Описание метода измерения и установки.

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 20Следующая ⇒

Определение горизонтальной составляющей Н₀ в нашей работе выполняется с помощью прибора, называемого тангенс–гальванометром.

Он состоит из нескольких десятков витков провода, намотанных на кольцо, в центре которого находится магнитная стрелка.

Если расположить катушку в плоскости магнитного меридиана и по ней пропустить ток I, то возникает магнитное поле тока с напряженностью Н_т в центре катушки, направленное перпендикулярно плоскости катушки. Таким образом, на стрелку будут действовать два взаимно перпендикулярных магнитных поля: магнитное поле Земли Н₃ и магнитное поле тока Н_т. на рис.1 изображено сечение катушки горизонтальной плоскостью. Стрелка отклонится на угол a и установится по направлению равнодействующей Н, т.е. по диагонали прямоугольника, сторонами которого будут Н_т и Н₀–Н₃. Из рис.1 получим:

(1)

Применительно к магнитному полю, создаваемому круговым током, напряженность магнитного поля в центре катушки тангенс– гальванометра равна:

и следовательно,

(2)

зная число витков n тангенс–гальванометра, значение тока I, радиус кольца R и угол отклонения стрелки a, можно определить горизонтальную составляющую Н₀=Н₃.

Электрическая схема установки изображена на рис.3, где U – источник тока, Р – реостат, А – миллиамперметр, П – переключатель, меняющей направление тока, проходящего по тангенс– гальванометру ТГ, К–ключ.

Порядок выполнения работы.

1. Проверяют электрическую схему установки.

2. Поворачивая подставку тангенс–гальванометра, устанавливают витки его катушки в плоскости магнитного меридиана (вдоль стрелки).

3. После проверки схемы преподавателем или лаборантом, замыкают ключ К и при помощи реостата или магазина сопротивлений устанавливают указанный преподавателем ток в цепи. Записывают угол отклонения стрелки a, причем записывают четыре значения угла для каждого значения тока: два при одном положении переключателя П, два – при другом его положении.

4. Опыты повторяют несколько раз при различных значениях силы тока, который измеряют миллиамперметром, а изменяют магазином сопротивлений.

5. Результаты измерений заносят в таблицу 1 протокола.

6. Для каждого отдельного опыта Н₀ определяют по формуле (2).

Значение a_ср находят как среднее арифметическое четырех отклонений.

7. Окончательный результат выражают в виде:

Протокол лабораторной работы №15

Таблица 1

№	I	n	Н

= = =

Окончательный результат: =

Вопросы для самопроверки к работе №15

1. Что такое магнитное поле?

2. Назовите основную характеристику магнитного поля и единицы её измерения.

3. Сформулируйте закон Био–Савара–Лапласа.

4. Из какого закона можно определить физический смысл вектора магнитной индукции.

5. Напишите формулу зависимости между и .

6. Запишите формулу для закона полного тока.

Список рекомендуемой литературы

1. Дмитриева В.Ф., Прокофьев В.Л. Основы физики. – М.: Высшая школа, 2009.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2010.

Материально–техническое обеспечение

1. Установка для лабораторной работы по электричеству и магнетизму «Определение напряженности магнитного поля Земли с помощью тангенс–гальванометра»

2. Программа для моделирования лабораторной работы на компьютере.

Модуль 4.Оптика

Лабораторная работа №24

«Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки»

Краткая теория

Дифракция света

Развитие оптики вплоть до начала XX века базировалось в основном, на представлении о прямолинейности распространения света. Но уже в XVII веке были известны факты, указывающие на отступление от закона прямолинейного распространения. Это бывает в следующих случаях: когда луч света проходит через малое отверстие в непрозрачном экране; если на пути луча находится малое непрозрачное тело и если свет проходит около края непрозрачного предмета.

Если пучок параллельных лучей света встречает на своем пути непрозрачное круглое тело, то при достаточно малых размерах тела на экране, в середине геометрической тени, будет заметно с в е т л о е пятно в центре чередующихся темных и светлых колец. Это указывает на то, что свет распространяется и в область геометрической тени.

Если же пучок параллельных лучей света пропустить через достаточно малое круглое отверстие, то на экране, начиная с некоторого расстояния, по мере изменения расстояния между отверстием и экраном, будет появляться то с в е т л о е пятно, то т е м н о е пятно в центре чередующихся темных и светлых колец, диаметр которых значительно больше диаметра отверстия. Свет здесь распространяется в область геометрической тени.

