Студопедия — Рыбинск 2007. Прибор МИИ-4 имеет подключение к электрической цепи через понижающий трансформатор 220/6 В
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Рыбинск 2007. Прибор МИИ-4 имеет подключение к электрической цепи через понижающий трансформатор 220/6 В






ГОУ ВПО Рыбинская государственная авиационная технологическая

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Прибор МИИ-4 имеет подключение к электрической цепи через понижающий трансформатор 220/6 В. Не допускайте перегрева осветительного узла прибора. При работе соблюдайте требования инструкции по технике безопасности №170. Не включайте прибор, пока не ознакомитесь с его устройством.

 

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определение качества обработки поверхности по интерференционной картине, создаваемой интерферометром МИИ-4.

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: микроинтерферометр типа МИИ-4, понижающий трансформатор, исследуемый образец.

 

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В основе принципа действия прибора лежит явление интерференции света. Под интерференцией понимается явление стационарного (т.е. независящего от времени), перераспределения энергии в световом поле двух когерентных источников света при их наложении. Интерференция – явление, характерное для всех волновых процессов, и наблюдение интерференции у световых пучков наглядно свидетельствует о волновой природе света.

Свет представляет собой электромагнитные волны диапазона 0,40×10-6 – 0,76×10-6 метров. Электромагнитные волны – поперечные, характеризуются колебанием двух векторов: напряженности электрического поля и магнитной индукции . Колебания электрической и магнитной составляющих поля световой волны происходят в одинаковых фазах во взаимно перпендикулярных плоскостях. Как показывает исследование, векторы , и единичный вектор направления, вдоль которого происходит распространение волны, образуют правую тройку векторов. Если колебания векторов и соответственно происходят в фиксированных плоскостях, такая волна называется плоско поляризованной. Если же при этом колебания волны заключены в достаточно узком диапазоне частот, то волну называют монохроматической. Простейшим типом электромагнитной волны является монохроматическая плоская волна. Такая волна однозначно определяется заданием двух векторов – вектора и вектора :

,

где – расстояние, на которое распространилась волна от источника, – скорость распространения волны.

Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями электрической составляющей поля волны, в связи с чем вводится понятие светового вектора, под которым понимается вектор электрической напряженности .

Пусть две волны одинаковой частоты, накладываясь друг на друга, возбуждают в некоторой точке колебания одинакового направления

где Е 01, Е 02 – амплитудные значения светового вектора, а величины и представляют собой фазы колебаний.

Рис. 1.

Результирующее колебание в общем случае определяется в соответствии с принципом суперпозиции. В нашем случае (колебания одинакового направления) удобно воспользоваться графическим методом векторного сложения амплитуд. Под вектором амплитуды понимается вектор , модуль которого равен значению амплитуды, а угол, который этот вектор составляет с заданной осью Х, соответствует фазе колебания (см. рис.1).

Проекции векторов и на ось Х представляют собой складываемые состояния колебаний в данный момент времени, вектор представляет собой вектор амплитуды результирующего колебания, а угол – фазу результирующего колебания. С изменением времени векторы , и будут вращаться вокруг оси, при этом форма параллелограмма и угол будут меняться сложным образом, так что результирующее колебание не будет гармоническим. Амплитуда этого колебания определяется уравнением:

,

а фаза

.

Как известно, интенсивность волны (в данном случае освещенность) пропорциональна квадрату амплитуды колебания, а в нашем случае

.

Таким образом, интенсивность светового поля будет пульсировать между крайними значениями с частотой ~1015 с-1. Ни глаз, ни оптический прибор не в состоянии фиксировать мгновенное состояние светового поля, измеряющегося с такой огромной частотой, а способно лишь фиксировать его среднее значение:

, иначе .

Это известный закон фотометрии: освещенность от двух источников равна сумме освещенностей.

