|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ 36, 36а, 43Стр 1 из 11Следующая ⇒
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра «Физика-2»
ФИЗИКА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ 36, 36а, 43
МОСКВА - 2009
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра «Физика-2»
ФИЗИКА
Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний для студентов специальностей ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, вечернего факультета
Под редакцией доцента Е.А.Серова
МОСКВА - 2009
УДК 539.2 : 621.382 П-21
Физика: методические указания к лабораторным работам 36, 36а, 43 / Под ред. доц. Е.А. Серова. – переизд., доп. – М.: МИИТ, 2009. – 68 с.
Методические указания содержат описания лабораторных работ по общему курсу физики, предназначенных для студентов первого и второго курсов ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, вечернего факультета. В данных методических указаниях в описании лабораторной работы 36а использованы материалы, предоставленные сотрудниками физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2009
Работа 36
ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА
Цель работы: получение и исследование поляризованного света (при прохождении поляроидов и при отражении от диэлектрического зеркала) и исследование свойств обыкновенного и необыкновенного лучей, полученных с помощью двояко преломляющего кристалла. Приборы и принадлежности: источник света, набор поляроидов, объектив, экран, двоякопреломляющий кристалл, модель полупрозрачной балки, диафрагма, диэлектрическое зеркало.
Введение
Поляризованный свет В рамках волновой теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны, в которых колебания векторов напряженностей электрического ( Оставаясь всегда перпендикулярными друг другу, вектора
Векторные диаграммы На векторных диаграммах изображается взаимное расположение плоскостей колебаний всех поляризационных приборов, через которые последовательно проходит световой луч. Плоскость колебаний, соответствующая каждому оптическому прибору, изображается условно одной прямой с буквенными обозначениями: РР – для поляризатора, АА – для анализатора, КК – для кристалла. Вектор напряженности электрического поля световой волны Векторные диаграммы естественного света (а), линейно-поляризованного (б) и частично поляризованного света (в) изображены на рисунке 2.
Закон Малюса При прохождении естественного света через поляроид (поляризатор) будут пропущены только те вектора
E = E0cosj. (1)
Поскольку интенсивность света (и, соответственно, освещённость экрана) пропорциональна квадрату амплитуды светового вектора (I ~ E), то изменение интенсивности определяется законом
I = I0cos2j. (2)
Соотношение (1) называется законом Малюса. Здесь I0 – интенсивность полностью поляризованного света, падающего на поляроид (например, естественный свет, предварительно пропущенный через поляризатор); I – интенсивность света, прошедшего затем через второй поляроид (анализатор); j – угол между плоскостями колебаний поляризатора и анализатора. Изменение амплитуды линейно-поляризованной световой волны, прошедшей через поляроид, поясняется рисунком 3.
Если оба поляроида скрещены (угол j между их плоскостями поляризации равен На рисунке 4 показано, как меняется интенсивность естественного света, прошедшего через оптическую систему, состоящую из двух поляроидов.
Двойное лучепреломление Двойное лучепреломление возникает при прохождении света через анизотропные вещества (в данной работе для наблюдения этого явления свет пропускают через кристалл исландского шпата). Скорость распространения электромагнитных волн в веществе может зависеть от ориентации вектора 1. Показатели преломления вещества кристалла для лучей различны. 2. Показатель преломления обыкновенного луча не зависит, а необыкновенного луча зависит от угла падения светового луча на кристалл. 3. Оба луча после прохождения кристалла оказываются линейно-поляризованными во взаимно перпендикулярных плоскостях так, что плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна главному сечению кристалла, а плоскость колебаний необыкновенного луча совпадает с главным сечением кристалла.
Метод исследования Основными приборами, с помощью которых проводится получение и исследование поляризованного света, являются поляризатор (П) и анализатор (А). Естественный свет пропускается через двоякопреломляющий кристалл исландского шпата. При этом происходит двойное лучепреломление света. Интерференция поляризованных лучей наблюдается при прохождении поляризованного света через полупрозрачную балку, подвергшуюся механической деформации. Поляризатор, анализатор и кристалл исландского шпата вставлены в рамки, снабженные круговыми шкалами для измерения углов их поворота. Рамки, в свою очередь, вмонтированы в стойки, которые можно укреплять на оптической скамье. Оправа с кристаллом имеет с одной стороны поворотный диск, в котором сделаны несколько маленьких отверстий разных диаметров для пропускания пучков света. Поперечное положение рамок, укрепленных на оптической скамье, может быть отрегулировано с помощью рейтеров, имеющих для этого винтовое приспособление. Подобная регулировка даёт возможность корректировать направление светового луча для получения четкой картины светового пятна на непрозрачном экране, закреплённом на отдельной стойке.
