ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИКЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………

Основные правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ по оптике, атомной и ядерной физике………………………

Лабораторная работа № 3-1. Изучение пространственной и временной когерентности…………………………….…

Лабораторная работа № 3-2. Изучение интерференции света в тонкой пленке…………..………………………….…

Лабораторная работа № 3-3. Изучение интерференции света с помощью бипризмы Френеля……………………

Лабораторная работа № 3-4. Изучение интерференции света в толстой стеклянной пластинке с помощью лазера…

Лабораторная работа № 3-5. Определение концентрации водных

растворов оптически активных веществ…

Лабораторная работа № 3-6. Изучение дифракции Фраунгофера на одной щели и дифракционной решетке……

Лабораторная работа № 3-7. Получение и исследование поляризованного света……………………………………

Лабораторная работа № 3-8. Изучение теплового излучения…………

Лабораторная работа № 3-9. Изучение спектра излучения ртутной лампы и определение постоянной Планка…

Лабораторная работа № 3-10. Изучение термоэлектрических и контактных явлений……………………………

Лабораторная работа № 3-11. Изучение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры…………………………………………….

Лабораторная работа № 3-12. Изучение процесса рождения электронно-позитронной пары………………………

Лабораторная работа № 3-13. Исследование дифракции микрочастиц на отверстии. Моделирование на компьютере………………………………………….

Лабораторная работа № 3-14. Определение резонансного потенциала

методом Франка и Герца…………………

Лабораторная работа № 3-15. Изучение внешнего фотоэффекта ……

Приложения:

Приложение 1. Устройство и принцип работы лазера…………………

Приложение 2. О случайных совпадениях ………………………………

ВВЕДЕНИЕ

В данном лабораторном практикуме приведены методические указания к выполнению лабораторных работ, представленных в общем физическом практикуме кафедры физики БГАРФ по разделу: оптика, атомная физика и физика элементарных частиц. Лабораторные работы поставлены на оборудовании, разработанном ВСНПО «Союзвузприбор» и ФГУП РНПО «Росучприбор».

Методические указания по выполнению лабораторных работ составлены и перерабатывались преподавателями кафедры физики в различные годы. Для данного сборника методические указания к лабораторным работам 3-1, 3-2, 3-4, 3-6, 3-7, 3-8, 3-9, 3-10, 3-11 переработаны Смурыгиным В.М. и Корневой И.П. Методические указания к лабораторным работам 3-12, 3-13, 3-14 составлены Сердюковым Г.А. Лабораторная работа 3-15 поставлена Смурыгиным В.М., а работа 3-5 поставлена Смурыгиным В.М. и Корневой И.П.

Лабораторный практикум предназначен для курсантов и студентов всех специальностей очного и заочного обучения.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ОПТИКЕ, АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ

При выполнении работ в лаборатории курсанты и студенты обязаны строго соблюдать правила техники безопасности:

1. К работе допускаются курсанты и студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности и получившие у преподавателя допуск к выполнению лабораторной работы.

2. Установку оптических приборов на оптическую скамью производить при выключенном напряжении, в чём надо убедиться по положению переключателей на источниках питания и отсутствии вилки в розетке.

3. Самостоятельно включать любые приборы под напряжением без проверки преподавателем категорически запрещается.

4. При включении схемы под напряжением необходимо убедиться в том, что никто из курсантов и студентов группы не касается приборов, отдельных участков цепи.

5. Всякое переключение в цепи, замену приборов производить только при выключенном напряжении и в присутствии лаборанта или преподавателя.

6. При возникновении каких-либо неполадок в работе немедленно доложить преподавателю или лаборанту.

7. Без разрешения преподавателя или лаборанта запрещается вскрывать, переносить и включать лабораторное оборудование.

8. Источниками света в ряде лабораторных работ являются лазеры. Прямое попадание лазерного луча в глаз может привести к ослаблению зрения.

9. Перед началом выполнения лабораторной работы необходимо внимательно ознакомиться с разделом «Порядок выполнения работы» в описании лабораторной работы, где указана последовательность включения приборов, условия их использования.

10. Запрещается трогать руками оптическую часть приборов – линзы, окуляры, оптические щели. Следует брать руками приборы только за оправы.

11. После выполнения лабораторной работы выключение приборов проводить в обратной последовательности до удаления вилки из розетки.

