ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ З ОПТИКИ 1 страница

 

Частина перша

 

 

Підписано до друку 22.12.07. Формат 60 х 84/16.

Папір офсетний. Друк ризографічний.

Умовн. друк. арк. 5, 3. Обл. вид. арк. 6, 1. Наклад 50 прим.

Ціна договірна.

--------------------------------------------------------------------------------

61077, м. Харків, площа Свободи, 4.

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна

Організаційно-видавничий відділ НМЦ

--------------------------------------------------------------------------------

Надруковано ФОП «Петрова І.В.»

61144, Харків, вул. Гв. Широнінців 79 в, к. 137

Тел. 362-01-52

Свідоцтво про державну реєстрацію ВОО №948011 від 03.01.03

 

 

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ З ОПТИКИ

Частина друга

 

Харків - 2008

УДК 534.522 (075.8)

ББК 22.343я7

П 41

Рекомендовано Вченою радою фізичного факультету Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна

(протокол № 10 від «21» грудня 2007 р.)

 

Рецензенти:

доктор фізико-математичних наук, професор, професор кафедри експериментальної фізики Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут» А.І. Беляєва;

кандидат фізико-математичних наук, доцент, доцент кафедри фізики Харківського технічного університету будівництва та архітектури І.Ф. Омеляненко.

 

Лабораторний практикум з оптики. Частина друга. / Укладачі: В.П Пойда, В.П. Хижковий. - Харків: ХНУ імені В.Н. Каразіна. 2008.- 72с.

 

У цьому навчально-методичному посібнику наведені методичні інструкції щодо виконання 10 експериментальних лабораторних робіт з оптики, що пропонуються до виконання студентам 2 курсу фізичного та радіофізичного факультетівХарківського національного університету імені В.Н. Каразіна при проходженні ними занять з фізичного лабораторного практикуму на кафедрі експериментальної фізики, які здійснюються у рамках кредитно-модульної системи навчання. Посібник може бути використаний викладачами з інших вищих навчальних закладів, які проводять лабораторні заняття з фізичного практикуму.

 

УДК 534.522 (075.8)

ББК 22.343я7

П 41

 

Ó Ó   Ó

ХНУ імені В.Н. Каразіна, 2008. В.П. Пойда, В.П. Хижковий, укладання, 2008. А.В. Пойда, макет обкладинки, 2008.

 

 

ЗМІСТ

 

Лабораторна робота №12. ГРАДУЮВАННЯ ПРИЗМОВОГО МОНОХРОМАТОРА УМ-2_________________________________________
Лабораторна робота № 16-1. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ПРОПУСКАННЯ ТА ОПТИЧНОЇ ГУСТИНИ ВОДНИХ РОЗЧИНІВ ФУКСИНУ ТА ПРОЗОРИХ ТВЕРДИХ ЗРАЗКІВ З ВИКОРИСТАННЯМ УНІВЕРСАЛЬНОГО ФОТОМЕТРА ФМ-56___________________________
Лабораторна робота № 16-2. ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ РОЗЧИНУ ЗА СТУПЕНЕМ ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА З ВИКОРИСТАННЯМ КОНЦЕНТРАЦІЙНОГО КОЛОРИМЕТРА____________________________
Лабораторна робота №17. ПОЛЯРИЗАЦІЯ СВІТЛА ПРИ ЙОГО ВІДБИВАННІ НА МЕЖІ ДВОХ ІЗОТРОПНИХ ДІЕЛЕКТРИКІВ__________________________________________________
Лабораторна робота № 18. ПОЛЯРИЗАЦІЙНИЙ МІКРОСКОП ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ ДЛЯ ОПТИЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ__________________
Лабораторна робота №19. ОБЕРТАННЯ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА КВАРЦОМ_______________________________________________
Лабораторна робота № 20. ВИВЧЕННЯ ОБЕРТАННЯ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА І ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ ЦУКРУ У ВОДНОМУ РОЗЧИНІ ЗА ДОПОМОГОЮ ПОЛЯРИМЕТРА_____________
Лабораторна робота №21. ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ ВЕРДЕ____________
Лабораторна робота №23. ДОСЛІДЖЕННЯ ФОТОЕЛЕКТРОННОГО ПОМНОЖУВАЧА З ОДНОКАСКАДНИМ ПІДСИЛЕННЯМ ФОТОСТРУМУ___________________________________________________
Лабораторна робота №25. ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ПРОПУСКАННЯ І ПОГЛИНАННЯ СВІТЛА, ОПТИЧНИХ ГУСТИН І КОНЦЕНТРАЦІЇ РОЗЧИНІВ МІДНОГО КУПОРОСУ У ВОДІ З ВИКОРИСТАННЯМ ФОТОКОЛОРИМЕТРА КФК-2___________________
ЛІТЕРАТУРА____________________________________________________

