлене залежністю фазової швидкості
світла в речовині від довжини світлової хвилі Внаслідок дисперсії білого світла
в скляній призмі спостерігаються всі його складові причому заломлюються
найбільше фіолетові промені й найменше червоні (рис 20) Аналогічне явище
спостерігається в атмосфері на краплях води
Позначимо різницю довжин двох
світлових хвиль через dλ різницю їх фазових
швидкостей dv різницю показників
заломлення речовини через dn За кількісну
міру дисперсії речовини й дисперсії
показника заломлення приймаються
величини
λd
dvD = і
λd
dnD =
1
У вакуумі дисперсія світла відсутня Дисперсію називають нормальною
якщо хвилі з більшими довжинами поширюються в речовині з більшими
фазовими швидкостями і аномальною якщо хвилі з більшими довжинами
мають менші фазові швидкості Якщо частоти світлових хвиль істотно
відрізняються від частот власних коливань електронів речовини
Рис 20
Біле
світло
Ч
Ф сп
ектр
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
37
спостерігається нормальна дисперсія В області нормальної дисперсії речовина
прозора для світлових хвиль Якщо частота світлових коливань наближається
до частоти власних коливань електронів речовини спостерігається аномальна
дисперсія й речовина поглинає світлові хвилі
Якісне пояснення дисперсії й поглинання світла полягає в тому що
світлові хвилі змушують електрони діелектрика здійснювати вимушені
коливання діелектрик зазнає періодичної поляризації Електрони діелектрика
випускають вторинні хвилі які внаслідок інерції електронів запізнюються за
часом і складаючись із первинними хвилями дають результуючі хвилі що
відстають по фазі від падаючих на діелектрик хвиль Відставання по фазі тим
більше чим більша частота коливань Тому в областях нормальної дисперсії
фазова швидкість коротких хвиль менша ніж довгих При співпадінні частоти
світлових хвиль із частотою власних коливань електронів відбувається
резонансне поглинання світла в областях аномальної дисперсії
Метод вимірювання
Лабораторна робота виконується на
універсальному лабораторному
рефрактометрі УРЛ оптичну схему якого
показано на рис 21 Призначення приладу ndash
визначення показника заломлення рідин і
концентрації розчинів Досліджувану рідину
поміщають між площинами освітлювальної
2 і вимірювальної 3 призм Промінь світла
від джерела 1 направляється на вхідну грань
освітлювальної призми проходить через тонкий шар досліджуваної рідини й
заломлюється на межі рідини і площини вимірювальної призми Промені
граничний і заломлені під різними кутами фокусуються обєктивом 5 зорової
труби утворюючи світлу й темну частини поля зору розділені границею
світлотіні Через окуляр 7 зорової труби спостерігаються межа світлотіні
Рис 21
1 2
3
4
5
6
7
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
38
перетин візирних ліній і шкала показників заломлення 6 Для компенсації
дисперсії (колірного забарвлення) межі світлотіні застосовуються дві призми 4
Загальний вигляд рефрактометра
показаний на рис 22 На основі 1
приладу знаходиться тумблер 2
освітлювача 4 Освітлювач може
переміщатися на важелі в таке
положення щоб промені світла через
одне з вікон 3 попадали на призми
Краплі досліджуваної рідини наносять
в камеру 5 на поверхню призми
Спостереження ведуть через окуляр 7
зорової труби що може переміщатися за допомогою важеля 8 Для усунення
забарвлення межі світлотіні застосовується лімб дисперсії 6
У полі зору приладу видно дві
шкали Показники заломлення
визначаються по лівій шкалі фрагмент
якої показаний на рис 23 Для
вимірювання показника заломлення
рідини перетин візирних ліній аа1 і bb1
виводиться важелем 8 на межу світлотіні