Порядок выполнения работы
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА
Цель работы: экспериментальное получение света с различными состояниями поляризации (эллиптической, циркулярной (круговой), линейной); изучение свойств пластинки «в четверть длины волны ( Приборы и принадлежности: 1. Источник света – полупроводниковый лазер, излучение которого можно считать строго монохроматичным (длина волны λ указана непосредственно на установке). Кроме этого, лазер излучает линейно-поляризованное излучение, что позволяет проводить экспериментальные исследования без поляризатора.
2. Приёмник излучения – фотодиод ФД-24К.
3. Поляроид – анализатор, заключенный во вращающуюся оправу со шкалой (цена деления шкалы 2 градуса).
4. Пластинка
5. Пластинка неизвестной толщины и ориентации, заключенная во вращающуюся оправу.
6. Цифровой измеритель постоянного тока фотодиода (значение тока пропорционально интенсивности света, падающего на фотодиод).
Введение
Порядок выполнения работы
В большинстве заданий требуется построение графиков в полярных координатах, поэтому следует заранее подготовить несколько сеток полярных координат диаметром 70 – 80 мм с радиусами-векторами, проведенными через 5 – 10 градусов. (Координатную сетку в полярных координатах можно посмотреть в приложении к работе, представленном в электронном виде на ПК в лаборатории кафедры, и распечатать в удобном масштабе).
Примечание Все таблицы и сетки в полярных координатах к упражнениям можно переписать на носитель информации из электронной версии работы и распечатать в удобном масштабе.
Список литературы 1. Савельев И.В. Курс общей физики в 3-х тт. Т. 1. Механика. Молекулярная физика. – М.: – Астрель АСТ, 2007. – 352 с. 2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Изд-во «Академия», 2003. – 720 с. 3. Трофимова Т. И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2004. – 544 с. 4. Селезнёв В.А., Тимофеев Ю.П. Методические указания к вводному занятию в лабораториях кафедры физики. – М.: МИИТ, 2006. – 30 с.
Работа 43 ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА Цель работы: ознакомление с оптическим методом определения концентрации растворов оптически активных веществ по измерению зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации оптически активного вещества в растворе. Приборы и принадлежности: источник света, матовый фильтр, конденсорная линза, трубка с исследуемыми растворами, кварцевый компенсатор, поляроид-анализатор, окуляр.
Введение
Электромагнитные волны являются поперечными: вектора напряжённости электрического поля Поляризация света наблюдается при отражении, преломлении и рассеянии света, а также при прохождении света через кристаллы и некоторые растворы. Многочисленными опытами установлено, что именно вектор напряженности электрического поля При прохождении через кристаллы и оптически активные растворы плоско поляризованного света может происходить поворот плоскости поляризации (вращение плоскости поляризации). Вещества (кристаллы и растворы), при прохождении через которые происходит вращение плоскости поляризации проходящего через них света, называются оптически активными: а само явление – естественное вращение плоскости поляризации. Примером оптически активных веществ являются: кварц, киноварь (кристаллы), скипидар, никотин (чистые жидкости), водные растворы сахара и глюкозы, раствор камфоры в бензоле (жидкие растворы) и другие. В оптически активных кристаллах и чистых жидкостях угол поворота плоскости поляризации света j пропорционален толщине слоя вещества l, пройденного светом:
j = a1l. (1)
Коэффициент a1 называется удельным вращением (удельным вращением называется физическая величина, численно равная углу поворота плоскости поляризации при прохождении светом оптически активного вещества единичной толщины). Величина удельного вращения зависит от природы вещества, температуры вещества и длины волны в вакууме проходящего сквозь вещество света (вращательная дисперсия). В оптически активных растворах (эксперименты Ж. Био):
j = a2Cl, (2)
где a2 – удельное вращение раствора, C – концентрация растворенного в жидкости вещества, l – толщина слоя вещества, пройденного светом. Качественная теория вращения плоскости поляризации предложена Френелем. Для многих оптически активных веществ обнаружено две их модификации, осуществляющие вращение плоскости поляризации в двух взаимно противоположных направлениях – по часовой стрелке и против часовой стрелки (наблюдатель смотрит навстречу лучу). Соответственно, первая модификация называется правовращающей или положительной (j > 0) и левовращающей или отрицательной (j < 0). Любую линейно-поляризованную волну (падающую на оптически активное вещество) можно представить как векторную сумму двух составляющих, поляризованных по кругу с правым и левым вращением. Эти волны имеют разные скорости распространения в веществе uЛЕВ – для волны с левым вращением и uПРАВ – для