Лабораторна робота №12

 

ГРАДУЮВАННЯ ПРИЗМОВОГО МОНОХРОМАТОРА УМ-2

 

Мета лабораторної роботи: ознайомлення з будовою та принципом роботи призмового монохроматора УМ-2; побудова градуювального графіка монохроматора та визначення його лінійної дисперсії та роздільної здатності.

 

Основні теоретичні відомості. Метод та експериментальна установка

Існують різні способи монохроматизації світла, тобто виділення з спектра випромінювання джерела світла електромагнітних хвиль, які характеризуються певним інтервалом довжин хвиль. Методи, які використовують для одержання монохроматичного світла, ґрунтуються на явищах взаємодії світла з речовиною (селективне поглинання, дисперсія) або на властивостях поширення світла в оптично неоднорідних середовищах (інтерференція, дифракція).

У даній роботі одержання монохроматичного світла здійснюється з використанням явища дисперсії світла – залежності фазової швидкості світла (показника заломлення середовища) від довжини хвилі.

На межі двох середовищ з різними показниками заломлення світлові хвилі, які мають різні довжини хвиль, заломлюються по-різному. Якщо із сукупності світлових хвиль зуміти виділити хвилі певного напрямку, то буде здійснена монохроматизація. Цей принцип лежить в основі роботи спектрального приладу – призмового монохроматора, який просторово розділяє хвилі різних довжин хвиль.

 

 

Рис.1.

 

Універсальний монохроматор (рис.1) складається з коліматора 8, корпуса 7, призми 4, призмового столика 5 з поворотним механізмом (закриті кожухом), вихідної труби 3.

Коліматор 8 складається з щілини 9 і об’єктива. Щілина розташована в фокальній площині лінзи, яка знаходиться всередині корпуса коліматора. Ширина розкриття вхідної щілини регулюється обертанням барабанчика 10.

Оскільки фокусна відстань об’єктива для кожної хвилі змінюється, то передбачена можливість фокусування об’єктива. Переміщення об’єктива здійснюється обертанням маховичка 12. Положення об’єктива коліматора визначається за міліметровою шкалою і ноніусом у вікні 6.

У трубі коліматора між щілиною і об’єктивом розміщена «шторка», за допомогою якої можна припиняти попадання світла у прилад. Керування шторкою здійснюють за допомогою ручки 11. На ручці є написи «Откр», «Закр».

Призма 4 встановлена на призмовому столику 5, який обертається за допомогою мікрометричного гвинта поворотного механізму. На барабані довжин хвиль поворотного механізму 13 нанесені відносні поділки – градуси. Відлік знімають проти індексу, який ковзає по спіральній канавці.

Вихідна труба 3 з щілиною 2 збирає промені світла, які пройшли через диспергуючу призму 4. Щілину 2 можна розглядати через мікроскоп.

Патрубок зі щілиною можна замінити патрубком зорової труби зі змінними окулярами.