MN Значення показника заломлення для
положення світлотіні (див рис 23)
становить
n = 1330+0003+00004=13334
Точність відліку ndash 5 значущих цифр абсолютна похибка вимірювання
дорівнює номінальній похибці приладу і становить 00001
Відносна похибка визначення показника заломлення
Рис 22
1
2
3
4 5
8
6
7
Рис 23
a
a1 b
b1
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
39
n
nE
∆=
1 (23)
За виміряним показником заломлення можна визначити фазову швидкість
світла в рідині
n
c
v = (24)
де c = 29979108 мс ndash швидкість світла у вакуумі задана з точністю до
∆c = 5103 мс
Відносна похибка визначення фазової швидкості світла в рідині
n
n
c
cE
∆+
∆=
2 (25)
Хід роботи
1 Вивчити елементи приладу за рис 22 і самим приладом відлік
показників заломлення ndash за рис 23
2 Відкрити камеру 5 приладу й протерти сухою серветкою поверхні
призм Нанести паличкою 3-4 краплі рідини на поверхню нижньої призми й
закрити камеру
3 Ввімкнути освітлювач 4 приладу й за допомогою важеля направити
пучок світлових променів в одне з вікон 3
4 Перемістити зорову трубу приладу важелем 8 і проспостерігати в
лупу за полем зору знайти межу світлотіні й сумістити її з перетином візирних
ліній Якщо потрібно то сфокусувати зображення шкали обертанням лупи
Якщо межа світлотіні має колірне забарвлення усунути його обертанням лімба
дисперсії 6 Зробити відлік показника заломлення
5 Описані вище вимірювання виконати для 4-5 різних рідин за
вказівкою викладача При зміні однієї рідини іншою камеру приладу слід
витирати серветкою Після закінчення вимірювання витерти серветкою камеру
приладу й вимкнути освітлювач
6 Визначити номінальну похибку приладу абсолютні й відносні
похибки визначення показників заломлення для всіх досліджених рідин
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
40
7 За формулами (23) - (25) визначити фазову швидкість світла в
досліджених рідинах відносні й абсолютні похибки визначення фазових
швидкостей світла
8 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 8
Таблиця 8
Досліджувана рідина n E1 v мс ∆v мс E2 ∆n
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи оптична схема приладу
розрахункові формули таблиця результатів роботи
Контрольні запитання
1 У чому проявляється дисперсія білого світла при проходженні його
через скляну призму через краплі води в атмосфері
2 Що прийнято за міру дисперсії речовини й міру дисперсії
показника заломлення
3 У яких випадках дисперсію світла називають нормальною а у
яких ndash аномальною Визначите вид дисперсії за її знаком для випадків
dv gt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ gt 0 dv lt 0 і dλ lt 0 dv gt 0 і dλ lt 0
4 Чому в області нормальної дисперсії фазова швидкість довгих
хвиль більша ніж фазова швидкість коротких хвиль
5 В яких областях дисперсії відбувається інтенсивне поглинання
світла речовиною
6 У чому полягає явище повного відбиття світла Який промінь
світла називають граничним
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 3 с 167-168]
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
41
Лабораторна робота 7
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ СВІТЛА У СКЛІ ЗА ДОПОМОГОЮ
ГОНІОМЕТРА
Мета роботи Вивчення дисперсії світла визначення показників
заломлення за допомогою гоніометра дослідження залежності показника
заломлення від довжини світлової хвилі
Технічне оснащення
Гоніометр Г5 скляна призма ртутна лампа ПРК-4 із джерелом живлення
Короткі теоретичні відомості
Короткі теоретичні відомості по вивченню дисперсії світла викладені в
лабораторній роботі 3-6 До викладеного вище додамо що для областей
нормальної дисперсії dndλ lt 0 тобто при збільшенні довжини світлової хвилі