волны с правым вращением. Соответственно, показатели преломления для этих волн также различны: nЛЕВ и nПРАВ. При uПРАВ > uЛЕВ оптически активное вещество называется правовращающим, а при uПРАВ < uЛЕВ – левовращающим. Поскольку векторы напряжённостей электрического поля в каждой поляризованной по кругу волне вследствие разной скорости распространения в среде при прохождении одинаковой толщины повернутся на разные углы (при угле поворота больше 360° совершат разное количество оборотов), то результирующий вектор при выходе из среды окажется повернутым на некоторый угол j относительно плоскости поляризации падающего на вещество плоско поляризованного света. В молекулах кристаллов или жидкостей отсутствует центр симметрии или плоскость симметрии. В кристаллических веществах возможно смещённое расположение молекул (например, смещение их по спирали относительно проходящего луча света сквозь кристалл). Вращение плоскости поляризации световой волны является результатом взаимодействия волны с этими осцилляторами и связано с некоторой асимметрией в их структуре. Соотношение (2) позволяет быстро определить концентрацию растворённого в жидкости вещества и служит физической основой работы сахариметров – приборов для определения концентрации сахара в водных растворах. Сахариметры используются в процессе контроля производства на сахарных заводах, при выпуске соков и виноградных вин. Простейший способ наблюдения естественного вращения плоскости поляризации предполагает поместить оптически активное вещество между двумя поляроидами: поляризатором и анализатором. Если плоскости поляризации обоих поляроидов взаимно перпендикулярны, то в отсутствие оптически активного вещества на выходе из системы света нет (поле зрения будет тёмным). При внесении между поляроидами оптически активного вещества происходит поворот плоскости поляризации света на некоторый угол, поэтому поле зрения становится светлым. Отметив положение анализатора и повернув его так, чтобы поле зрения стало опять тёмным, можно найти угол поворота плоскости поляризации света в исследуемом оптически активном веществе. Определение угла поворота плоскости поляризации визуальным способом по положению анализатора, соответствующего тёмному полю, сопряжено с достаточно большими погрешностями измерений. Большую точность удаётся достигнуть полутеневым методом, в котором отсчёт производится от положения анализатора, соответствующего полям сравнения, имеющим одинаковую яркость. Измерения угла вращения плоскости поляризации производятся с помощью поляриметров. В основе простейшего полутеневого поляриметра лежит использование призмы Николя.
Порядок выполнения работы
1. Включить осветитель в сеть и при отсутствии пробирки с раствором добиться отчетливой видимости раздела поля зрения перемещением окуляра (9).
2. Перемещая окуляр, добиться чёткой фокусировки шкалы.
3. Медленно вращая ручку компенсатора, установить одинаковую слабую освещённость обеих половин поля зрения. Записать показания нониуса.
4. Поместить пробирку, содержащую раствор сахара с известной концентрацией, в прибор и, глядя в окуляр 9, произвести дополнительную фокусировку поля зрения так, чтобы была отчетливо видна линия раздела поля зрения (при этом обе половины поля зрения оказываются освещёнными уже по-разному). Вращая ручку компенсатора, добиться одинаково слабой освещённости обеих половин зрения. Произвести отсчёт по шкале. Повторить настройку три раза, посчитать среднее значение отсчёта по шкале. Определить по формуле (2) коэффициент a2 полагая l = 2 дм. Данные занести в таблицу 1.
Таблица 1 Измерение удельного вращения плоскости поляризации раствором с известной концентрацией сахара
5. Аналогичные измерения провести для остальных растворов (с неизвестными концентрациями сахара) и по формуле (2) вычислить их концентрацию C, используя значение a2, полученное для раствора с известной концентрацией. Данные занести в таблицу 2.
Таблица 2 Измерение концентрации растворов (l = 2 дм, a2 = )
6. По данным таблицы построить график зависимости угла d поворота плоскости поляризации от концентрации C сахара в растворе: d = d(C).
7. Найти относительную погрешность концентрации DС для одного из растворов в соответствии с формулой
Результаты измерений представить в виде Ci = <Ci> + DCi. Контрольные вопросы 1. Что такое поляризованный свет? 2. Что называется плоскостью поляризации и плоскостью колебаний? 3. Сформулировать закон Малюса. 4. Какие вещества называются оптически активными? Привести примеры. 5. С чем связан механизм поворота плоскости поляризации света при прохождении им оптически активных веществ? 6. В чем заключается принцип работы сахариметров? 7. Каково предназначение поляроидов в экспериментальной установке? 8. Почему в поляриметрах преимущественно используется полутеневой метод? 9. Как рассчитать относительную погрешность измерений концентрации сахара в водном растворе в данной работе?