У фокальній площині окуляра зорової труби є вказівник, який освітлюється лампочкою через змінні світлофільтри. Для регулювання освітлення вказівника на приладі встановлено реостат 14 з тумблером 15. Спектральна лінія, підведена до вказівника, повинна попадати у вихідну щілину коліматора, встановленого замість зорової труби.

Корпус приладу 7 з поворотним столиком 5 і поворотним механізмом закріплений на двох оптичних рейках 1.

У якості джерел світла використовуються ртутна та неонова лампи, робота яких забезпечується пультом живлення.

 

 

Рис.2.

Принцип дії приладу полягає у такому. Пучок світла від джерела 9 (рис.2) проходить через вхідну щілину 6 і падає на об’єктив коліматора 5. Після об’єктива промені виходять паралельним пучком і падають на диспергуючу призму 4, яка повертає їх на кут 90° і розкладає у спектр. На шляху пучка світла поміщують вхідну трубу монохроматора, яка складається з об’єктива 3 і щілини 2. Повертаючи призмовий столик на різні кути відносно падаючого пучка світла, одержують у вхідній щілині світло з різною довжиною хвилі, яке проходить через призму при мінімальному відхиленні.

Вхідна і вихідна щілини закриті захисними скляними пластинками 8 і 1. Поворотна призма 7 використовується для одночасного одержання спектрів від двох джерел.

Для проектування джерела світла на вхідну щілину монохроматора на рейки приладу поміщують ахроматичний конденсор і на вхідну щілину надівають насадку з лінзою. Джерело світла рекомендується встановлювати на відстані від площини щілини, а конденсор на відстані від вхідної щілини. Ширину вхідної щілини встановлюють обертанням барабана 10. Прийнято, щоб вона була малою (знаходилась у межах за шкалою мікрометричного гвинта). Для спостереження найбільш слабких ліній у крайній фіолетовій області щілину треба дещо розширювати до () мм. За допомогою фігурної діафрагми, яка всовується у прорізь вхідної щілини, встановлюють висоту щілини .

Перед початком роботи з приладом перш за все треба перевірити збереження його заводського градуювання. Зазвичай це здійснюють за деякими спектральними лініями, дані про довжини хвиль яких і поділки Z барабана 13, які їм відповідають, наведені в атестаті монохроматора. Найчастіше для цього використовують яскраву жовту лінію спектра неону з , проектуючи зображення неонової лампочки, яка світиться, на вхідну щілину 9 (рис.1), ширина якої встановлюється рівною . Якщо центр цієї лінії не точно збігається з центром вказівника окуляра зорової труби, то вказівник зміщують гвинтом, розташованим справа від окуляра, попередньо відпустивши зафарбований у червоний колір гвинт (внизу), який фіксує вибране положення вказівника. Для вказаної лінії неону поділка .

Основними характеристиками спектрального апарата є кутова і лінійна дисперсія. Кутова дисперсія залежить лише від характеристик диспергуючого елемента апарата. Лінійна дисперсія визначається, крім того, ще й геометричними умовами фокусування спектра.

Кутова дисперсія визначається як відношення різниць кутів відхилення двох спектрально близьких монохроматичних пучків до різниці їх довжин хвиль . Значить, кутову дисперсію можна визначити за формулою

. (1)

Якщо кутовій відстані відповідає відстань у площині зображення об'єктива зорової труби приладу, то лінійна дисперсія

. (2).

Лінійна дисперсія виражається у міліметрах на нанометр ().

Дисперсія спектральних апаратів має різне значення у різних ділянках спектра. Тому кутова і лінійна відстані між спектральними лініями, які відрізняються на одну і ту ж величину будуть також різними у різних ділянках спектра.

Роздільна здатність монохроматора, яка характеризує можливість використання цього приладу для роздільного спостереження оком спектральних ліній, які мають близькі значення довжин хвиль, визначається за формулою

. (3)

На практиці роздільну здатність R призми монохроматора визначають за даними про її кутову дисперсію та ширину діючого отвору призми В, яка для монохроматора дорівнює . Оскільки відстань між двома спектральними лініями, які відрізняються довжиною хвилі на дорівнює , а при малих кутах ця відстань зв’язана з кутом dj рівністю , де F фокусна відстань об’єктива зорової труби (для монохроматора ), тобто . Таким чином, роздільну здатність монохроматора УМ – 2 можна визначити за формулою

. (4)

 

 

Рис.3.