показник заломлення речовини меншає На практиці заломлююче середовище
часто характеризують відносною дисперсією
1minus
minus
=
D
cF
n
nnD
де nF nC nD ndash показники заломлення середовища для синьої (λ = 4861 нм)
і червоної (λ = 6563 нм) ліній спектра водню й середини жовтого дублета
натрію D ( λ = 5893 нм) У довідковій літературі показники заломлення різних
середовищ характеризують зазвичай їх значеннями для жовтої лінії D натрію
Метод вимірювання
Дисперсія світла в склі досліджується методом заломлення світла в призмі
Проходження через призму складного за спектральним значенням світла
показане на рис 19 проходження через призму монохроматичного світла ndash на
рис 23 Кут ∆ між заломлюючими гранями призми називають заломлюючим
кутом кут ψ між напрямком променя до проходження його через призму й
після проходження ndash кутом відхилення З рис 23 слідує
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
42
1
1
sin
sin
β
α=n ∆=+
21αβ
2sin
sin12
β
α=
n
Кут відхилення променів призмою
∆minus+=minus+minus=212211
βααββαψ
Кут найменшого відхиленні
спостерігається при симетричному
проходженні променя через призму
тобто у випадку коли
221
∆==αβ
Для мінімуму відхилення
22211
ψαββα =minus=minus
2211
∆+=
∆+=
ψβα
звідси показник заломлення
2sin
2sin
∆
+∆
=
ψ
n (26)
Рівність (26) дозволяє визначити показник заломлення за виміряним кутом
найменшого відхилення й заломлюючим кутом При падінні на призму
складного за спектральним складом світла кути ψ матимуть різні значення для
хвиль різних довжин У досліджуваних призмах кути ∆ задані
∆ = 60deg або ∆ = 30deg
кути ψ вимірюють за допомогою гоніометра Г5 Елементи гоніометра
показані на рис 7 Призму встановлюють на столик 4 відхиляючи від осі
коліматора 5 зорову трубу 2 гоніометра спостерігають спектр ртуті й
вимірюють кути відхилення ψ Вимірювання кутів гоніометра з точністю до
описано в поясненні до рис 9 Для даної роботи настільки висока точність 05
виміру кутів не потрібна Кути відхилення ψ можна виміряти з точністю до 10
за допомогою верхньої частини лімба й вертикального індексу (рис 25 і 26)
Рис 24
α1
∆
β1 α2 β2
ψ
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
43
Інтервал між двома сусідніми оцифрованими штрихами верхньої частини
лімба розділений штрихами на три рівні частини кожна з яких становить 20
Відстань між сусідніми штрихами можна подумки розділити на дві рівні
частини по 10 кожна Відлік кута здійснюється по вертикальному індексу
Кути вимірювання яких показано на рис 25 і 26 становлять відповідно
ψ1 = 61ordm20 і ψ2 = 182ordm30
У лабораторній роботі визначають показники заломлення для ліній спектра
ртуті
Червона слабка одиночна остання ліворуч λ = 691 нм
Червона ліва із групи трьох червоних λ = 624 нм
Жовта яскрава ліва із дублета λ = 579 нм
Зелена яскрава одиночна λ = 546 нм
Світло-блакитна яскрава одиночна λ = 492 нм
Синя яскрава ліва із групи ліній λ = 436 нм
Фіолетова остання праворуч λ = 434 нм
Точність з якою задані кути ∆ на порядок менша ніж похибка
вимірювання кутів ψ і тому відносна похибка визначення показника
заломлення
22
∆+
∆=
∆=
ψ
ψ
tgn
nE (27)
де ∆ψ = 25 = 72710-4 радіан
Для побудови графіка залежності n = f(λ) рекомендовані масштаби
по осі λ 10 нм на 10 мм аркуша по осі n 02 на 10 мм аркуша
Рис 25 Рис 26
61ordm 62ordm 182ordm 183ordm
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
44
Хід роботи
1 Ознайомитися з елементами гоніометра за рис 7 і самим приладом
2 Вивчити відлік кутів за рис 25 і 26 Включити тумблер гоніометра
і спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 вивчити шкалу верхньої частини
лімба приладу