Список литературы 1. Савельев И.В. Курс общей физики в 3-х тт. Т. 1. Механика. Молекулярная физика. – М.: – Астрель АСТ, 2007. – 352 с. 2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Изд-во «Академия», 2003. – 720 с. 3. Трофимова Т. И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2004. – 544 с. 4. Селезнёв В.А., Тимофеев Ю.П. Методические указания к вводному занятию в лабораториях кафедры физики. – М.: МИИТ, 2006. – 30 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Учебно-методическое издание Пауткина Анна Владимировна ФИЗИКА А, 43 под редакцией доц. Е.А. Серова
127994, Москва, А-55, ул. Образцова д. 9, стр. 9. Типография МИИТа [1]Более подробно о поляризованном свете можно прочитать во введениях к работам 36 и 36а. ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра «Физика-2»
ФИЗИКА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ 36, 36а, 43
МОСКВА - 2009
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)
Кафедра «Физика-2»
ФИЗИКА
Рекомендовано редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний для студентов специальностей ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, вечернего факультета
Под редакцией доцента Е.А.Серова
МОСКВА - 2009
УДК 539.2 : 621.382 П-21
Физика: методические указания к лабораторным работам 36, 36а, 43 / Под ред. доц. Е.А. Серова. – переизд., доп. – М.: МИИТ, 2009. – 68 с.
Методические указания содержат описания лабораторных работ по общему курсу физики, предназначенных для студентов первого и второго курсов ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТОП, вечернего факультета. В данных методических указаниях в описании лабораторной работы 36а использованы материалы, предоставленные сотрудниками физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.
© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2009
Работа 36
|
Последнее изменение этой страницы: 2019-04-10; Просмотров: 262; Нарушение авторского права страницы
) и магнитного ( 
) полей происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях. Относительное взаимное расположение векторов напряженностей электрического поля, магнитного поля и фазовой скорости волны ( 
) составляет правую тройку векторов и показано на рисунке 1. В случае однородной, электрически нейтральной и непроводящей среды абсолютные значения векторов 
, совершаются только в одной плоскости, проведенной через направление распространения волны, то такая волна называется линейно- или плоско-поляризованной. При этом и колебания векторов 
, также происходят только в одном направлении. Если сложить плоско-поляризованный свет с естественным, то в результирующей волне будут преобладать колебания в плоскости вектора 
Плоскость, проведенная через направление колебаний вектора 
), называется плоскостью поляризации. Плоскость, проведённая через направление колебаний вектора 
изображается отрезком, направление которого лежит в плоскости колебаний светового луча, прошедшего поляризационный прибор. В данном методическом указании приводится пример построения векторных диаграмм в упражнениях 1 и 2.
, которая окажется параллельной плоскости колебаний второго поляроида (АА). Амплитуда напряженности электрического поля световой волны на выходе из второго поляроида станет равной
, cosj = 0), свет через оптическую систему проходить не будет. Если поляроиды параллельны (угол между плоскостями поляризации j = 0, cosj = 1), то освещённость экрана, расположенного за оптической системой, будет максимальна.
. Затем, после прохождения уже полностью поляризованного света через второй поляроид, в соответствии с законом Малюса интенсивность станет равной: I = 
(т.к. различным ориентациям 
; если среда не ферромагнитная, т. е. m = 1, то n = 
. При прохождении кристалла исландского шпата свет разделяется на две части, направления векторов 
в которых взаимно перпендикулярны. Возникшие таким образом два луча распространяются в веществе с разными скоростями (для этих двух лучей показатели преломления вещества неодинаковы). Один из лучей носит название обыкновенный и обозначается буквой «о», а второй называется необыкновенный и обозначается буквой «е». Если направление падающего на кристалл света не совпадает с оптической осью кристалла, то образовавшиеся обыкновенный и необыкновенный лучи обладают следующими свойствами:
); анализ эллиптически поляризованного света.
(длина волны соответствует длине волны лазера), заключённая во вращающуюся оправу.
и напряженности магнитного поля 
перпендикулярны направлению скорости распространения волны и совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях. Если источником света служит множество атомов или молекул, то испускаемые ими волны не являются когерентными, поскольку пространственная ориентация векторов 
и 
в них, а также моменты испускания волн быстро и беспорядочно меняются. Таким образом, в естественном свете, испускаемом обычными источниками (некогерентными), колебания вектора напряженности электрического поля 
= 
+ 
+ 
.