12. Курсанты и студенты, нарушившие правила техники безопасности, от выполнения лабораторных работ отстраняются до пересдачи ими правил техники безопасности.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-1

Изучение пространственной и временной когерентности

Цель работы: изучение пространственной и временной когерентности методом наблюдения интерференции от двух щелей.

ВВЕДЕНИЕ

Свойство когерентности является одной из основных характеристик светового поля. Оно определяет возможность наблюдения интерференции световых волн. Под когерентностью понимают согласованность протекания двух или нескольких колебательных или волновых процессов.

Различают временную и пространственную когерентность. Временная когерентность выражает упорядоченность во временном изменении напряженностей электромагнитного поля в отдельно взятой точке пространства. Пространственная когерентность характеризует согласованность поля во времени в разных точках пространства.

Монохроматическое поле обладает полной временной и пространственной когерентностью. Действительно, зная значение в какой-то точке пространства в момент времени t, мы можем предсказать значение в любой последующий момент времени t+t, как бы велико не было t. Колебания в двух любых точках пространства происходят согласованно: разность фаз колебаний в этих точках и отношение амплитуд остаются неизменными во времени.

Реальные волны не бывают строго монохроматическими, т. к. акты излучения одного и того же атома, как и акты излучения разных атомов, происходят независимо друг от друга, и фазы испускания волн никак не связаны между собой. Тогда в фиксированной точке амплитуда и фаза хаотично изменяются со временем в отличие от монохроматической волны. Среднее время, за которое происходит существенное изменение амплитуды А, а фаза j меняется на величину ~ p, называется временем когерентности . Время когерентности связано со спектральной шириной излучения соотношением .

Расстояние, которое проходит волна за время , называется длиной когерентности .

Рассмотрим подробнее пространственную когерентность. Колебания в двух точках P₁ и Р₂ являются пространственно когерентными, если разность фаз в этих точках и отношение амплитуд не изменяются со временем.

Случай 1. Свет испускается одним точечным источником S. Если разность хода , одна и та же волна вызывает колебания как в точке , так и в точке . Колебания в этих точках будут пространственно когерентны: амплитуды их будут равны, а разность фаз будет постоянной. Если же , то колебания в точках и принадлежат разным цугам волн и не являются пространственно когерентными.

Случай 2. Световое поле создается двумя независимыми точечными излучателями и . Вообще говоря, пространственная когерентность в точках и нарушается даже в том случае, если излучение достаточно монохроматично и для обоих источников выполняются условия:

, (1)

. (2)

Действительно, колебание в каждой из точек и будет суперпозицией двух колебаний, возбуждаемых источником и , а они независимые, т. е. колебание будет некогерентным. Однако если излучатели находятся близко друг к другу, так что , а точнее , то разность фаз суммарных колебаний в точках и будет оставаться постоянной и равной . Отношение суммарных амплитуд также будет сохраняться, колебания будут когерентными.

Случай 3. Световое поле создается протяженным источником, который можно рассматривать как совокупность независимых источников. В этом случае пространственная когерентность колебаний в точках и зависит от размеров источника. Если источник достаточно мал, колебания будут когерентными, т. е.:

а) для любой точки : (3)

б) для двух любых точек источники и :

, или (4)

Эти условия всегда будут выполняться, если точки и расположены достаточно близко друг к другу. Напротив, при удалении точек и друг от друга выполняемостъ условий (3) и (4) ухудшается, и степень когерентности колебаний в этих точках уменьшается. Исходя из этих соображений, вводят такие характеристики светового поля, как объем когерентности и площадь когерентности. Объемом когерентности называют такой объем пространства, для любых двух точек которого имеет место достаточно высокая степень пространственной когерентности. Под площадью когерентности понимают такую площадь на плоскости для любых двух точек, для которых имеет место достаточно высокая степень пространственной когерентности.

Степень когерентности характеризуется параметром , который принимает значение от 1 (при полностью когерентных колебаниях) до 0 (при отсутствии когерентности). В большинстве случаев степень когерентности может считаться высокой. Приняв этот критерий и воспользовавшись соотношением (4), можно получить радиус R площади когерентности на плоскости, расположенной на расстоянии d от протяжённого самосветящегося источника радиусом R (рис. 1):

или (5)

где - угловой размер площади когерентности.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. В установке, собранной согласно рис.2, двойную щель 5 заменяют белым экраном.