3 Зняти зі столика 4 призму Установити ртутну лампу на відстані 2-3
см від коліматорної щілини й ввімкнути в мережу джерело живлення лампи
Сумістити поздовжні осі коліматора 5 і зорової труби 2 і спостерігати в зорову
трубу 2 зображення вхідної щілини коліматора Якщо зображення недостатньо
чітке сфокусувати його маховичком 3
4 Звести вертикальну візирну лінію окуляра із зображенням вхідної
щілини коліматора Спостерігаючи у відліковий мікроскоп 1 зробити відлік
кута φ0 - початку відліку кутів найменшого відхилення
5 Повернути зорову трубу гоніометра на кут близько 30deg вправо
Установити на столику 4 призму таким чиномщоб бісектриса її заломлюючого
кута збіглася з бісектрисою меншого кута між осями зорової труби й
коліматора а основа призми перебувала всередині цього кута (рис 27)
6 Повертаючи зорову трубу
добитися потрапляння в поле зору труби
призматичного спектра ртуті що складається
з окремих ліній Вивести зорову трубу на
першу червону лінію спектра з довжиною
хвилі λ1 Кут повороту труби повинен
відповідати куту відхилення
7 Щоб знайти найменше значення кута відхилення повільно
обертати столик із призмою так щоб зображення щілини зміщувалося вліво
Зорову трубу обертати за зображенням лінії не випускаючи її з поля зору
Продовжувати обертання столика із призмою доти доки зображення лінії
спектра не стане зміщуватися вправо Це положення відповідає найменшому
куту відхилення Сумістити лінію спектра з вертикальною візирною лінією
Рис 27
2 5
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
45
зорової труби й зробити відлік кута φ по верхній частині лімба Кут
найменшого відхилення
0ϕϕψ minus=
8 Описаним способом визначити кути найменшого відхилення для
всіх перелічених довжин хвиль спектра ртуті
9 Виконати розрахунок показників заломлення для всіх довжин хвиль
за формулою (26)
10 Визначити відносну й абсолютну похибки вимірювання показника
заломлення (27) для однієї із червоних ліній спектра ртуті
11 Побудувати графік залежності n = f(λ)
12 Результати вимірювань і розрахунків занести до табл 9
Таблиця 9
φ0 1ordm1 λ нм φ 1ordm1 ψ1ordm1 n ∆n E
Зміст звіту назва й номер лабораторної роботи розрахункові формули
таблиця результатів роботи графік залежності n = f(λ)
Контрольні запитання ті ж що й до лабораторної роботи 2-16
Література [1 т 3 sect 71-73 2 т 2 sect 142-145 4 с 419]
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
46
КРИТЕРІЇ ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Захист звіту виконаної лабораторної роботи передбачає коротку співбесіду
студента з викладачем мета якої ndash оцінити знання студента з обговорюваної
теми курсу фізики рівень оволодіння ним відповідними практичними
навичками (користування приладами вміння оцінити похибку вимірювань
вміння скласти письмовий звіт за даними експерименту зробити висновки за
результатами роботи) пояснити студентові допущені помилки Закінчується
захист звіту оцінкою роботи студента в балах
Нижче наведені критерії оцінювання участі студента в лабораторному
занятті В підсумку за модуль виставляють середні оцінки до яких додають
бали за інші види навчальної діяльності (практичні заняття написання
контрольних тестів преміальні бали за самостійну роботу над конспектом
лекцій участь в олімпіадах тощо)
Ваговий бал ndash 4 Максимальна кількість балів за всі лабораторні роботи
дорівнює 4 балів х 5 = 20 балів
Критерії оцінювання лабораторних робіт
ndash підготовка до лабораторної роботи ndash 1 бал (знання мети і методики
проведення роботи та підготовка протоколу ndash 1 бал відсутність необхідних
знань або протоколу ndash 0 балів)