 

Порядок виконання вимірювань та обробки їх результатів

 

Завдання №1. Градуювання монохроматора УМ-2

 

Градуювання монохроматора у даній лабораторній роботі здійснюють за лініями спектра пари ртуті, використовуючи для цього світло ртутної лампи. Схема стандартного призматичного спектра пари ртуті представлена на рис.3. Таблиця №1 містить заводські дані щодо відповідності відліків за шкалами коліматора та градуювального барабана монохроматора деяким довжинам хвиль спектра пари ртуті та неону. Позначкою «+» відмічені найбільш яскраві лінії.

Таблиця №1

Довжина хвилі λ, нм	Колір лінії	Відлік за шкалою
Коліматора	Барабана довжин хвиль
Hg	+690, 7	червоний	10, 0	2883°
Ne	+585, 2	жовтий	10, 0	2478°
Hg	+577, 0	жовтий	10, 0	2435°
Hg	+546, 1	зелений	10, 0	2253°30¢
Hg	+491, 6	блакитний	10, 0	1833°30¢
Hg	+435, 8	синій	9, 5	1169°
Hg	+404, 7	фіолетовий	9, 5	616°

 

1. Ознайомтесь з досліджуваним монохроматором. Здійсніть під керівництвом, або за безпосередньої участі інженера практикуму підготовку монохроматора до проведення вимірювань. Для цього, перш за все, треба поставити шторку за допомогою ручки 11 у положення «Откр». Тумблерами, розташованими на корпусі пристрою живлення, увімкніть ртутну лампу. Тумблером 15 увімкніть підсвічування вказівника, розташованого в окулярі. Орієнтуючись на дані, наведені у таблиці №1, виставте на шкалі барабана 13 поділку, яка приблизно відповідає довжинам хвиль фіолетової ділянки спектра пари ртуті. Через окуляр здійсніть попереднє спостереження спектральних ліній. Обертанням маховичка 12 здійсніть фокусування спектральних ліній. Спостерігаючи в окуляр мікроскопа вихідну щілину монохроматора, треба вивести на неї обертанням барабана 13 початок фіолетової частини спектра. Обертаючи градуювальний барабан 13, здійсніть попереднє спостереження видимого спектра випромінювання пари ртуті, рухаючись за шкалою довжин хвиль від фіолетової до червоної частини. Зіставте цей спектр зі стандартним, представленим на рис.3.

2. Порядок проведення вимірювань для отримання даних, які необхідні для побудови градуювальної кривої монохроматора є таким. Обертаючи барабан 13 у всьому інтервалі його ходу підведіть до вказівника окулярної шкали мікроскопа першу спектральну лінію з фіолетової частини спектра пари ртуті, сумістіть її центр з вістрям (вертикальною лінією) вказівника і здійсніть відлік за шкалою градуювального барабана. Око краще помічає слабкі лінії у русі, тому при спостережені слабких ліній треба трохи повертати барабан в обидві сторони від середнього положення. Дані про відомі довжини хвиль, які відповідають деяким характерним відповідним спектральним лініям пари ртуті слід брати зі схеми стандартного спектра (рис.3). Аналогічні вимірювання треба провести для усіх інших ліній спектра пари ртуті, які дослідник бачить у окулярі і, перш за все, для усіх тих інтенсивних спектральних ліній, які відмічені на стандартному спектрі (див. рис.3) хрестиками. Нумерування ліній здійснюють у напрямку зростання їх довжини хвилі, тобто від фіолетової до червоної ділянки спектра. Підводити кожну спектральну лінію до центра щілини при здійсненні відліку за шкалою барабана треба тільки з однієї сторони, з тим, щоб уникнути похибки за рахунок люфту барабана. При здійсненні градуювання основну увагу треба звертати на відсутність паралаксу між освітленою стрілкою вказівника і зображенням спектральної лінії. Це буде мати місце лише у тому випадку, коли зображення спектра точно лежить у площині вказівника. Для того, щоб пересвідчитись у відсутності паралаксу треба вибрати яку-небудь тонку, але не дуже яскраву спектральну лінію і, встановивши її точно за стрілкою вказівника, злегка змістити око вправо і вліво від центра окуляра. При правильному фокусуванні центр лінії не повинен зміщуватись по відношенню до стрілки. Крім того, треба перевірити повторюваність показів приладу при його установці на ту чи іншу спектральну лінію. З цією метою треба послідовно кілька разів здійснити відлік за якою-небудь тонкою, але не дуже яскравою лінією. Відхилення послідовно здійснених відліків не повинні перевищувати 0, 5 поділки барабана.