Представляет интерес частный случай, когда , и разность фаз не зависит от времени и остается постоянной. Волны, удовлетворяющие этим условиям, называются когерентными. В световом поле когерентных источников света происходит стационарное (не зависящее от времени) перераспределение энергии, в результате которого в одних местах происходит усиление интенсивности (максимум интерференции), а в других ослабление интенсивности (минимум интенсивности). Условия максимума интерференции

;

условия минимума

.

Числа k называют соответственно порядком максимума и порядком минимума.

Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых атомами тела. Излучение отдельного атома продолжается 10-8 с, за это время успевает образоваться цуг волн протяженностью ~3 м. Испустив свою избыточную энергию в виде излучения, атом возвращается в нормальное (невозбужденное) состояние. Спустя некоторый промежуток времени атом может опять возбудиться и начать излучать свет. Отдельный цуг волн обладает высокой степенью монохроматичности. Но в каждый момент времени излучение света осуществляется не одним, а весьма большим числом атомов светящегося тела. Эти атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому монохроматичность совокупного излучения источника света нарушается, начальные фазы тоже не связаны между собой; даже для одного и того же атома начальные фазы могут меняться. Значит, волны получаются некогерентными. Когерентные световые волны можно получить, разделив волну, излучаемую одним источником, на две части. Если заставить эти две волны пройти различные пути, а потом наложить их друг на друга, наблюдается интерференционная картина. Практически это может быть осуществлено различными способами: с помощью зеркал, приз, экранов и т.д. Разность оптических путей, проходимых волнами, не должна быть очень большой, чтобы складываемые колебания принадлежали одному цугу волн.

Рис. 2.

Пусть разделение волн происходит в точке О (рис.2). До точки Р первая волна проходит в среде с показателем преломления путь , вторая волна – в среде с показателем преломления путь . Если в точке О фаза колебаний равна , то первая волна возбудит в точке Р колебание , а вторая волна – колебание , где , – фазовые скорости волн. Разность фаз возбуждаемых в точке Р колебаний равна Заменив , где – длина волны в вакууме, имеем , где – оптическая разность хода.

Если оптическая разность хода равна целому числу длин волн в вакууме,

(k = 0,1,2….), (1)

Рис. 3.

то разность фаз будет кратна 2π, и колебания, возбуждаемые в точке Р обеими волнами, будут происходить в одной фазе, т.е. (1) – условие максимума интерференции.

Если равна полуцелому числу длин волн в вакууме,

(k = 0,1,2….), (2)

то , и колебания в точке Р будут в противофазе, т.е. (2) – условие минимума интерференции.

В опыте Юнга (1802 г.) (рис.3) свет из точечного источника (малое отверстие, щель А) проходит через два равноудаленных отверстия – щели и . Согласно принципу Гюйгенса, каждое малое отверстие и становится источником полусферических волн. Эти волны перекрывают друг друга. Так как колебания в точках и вызываются одной и той же падающей волной, то они когерентны.

Рассмотрим результат наложения световых волн в некоторой точке М экрана, расположенного на некотором расстоянии параллельно и . Обозначим разность хода волн до этой точки М от А 1 и А 2 .

Рис. 4.

Проведем расчет интерференционной картины для линейных источников света, т.е. узких параллельных близко расположенных щелей. В этом случае на экране будет наблюдаться система чередующихся светлых и темных параллельных полос, как показано на рис.4.

Рассмотрим две узких щели и , расположенных перпендикулярно к плоскости чертежа на расстоянии друг от друга. Экран тоже перпендикулярен плоскости чертежа и находится на расстоянии от щелей. Рассчитаем разность хода до точки М, находящейся на расстоянии х от центральной линии экрана, относительно которой симметричны источники и . Из рисунка:

Вычитая, имеем: .

Для получения различимой интерференционной картины должно быть (это будет показано ниже). Отсюда следует, что , очевидно,

.

Подставив это значение D в условие максимума, имеем:

,

или .По этой формуле можно подсчитать положения последовательных максимумов.

Для минимумов интенсивности:

.