ndash виконання лабораторної роботи і оформлення протоколів випробувань ndash
1 бал (активна участь ndash 1 бал пасивна ndash 0 5 балів неучасть ndash 0 балів)
ndash захист лабораторної роботи - 2 бали (знання теоретичних основ роботи
методики експериментальних досліджень та висновків ndash 2 бали неповні або
неточні відповіді на запитання ndash 1 бал відсутність знань ndash 0 балів)
Лабораторна робота вважається зарахованою якщо число набраних балів
складає не менше 3 балів
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
47
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1 Детлаф А А Курс физики в 3т А А Детлаф БМ Яворский
Л Б Милковская ndash Москва Высш шк 1972 ndash 384 с
2 Савельев ИВ Курс общей физики в 2 т ИВ Савельев - Москва
Наука 1972 ndash 352 с
3 Физический энциклопедический словарь - М Совэнциклопедия
1983
4 Зайдель АН и др Таблицы спектральных линий - М Наука 1962
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
48
Додаток А Зразок оформлення звіту до лабораторної роботи
Звіт до лабораторної роботи 3
ВИЗНАЧЕННЯ ПЕРІОДУ ДИФРАКЦІЙНОЇ ҐРАТКИ
Студента групи ЕМХ 13-1 Коваленка Сергія Дата 18112014 (Прізвище імrsquoя)
h
lkc
λ=
c
n
1=
h
h
l
l
c
cE
∆+
∆+
∆=
∆=
λ
λ
010=∆
λ
λ
∆l = 510-3 м ∆h = 510-4 м
Область
спектру λ м k
h м с м l м Е
Зліва Справа Середн
Червона 66010-7 2 006 006 006 9910-7 045 293
Зелена 55010-7 005 005 005 9910-7
Синя 43010-7
004 004 004 967510-7
сср = 982510-4 мм n = 101 1мм
Л
К
Д
φ l
Е
2 1 0 1
ч ф ч ф б ф ч ф ч
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
49
Додаток Б
Одиниці СІ
Назва
Позначення
Фізична величина
Визначення
метр м довжина
Метр дорівнює довжині шляху який світло проходить у вакуумi за 1299 792 458 секунди
кілограм кг маса
Кілограм точно дорівнює масі міжнародного прототипу кілограму (платино-іридієвого циліндру) що зберігається в Міжнародному бюро мір та ваг Севр Франція
секунда с час
Секунда дорівнює часу за який відбуваються точно 9 192 631 770 періодів випромінювання що відповідають переходу між двома надтонкими рівнями незбудженого атома Цезію-133 при температурі нуль кельвін
ампер А сила
електричного струму
Ампер - це сила постійного електричного струму що протікаючи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перетином розташованих на відстані 1 метр один від одного у вакуумі створює між цими провідниками силу яка дорівнює 2times10minus7ньютон на метр довжини
кельвін К термодинамі
чна температура
Кельвін точно дорівнює 127316 термодинамічної температури потрійної точки води
моль моль кількість речовини
Моль є кількість речовини що містить стільки ж елементарних часток (атомів молекулелектронів тощо) скільки атомів міститься в 0012 кілограмах вуглецю-12
кандела кд сила світла
Кандела це сила світла у визначеному напрямку від джерела що випромінює монохроматичне випромінювання з частотою 540times1012 герц та має інтенсивність випромінювання в цьому напрямку 1683 ват на стерадіан
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600
50
Методичні вказівки щодо виконання лабораторних робіт з навчальної
дисципліни laquoФізикаraquo розділ laquoХвильова оптикаraquo для студентів технічних
спеціальностей денної та заочної форм навчання ndash Кременчук 2014 ndash 50 с
Укладачі доц М О Єлізаров
асист В В Журав
асист Г В Єременко
Відповідальний за випуск
зав кафедри біотехнології та здоровrsquoя людини В В Никифоров
Підп до др ______________ Формат 60times84 116 Папір тип Друк ризографія
Ум друк арк ____ Наклад _______ прим Зам ___________ Безкоштовно
Видавничий відділ
Кременчуцького національного університету
імені Михайла Остроградського
вул Першотравнева 20 м Кременчук 39600