При нечіткій видимості спектральних ліній у фіолетовій і у червоній частинах спектра треба здійснити фокусування об’єктива коліматора гвинтом 12.

Дані, отримані у ході вимірювань, занесіть у таблицю №2. Порівняйте їх з даними таблиці №1. Якщо дані щодо довжин хвиль деяких із спектральних ліній, що досліджені, відсутні, то відповідну позицію у другому стовпці таблиці №2 залишають не заповненою. У подальшому ці невідомі значення довжин хвиль треба буде визначити із градуювальної кривої монохроматора і занести у таблицю №2.

Таблиця №2

№ лінії	Довжина хвилі l, нм	Колір лінії, її інтенсивність	Відлік за шкалою барабана довжин хвиль, Nбар.

 

3. Виміряйте відстань між спектральними лініями, які відмічені на стандартному спектрі (див. рис.3) квадратними дужками. Для цього треба почергово виводити шляхом обертання градуювального барабана 13 досліджувані лінії у поле зору мікроскопа так, щоб кожна з них знаходилась симетрично відносно вертикальної лінії окуляра. Далі, зменшуючи ширину вхідної щілини мікрометричним барабаном 10, треба підводити краї щілини до досліджуваних спектральних ліній. Тоді показання барабана вхідної щілини будуть відповідати лінійній відстані між лініями, виміряної у міліметрах. Кожне з вимірювань треба провести не менше ніж три рази. Результати вимірювань занесіть у таблицю №3.

4. Побудуйте градуювальну криву монохроматора . Використовуючи градуювальну криву, за відповідними значеннями відліків за шкалою градуювального барабана визначте довжини хвиль невідомих спектральних ліній і занесіть їх у таблицю №2, відзначивши, що вони визначені графічним способом. Для цього поряд із значенням довжини хвилі треба записати позначку (гр).

5. Розрахуйте за формулою (2) лінійну дисперсію монохроматора для усіх досліджених ділянок спектра. Результати розрахунків занесіть у таблицю №3. Побудуйте дисперсійну криву .

6. Розрахуйте за формулою (3) для усіх ділянок довжин хвиль, у яких визначалась лінійна дисперсія, роздільну здатність призми монохроматора. Результати розрахунків занесіть у таблицю №3. Побудуйте криву роздільної здатності .

Таблиця №3

Довжина хвилі , нм	Відмінність довжин хвиль	Відстань між лініями	Лінійна дисперсія	Роздільна здатність R
404, 7 407, 8		1- 2- 3- dl =
434, 7 435, 8		1- 2- 3- dl =
577, 0 579, 0		1- 2- 3- dl =
612, 3 623, 2		1- 2- 3- dl =
671, 6 690, 7		1- 2- 3- dl =

 

Питання для самоконтролю

1. Що називають лінійною дисперсією монохроматора?

2. Що називають роздільною здатністю монохроматора?

3. Охарактеризуйте принцип дії монохроматора, користуючись схемою, наведеною на рис.2.