Расстояние между соседними максимумами или минимумами называется шириной интерференционной полосы и остается неизменной вдоль экрана для данной длины волны:

.

D х растет с уменьшением расстояния между источниками. Поэтому для того, чтобы картина интерференции была отчетливой, необходимо условие . Ширина полосы зависит от длины волны (). Если источник испускает монохроматический свет , то интерференционная картина представляет собой чередование темных и светлых полос данного цвета.

Если освещение производится белым светом (а он состоит из семи цветов, которые имеют разную длину волны), то интерференционная картина представляет чередование цветных полос, т.к. максимумы и минимумы разных цветов смещаются друг относительно друга. Ближе к центру расположены максимумы, соответствующие более коротким длинам волн – фиолетовым. В центре картины, при х = 0, максимумы всех длин волн совпадут, и центральная полоса будет белой.

 

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Принцип действия и схема микроинтерферометра МИИ-4 впервые были разработаны и применены для контроля за чистотой обработки металлических поверхностей с высоким классом точности. академиком Линником В.П.

В микроинтерферометре МИИ-4 для получения системы двух когерентных волн используется наклонная плоскопараллельная пластинка, имеющая прозрачное светоделительное покрытие. Пластинка посеребрена так, что половину падающего на нее света она отражает, половину пропускает, вследствие чего образуются две системы волн, способных интерферировать. Упрощенная оптическая схема микроинтерферометра изображена на рис. 5.

Рис. 5.

Свет от источника падает на полупрозрачную пластинку Р, которая разделяет падающий пучок 1 на два. Пучок 2, отраженный от пластинки, попадает на исследуемую поверхность П, второй пучок лучей 3 через компенсатор К попадает на эталонное зеркало . Пучок света 2, отразившись от поверхности П, а пучок света 3, отразившись от зеркала , вновь соединяются на пластинке Р и интерферируют. Изображение интерференционной картины объективом О и направляющим зеркалом переносится в фокальную плоскость окуляра Ок. На рисунке показан ход только центральных лучей от источника.

Компенсатор К – стеклянная пластинка такой же толщины как пластинки Р, устанавливается параллельно ей с той целью, чтобы устранить возникающую дополнительную разность хода на пути вертикального луча 2, т.к. этот луч проходит пластинку Р трижды, а луч 3 – один раз. Для расчета интерференционных картин необходимо знать разность хода лучей. В данной схеме разность хода обусловлена различием плеч от Р до П и от Р до , а также зависит от обработки поверхности П и от углов, которые образуют падающие лучи с П и .

а) б) Рис. 6 .

Если исследуемая поверхность обработана с высокой степенью чистоты, то интерференционная картина в поле зрения микроскопа будет состоять из системы чередующихся темных и светлых полос (рис. 6а – в монохроматическом свете), в белом свете – полосы окрашены. В точках поля наблюдения, где разность хода равна , и т.д., получаются светлые полосы (максимумы), а в точках, где разность хода равна , и т.д. – темные полосы (минимумы).

Если на испытуемой поверхности есть выступы или неровности, то в этих местах изменится длина пути луча 2, и интерференционные максимумы соответственно сдвигаются, как показано на рис. 6б. Если неровности на испытуемой поверхности имеют глубину , то добавочная разность хода луча 2 равна . В результате интерференционная полоса искривится и достигнет положения, соответствующего минимуму следующего порядка.

Рис. 7. Внешний вид интерферометра Линника  

Микроинтерферометр МИИ-4 (рис.7) имеет круглое основание. К верхнему концу основания привинчена полая цилиндрическая колонка, на которой установлен предметный столик 1. Образец устанавливается на предметном столике исследуемой поверхностью вниз.