Явление отклонения света от прямолинейного распространения в однородной среде, выражающееся в распространении света в область геометрической тени, называется д и ф р а к ц и е й света.

Дифракция света показывает, что законы геометрической оптики, базирующиеся на законе прямолинейности распространения света, так же как и ряд других законов физики, оказываются справедливыми только в известных условиях.

Принцип Гюйгенса

Направление распространения света в области геометрической тени можно определить при помощи метода, получившего название принцип Гюйгенса, который объясняет механизм передачи волнового процесса (рис.1а). Гюйгенс рассматривал распространение световых волн как последовательное возмущение точек среды, в которой распространяется свет. По принципу Гюйгенса каждая точка волновой поверхности (фронта волны) является самостоятельным источником вторичных элементарных сферических волн. Поверхность, огибающая эти вторичные волны, является новой волновой поверхностью (фронтом волны). В изотропной среде световые лучи являются нормалями волновой поверхности.

Но принцип Гюйгенса позволил решать задачи распространения светового фронта, не отвечая на вопрос об интенсивности волн, идущих по разным направлениям. Оставался нерешенным и вопрос о прямолинейности распространения света. Эти недостатки принципа Гюйгенса устранил Френель, который дополнил принцип Гюйгенса идеей интерференции волн.

Принцип Гюйгенса – Френеля

Огибающая поверхность вторичных элементарных волн Гюйгенса рассматривается Френелем как поверхность, где вследствие взаимной интерференции элементарных волн результирующая волна имеет заметную интенсивность. При определении интенсивности (амплитуды) результирующей волны Френель предложил рассматривать поверхность фронта волны S как светящуюся поверхность. Излучение отдельных элементов dS поверхности S (рис. 1а) приходя в точку Е определяет своей совокупностью интенсивность излучения в этой точке. Так как фазы всех источников dS определяются излучением, идущим из точки О, то они будут когерентными и при сложении в точке Е будут интерферировать. Для вычисления интенсивности результирующей волны Френель предложил следующий прием, получивший название метода зон Френеля.

Метод зон Френеля

Соединим источник света О с рассматриваемой точкой М (рис.1б), разбиваем поверхность SS фронта волн на зоны такого размера, чтобы расстояние l от краев зоны до М отличались на полволны, т.е. радиусами:

l₀ = в; l₁ = в + ; l₂ = в + 2 ; l₃ = в + ... l_n = в + .

Если пренебречь малыми величинами второго порядка, то площади каждой полученной зоны будут одинаковыми и равны

DS =

, а радиус n–ой зоны

(1)

При этом необходимо учитывать следующие обстоятельства:

1. По мере удаления от центра С нормаль к волновой поверхности составляет все больший угол с направлением СМ и вследствие этого действие удаленных зон будет мало эффективным.

2. При построении зон по методу Френеля соответствующие точки двух соседних зон будут отличаться по фазе на p и при интерференции в точке М будут гасить друг друга.

Математические вычисления показывают, что действие безграничной световой поверхности S в точке М сводится к эквивалентному действию половины одной центральной зоны. Этим и объясняется прямолинейность распространения света.

Вопрос о том, что будет наблюдаться в точке М, максимум или минимум интенсивности от света, проходящего через отверстие SS, решается числом зон Френеля, которые укладываются в отверстии.

1. Если число зон будет четное, то зоны попарно погасят друг друга и в точке М будет минимум интенсивности.

2. Если число зон Френеля будет нечетное, то парные зоны погасят друг друга, а одна зона остается не погашенной и даст максимум интенсивности.

Дифракцию света, наблюдаемую от сферических волн, т.е. в случае, когда источник света находится на конечном расстоянии R, называют дифракцией Френеля.

Дифракцию света, наблюдаемую от параллельных лучей, т.е. в случае, когда источник света находится в бесконечности и фронт волны плоский, называют дифракцией Фраунгофера.

Если фронт волны плоский, то R = и площади DS_i, будут равны DS = pbl, а радиусn–ой зоны Френеля

r_n =

(2)

⇐ Предыдущая 8 9 10 11 121314 15 16 17 Следующая ⇒