2. Включить лазер (с разрешения преподавателя). Внимание! Попадание в глаз прямого лазерного излучения опасно для зрения.

3. Добиться, перемещая экран вдоль оптической скамьи, изменения «зерен» на экране.

4. Включить мотор, вращающий матовое стекло, и повернуть вправо ручку регулировки скорости вращения мотора. При этом «зернистая» картина на экране исчезает. Все последующие измерения проводят при включенном моторе.

5. Убрать экран. На его место поместить двойную щель. Расстояние между щелями h = 0, 06 мм.

6. Вращая оправу линзы, установить расстояние между линзой и матовым стеклом l » 18 ¸ 20 мм.

7. Установив двойную щель непосредственно перед зрительной трубой, мы будем наблюдать в окуляре зрительной трубы интерференционную картину от двух щелей.

8. Наблюдая в окуляр, передвигаем двойную щель к матовому стеклу до тех пор, пока интерференционная картина полностью не расплывется. После этого определить между матовым стеклом и двойной щелью, сделать 5 измерений. Величина вычисляется как разность измеренных расстояний по оптической шкале стекла и щели.

9. Измерить расстояние l между линзой и матовым стеклом. Повторить действия указанные в пп. 6-8.

10. Результаты измерений занести в таблицу.

№ п/п	,	,	,	,	,	,
мм	мм	мм	мм	мм	мм

11. Для каждого значения l рассчитать диаметр светящегося пятна по формуле (8). Фокусное расстояние линзы f = 16 мм. Диаметр лазерного луча D = 1 мм. Длина волны лазерного излучения l = 630 нм.

12. По формуле (6) определить теоретическое значение апертуры интерференции, а по (7) экспериментальное значение.

13. Сравнить полученные экспериментально значения апертуры интерференции с теоретическим значением.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Какова цель данной работы? Какое явление в ней изучается?

2. Назовите приборы и их назначение данной работе.

3. Какие измерения надо провести в данной работе?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ СДАЧИ РАБОТЫ

1. Что называется интерференцией света?

2. Что такое временная и пространственная когерентность?

3. Что такое время когерентности? Чем оно определяется?

4. Каким параметром характеризуется степень когерентности? В каких пределах он изменяется?

5. При каких условиях колебания светового поля точечного источника в двух точках пространства будут пространственно когерентны?

6. Какую когерентность и как мы наблюдаем в данной работе?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-2

ВВЕДЕНИЕ

В работе изучают интерференционную картину, носящую название колец Ньютона. Для получения интерференционной картины (рис.1) используется тонкий слой воздуха между плоскопараллельной пластинкой 1 и плосковыпуклой линзой 2. В качестве источника света используется лампа накаливания. Для получения излучения, близкого к монохроматическому, применяют светофильтры, пропускающие узкий спектральный интервал. Лучи, отражённые верхней поверхностью пластинки и нижней поверхностью линзы, когерентны и могут интерферировать.

Наблюдаемая интерференционная картина представляет собой полосы равной толщины. Полосы равной толщины локализованы вблизи поверхности воздушного клина.

Условия максимумов и минимумов интенсивности при интерференции в тонкой плёнке в отраженном свете определяются формулами:

максимумы (1)

минимумы (2)

В формулах (1) и (2) к оптической разности хода добавляется , так как один луч отражен от оптически более плотной среды.

Учитывая, что свет падает на линзу нормально (cosb = l), a показатель преломления воздушного слоя n = 1, из формул (1) и (2) получим условие наблюдения светлой полосы:

(3)

и условие наблюдения темной полосы

(4)

где d - толщина воздушного слоя.

Геометрическим местом точек с одинаковой разностью хода являются окружности с центром в точке соприкосновения линзы с пластинкой, следовательно, интерференционная картина будет представлять собой систему концентрических светлых и тёмных колец. Для центра колец толщина слоя d = 0. Там образуется тёмное пятно, которому в формуле (4) соответствует m = 0.