При помощи двух микрометрических винтов 2 столик можно перемещать в двух взаимно перпендикулярных направлениях, величину перемещения столика отсчитывают по шкалам барабанов винтов. В колонке под углом 70º к вертикальной оси расположен тубус, в отверстие которого устанавливают окуляр 3 со шкалой или сеткой, предназначенной для измерения ширины полос и их искривления. Фокусировка микроскопа на объект осуществляется перемещением интерференционной головки (описание головки см. ниже) при вращении микрометрического винта 4. Величина вертикального перемещения интерференционной головки может быть отсчитана по шкале барабана этого микрометрического винта. Интерференционная головка укреплена на внутреннем стакане микроскопа. Она состоит из левой, средней и правой частей. Левая часть головки включает в себя фонарь 5 с центровочными винтами и трубку 6, в которую вмонтирована осветительная часть системы. В трубке установлена горизонтально выдвигающаяся пластинка 7 с тремя отверстиями. В двух крайних отверстиях этой пластинки закреплены светофильтры (зеленый и желтый) для получения монохроматического света, среднее отверстие, свободное, используется при работе в обычном белом свете. В корпусе средней части установлены разделительная пластинка и компенсатор (Р и К – рис.5). Рукоятка 8 служит для включения шторки. При включенной шторке лучи не попадают в объектив и зеркальце , и интерференционная картина в окуляре отсутствует. На торце рукоятки 8 нанесена стрелка, указывающая положение шторки. Винт 10 служит для изменения ширины и направления интерференционных полос. Ширина полос изменяется вращением винта 10. Изменение направления полос производится этим же винтом путем вращения его вокруг оси интерференционной головки. Винт 11 служит для смещения интерференционных полос в поле зрения микроскопа.

Центровочный винт не перемещать, т.к. прибор настроен и отцентрирован!

Питание прибора производится через трансформатор 12.

 

 

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Положить на предметный столик 1 исследуемый объект и включить лампу прибора.

2. Повернуть рукоятку 8 так, чтобы стрелка на ней стояла вертикально.

3. С помощью микрометрического винта 4 сфокусировать микроинтерферометр на исследуемую поверхность так, чтобы была видна поверхность образца.

4. Поворотом рукоятки 8 включить правую часть интерференционной головки (стрелка на рукоятке должна быть в горизонтальном положении), при этом в поле зрения должны быть видны интерференционные полосы, но если они не наблюдаются, то микрометрический винт 4 поворачивать по часовой стрелке, пока не появятся интерференционные полосы.

5. С помощью микрометрического винта 4 добиться наиболее резкого изображения полос. В поле зрения видны одновременно интерференционная картина и исследуемая поверхность.

6. Поворотом винта 10 вокруг оси интерференционной головки установить интерференционные полосы перпендикулярно к следам обработки поверхности (бороздам). Для работы с монохроматическим светом можно включить один из светофильтров перемещением до упора пластинки 7. При работе в белом свете интерференционная картина окрашена. Винтовой окулярный микрометр 3 следует установить на тубусе микроскопа до упора, затем повернуть так, чтобы одна из нитей перекрытия совпала с направлением интерференционных полос, другая – с направлением царапин на исследуемой поверхности.

7. Измерения состоят из двух операций:

а) измерение величины интервала между полосами;

б) измерение величины изгиба полос.

При работе с белым светом все измерения производятся по двум черным полосам.

Рис. 8  

а) Величина интервала между полосами выражается числом делений шкалы барабана окулярного микрометра. Для большей точности измерения наводку нити перекрестия сетки окулярного микрометра лучше производить по середине, а не по краям полосы (рис. 8). Первый отсчет производится по шкале барабана винтового окулярного микрометра при совмещении одной из нитей перекрестия подвижной сетки с серединой полосы, затем совмещают эту же нить перекрестия с серединой следующей полосы и получают второй отсчет ; при этом необходимо сосчитать число интервалов п между полосами. Обозначим .

б) Величину изгиба полос также выражают в делениях шкалы барабана винтового окулярного микрометра. Одну из нитей перекрестия сетки микрометра совмещают с серединой полосы и по шкалам окулярного микрометра снимают отсчет . Затем нить перекрестия совмещают с серединой той же полосы в месте изгиба и получают второй отсчет . Величина изгиба полосы в долях интервала между полосами выражается как отношение величины искривления полос () к интервалу между полосами ():

.