Література: [1, 30, 31]

Лабораторна робота № 16-1

 

ВИЗНАЧЕННЯ КОЕФІЦІЄНТІВ ПРОПУСКАННЯ ТА ОПТИЧНОЇ ГУСТИНИ ВОДНИХ РОЗЧИНІВ ФУКСИНУ ТА ПРОЗОРИХ ТВЕРДИХ ЗРАЗКІВ З ВИКОРИСТАННЯМ УНІВЕРСАЛЬНОГО ФОТОМЕТРА ФМ – 56

 

Мета лабораторної роботи: ознайомлення з методикою визначення коефіцієнтів пропускання та оптичної густини водних розчинів, а також набуття навичок роботи з універсальним фотометром .

 

Основні теоретичні відомості

 

Як відомо, світло, проходячи через середовище повністю, або частково поглинається. Поглинання світла пов’язане з перетворенням у речовині енергії електромагнітного випромінювання в інші види енергії.

У загальному випадку при падінні на тіло електромагнітного випромінювання, його потік частково відбивається , частково поглинається тілом , частково проходить наскрізь .

Очевидно, що

.

Поділивши обидві частини цієї рівності на , дістанемо:

,

де , , – відповідно коефіцієнти відбиття, поглинання і пропускання. Кожний з цих коефіцієнтів є функцією довжини хвилі. Їх вимірюють за допомогою фотометричних та спектрофотометричних приладів.

Встановлено, що поглинання світла речовиною здійснюється у вигляді смуги поглинання з максимальним значенням у діапазоні частот, які близькі до власної частоти коливань диполів речовини. Оскільки більшість речовин має складну будову, то існує не одна власна частота коливань диполів, а набір таких частот. Тому на кривій поглинання може бути кілька смуг. Спектр пропускання являє собою залежність коефіцієнта пропускання від частоти (довжини хвилі).

 

Метод та експериментальна установка

 

Для експериментального визначення коефіцієнтів пропускання використовують універсальні фотометри. Принцип дії фотометра полягає у порівнянні двох світлових потоків.

Два світлових пучки І і ІІ (рис.1) потрапляють у прилад через діафрагми 2, відкриття яких регулюється вимірювальними барабанами 1. Далі світлові пучки за допомогою системи лінз, ромбічних призм 3 об’єднуються і надходять у біпризму 4. Біпризма зводить обидва пучки до окуляра 5. Попередньо пучки проходять через світлофільтр 6 (у приладі є 11 різних світлофільтрів).

 

Рис.1.

 

Конструкція окуляра така, що спостерігач бачить поле зору у вигляді круга, розділеного на дві половини; їх яскравість в загальному випадку неоднакова. Яскравість лівої частини кола визначається світловим потоком, що проходить через праву діафрагму, а правої частини – потоком, що проходить через ліву діафрагму При однаковому розкритті та освітленості діафрагм яскравість обох половин поля зору буде однаковою.

Яскравістю світної поверхні в деякому напрямі називається величина, яка дорівнює відношенню сили світла I в цьому напрямі до площі S проекції світної поверхні на площину, перпендикулярну до даного напряму, тобто:

. (1)

Якщо на шляху одного світлового пучка, наприклад I, помістити зразок речовини, яка частково поглинає або відбиває світло, поле стане менш яскравим. Для вимірювання яскравостей полів потрібно зменшити інтенсивність випромінювання пучка II шляхом зменшення відкриття відповідної діафрагми. На вимірювальних барабанах нанесено дві шкали – чорну і червону. Поділки чорної шкали (у відсотках) показують відношення площі отвору діафрагми S при даному її розкритті до площі при її максимальному розкритті. Оскільки потік випромінювання, яке пропускається діафрагмою, пропорційний площі розкриття діафрагми, то відношення дає відношення потоку, який пройшов через діафрагму при отворі , до потоку що проходить через діафрагму при її повторному розкритті.