Радиус кольца r, радиус кривизны линзы R и толщина слоя d связаны со­отношением (рис.1):

(5)

Пренебрегая малой величиной , из выражения (5) получаем:

. (6)

Из формулы (6) и условий (3) и (4) следуют соотношения для радиусов:

светлых колец (7)

тёмных колец (8)

Измерив радиус m-го светлого или тёмного кольца и зная l₀, по формулам (7) и (8) можно определись радиус кривизны линзы R. Однако в месте соприкосновения линзы с пластинкой обычно возникает упругая деформация стекла, что приводит к погрешностям при определении R по формулам (7) и (8), особенно при использовании колец с небольшим номером m. Эту погрешность можно исключить, использовав графический способ расчета R. График зависимости от m представляет собой прямую линию. Определив тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс, можно найти R:

(9)

Зная радиус кривизны R линзы, можно найти длину волны l, пропускаемую светофильтром:

(10)

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Откинув тубус с осветителем, поместить зеленый светофильтр в микроскоп.

2. Включить осветитель, для чего на панели блока питания тумблер «сеть» поставить в положение «вкл».

3. На предметный столик поместить оправу с пластинкой и линзой.

4. Перемещая оправу по предметному столику, найти в поле зрения окуляра картину колец.

5. Перемещая оправу, добиться, чтобы окулярная шкала микроскопа располагалась по диаметру колец (рис.3).

6. Измерить радиусы пяти темных колец, как показано на рис. 3, измерения начинать с третьего кольца.

При этом

7. Повернув окулярную шкалу на 90°, снова определить радиусы пяти колец, аналогично пункту 6.

При этом

8. Высчитать .

9. Поместить в микроскоп красный светофильтр и произвести измерения колец так же, как и в пунктах 6 и 7.

10. Определить цену деления окулярной шкалы. Для этого поместить на столик микроскопа вместо линзы масштабную линейку. Расположить окулярную и масштабную шкалы вдоль одной линии. Заметить, какое число l целых делений окулярной шкалы имеет такую же длину, как и 1 мм масштабной шкалы. Рассчитать цену деления шкалы:

11. Рассчитать радиусы в миллиметрах всех измеренных колец:

12. Данные, снятые и вычисленные в пунктах 6 - 11 занести в таблицу.

№ кольца m

Х пр. дел

Х лв. дел

Х вх. дел

Х нз. дел

гр дел

вр дел

дел

, мм

, мм2

l, нм

13. Построить графики зависимости от m для красного и зеленого светофильтров. Определить .

14. По формуле (9) рассчитать радиус кривизны линзы, учитывая, что = (520 ± 10) нм, а погрешность измерения определить по графику.

15. По формуле (10) вычислить длину волны второго светофильтра, подставляя значение радиуса кривизны линзы, вычисленного в пункте 14, а погрешность измерения определить по графику.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Какова цель данной работы? Какое явление в ней изучается?

2. Какие приборы и принадлежности необходимы дня проведения лабораторной работы?

3. Какую роль играет линза, лежащая на предметном стекле?

4. Какие измерения необходимо провести в лабораторной работе?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ СДАЧИ РАБОТЫ

1. Как образуются кольца Ньютона в отраженном и проходящем свете? Нарисовать ход лучей.

2. Вывести формулу для радиуса m-го светлого кольца Ньютона.

3. Интерференция в тонких плёнках - получение и основные формулы.

4. Как образуются полосы равного наклона? Полосы равной толщины?

5. Почему в центре колец наблюдается тёмное пятно?

6. Почему кольца Ньютона исчезают при увеличении расстояния между линзой и пластинкой?

7. Записать условия максимумов и минимумов интерференции света в тонкой пленке в проходящем свете.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-3

ВВЕДЕНИЕ

Если две или несколько волн накладываются друг на друга в какой-то области пространства, то при определенных условиях возникает явление интерференции. В этом случае на экране, помещённом в области наложения световых волн, возникает чередование тёмных и светлых полос. Условия наблюдения интерференционной картины: складывающиеся волны должны иметь одинаковую частоту; одинаковое направление колебаний; амплитуды их не должны сильно различаться, то есть волны должны быть когерентными. Когерентными называют волны с неизменяющейся во времени разностью фаз и одинаковой частотой.

Для получения когерентных световых волн применяется метод разделения волны от одного источника на две части. Пройдя разные оптические пути, обе части световой волны накладываются в одной области пространства.

Свет после преломления в бипризме разделяется на два пучка, как бы исходящих из двух мнимых источников S¹ и S². Данные источники когерентны, поэтому в области перекрывания пучков будет наблюдаться интерференционная картина. В плоскости PQ, перпендикулярной оптической оси, интерференционная картина имеет вид чередующихся светлых и темных полос. Ширина интерференционной полосы определяется по формуле:

(1)

где l - длина волны света,

l - расстояние между мнимыми источниками S¹ и S²;

L - расстояние от источников до плоскости, в которой наблюдается интерференционная картина.