Как было сказано выше, искривление в одну интерференционную полосу соответствует высоте неровности на исследуемой поверхности, равной . В таком случае, измеренная высота неровности Н вычисляется по формуле:

,

где – длина волны используемого света.

Если работа выполняется в белом свете, то принимают равным 0,55 мк, тогда =0,27 мк. Формула для вычисления высоты неровности имеет вид:

(мк).

Для определения Нср необходимо снять с исследуемого участка поверхности не менее трех замеров. Длина волн желтого цвета – 0,585 мк, зеленого – 0,567 мк. Данные измерений и вычислений заносят в таблицу.

 

Таблица 1.

№ опыта а Н (мк)
               
               
               
  СРЕДНЕЕ ЗНАЧЕНИЕ Н = ……. (мк)

Класс чистоты обработки поверхности тела можно определить на основании данных справочной таблицы 2.

Таблица 2.

Класс чистоты поверхности Высота неровности в мк
   
   
   
   
   
   
  6,3
  3,2
  1,6
  0,8
  0,4
  0,2
  0,1
  0,05

Для получения информации о качестве обработки всей поверхности необходимо провести 3-5 замеров для разных участков поверхности. Для каждого из этих участков определить глубины царапин (канавок, возникших при обработке). На основании таблицы 2 определить класс чистоты поверхности. По своим данным сделать выводы, в каких пределах заключены показатели качества обработки поверхности.

 

 

4. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать формулировку цели работы, принципиальную схему прибора и его паспортные характеристики, описание процедуры снятия показаний (значения меток N 1, N 2, N 3, N 4, n – должны быть расшифрованы), таблицу измерений и вычислений 1, класс чистоты обработки поверхности, выводы по результатам работы.

 

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем состоит интерференция света?

2. Какие волны называются когерентными?

3. Почему явление интерференции света доказывает волновую природу света?

4. При каких условиях происходит усиления и ослабления света?

5. Почему не интерферируют волны от естественных источников света?

6. Объясните возникновение интерференционной картины в данной установке.

7. В чем состоит опыт Юнга? Рассчитайте интерференционную картину для этого опыта.

8. Назовите основные узлы микроинтерферометра и расскажите о их назначении

 

6. ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И.В. Курс общей физики. В 3-х т. [Текст]: Учебное пособие / И. В. Савельев. – Изд.5-е, стереотип. – СПб.: Изд-во “Лань”, 2006, – 486с. – Т.2. – 347 с. – (Электричество и магнетизм. Волны. Оптика).

2. Иродов И.Е. Волновая механика. Основные законы [Текст]/ И.Е.Иродов.– М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001–256 с.

 







Дата добавления: 2015-10-15; просмотров: 396. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...

Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Сосудистый шов (ручной Карреля, механический шов). Операции при ранениях крупных сосудов 1912 г., Каррель – впервые предложил методику сосудистого шва. Сосудистый шов применяется для восстановления магистрального кровотока при лечении...

Трамадол (Маброн, Плазадол, Трамал, Трамалин) Групповая принадлежность · Наркотический анальгетик со смешанным механизмом действия, агонист опиоидных рецепторов...

Мелоксикам (Мовалис) Групповая принадлежность · Нестероидное противовоспалительное средство, преимущественно селективный обратимый ингибитор циклооксигеназы (ЦОГ-2)...

Именные части речи, их общие и отличительные признаки Именные части речи в русском языке — это имя существительное, имя прилагательное, имя числительное, местоимение...

Интуитивное мышление Мышление — это пси­хический процесс, обеспечивающий познание сущности предме­тов и явлений и самого субъекта...

Объект, субъект, предмет, цели и задачи управления персоналом Социальная система организации делится на две основные подсистемы: управляющую и управляемую...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.013 сек.) русская версия | украинская версия