Расстояние l можно определить, зная преломляющий угол бипризмы Q и ее показатель преломления n. Как видно из рис.1, , а для малых углов; тогда

(2)

Из формул (1) и (2) получим выражение для длины волны:

(3)

Ширина интерференционной полосы мала, поэтому для её определения в работе используется короткофокусная линза (рис.2), дающая на экране 5 увеличенное изображение интерференционных полос, возникающих в области между бипризмой и линзой.

Из рис.2 видно, что ширина интерференционной полосы , входящая в формулу (3), выражается через ширину полосы на экране следующим образом:

неизвестное расстояние а можно найти с помощью формулы для тонкой линзы:

откуда

следовательно,

(4)

Из рис.2 видно, что:

(5)

Подставив выражения (4) и (5) в формулу (3), получим окончательно:

(6)

Зная показатель преломления стекла бипризмы n, её преломляющий угол Q, фокусное расстояние линзы f и измерив ширину интерференционной полосы на экране и расстояние b, d, с, можно по формуле (6) определить длину волны лазерного излучения.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Проверить правильность и последовательность установки приборов на оптической скамье.

2. Включить лазер с разрешения преподавателя. Внимание! Попадание в глаз пряного лазерного излучения опасно для зрения.

3. Перемещая бипризму поперек оптической оси, вывести общую грань бипризмы на середину интенсивной части светового пучка.

4. С помощью микровинта устанавливают такую ширину щели, чтобы интерференционные полосы на экране были чёткими и в то же время достаточно яркими, в дальнейшей работе микровинт не трогать.

5. Перемещая бипризму и линзу вдоль оптической оси, подбирают удобную для измерения ширину полосы на экране .

6. По шкале на экране измеряют расстояние между серединами двух любых тёмных полос, разделёнными m светлыми полосами. Измерения повторяют три раза для разных пар тёмных полос.

7. По линейке на оптической скамье измеряют расстояния b, с и d.

8. Измерения, указанные в пунктах 6 и 7, провести три раза, изменяя расстояния b, с и d, получая четкую картину интерференционных полос на экране.

9. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу.

№ п/п		m		b, c, d,	l,	Справочные данные
мм	мм	мм	мм
				b = c = d =		f = 65 мм n = 1, 5 Q = 4, 36× 10-3 рад
				b = c = d =
				b = c = d =
			=		=

10. По формуле (6) рассчитать длину волны лазерного излучения для каждого опыта.

11. Найти среднее значение длины волны лазерного излучения и погрешность измерений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ДОПУСКА К РАБОТЕ

1. Какова цель данной работы? Какое явление в ней изучается?

2. Каковы особенности лазерного излучения и какие меры предосторожности надо соблюдать при работе с ним?

3. Назовите приборы и для чего они используются в данной работе?

4. Какие измерения надо провести в этой работе?

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ СДАЧИ РАБОТЫ

1. Как возникает и в чём заключается явление интерференции?

2. При каких условиях возникает максимум и минимум освещённости при интерференции?

3. Какие волны называются когерентными? Что такое длина когерентности и время когерентности?

4. Приведите способы получения когерентных волн.

5. Как изменится интерференционная картина, если длину волны увеличить в 3 раза?

6. Получите выражение для ширины интерференционной полосы (1), используя схему получения интерференционной картины от двух когерентных источников волн.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3-4

Пластинке с помощью лазера

Цель работы: определение показателя преломления стеклянной пластинки с помощью интерференционной картины.

ВВЕДЕНИЕ

Для наблюдения интерференции необходимо, чтобы складывающиеся колебания были когерентны. Поэтому в данной работе для получения интерференционной картины используется лазер.

Из рис. 1 видно, что любая пара интерферирующих лучей, идущих симметрично относительно нормали ОО’, имеет одинаковую разность хода. Следовательно, интерференционная картина на экране будет иметь вид концентрических колец.

		Рис. 1. Интерференция света на плоскопараллельной стеклянной пластинке.

Определим условия образования тёмных и светлых колец. Если толщина пластинки d значительно меньше расстояния между экраном и пластинкой L, то угол между интерферирующими лучами мал.

В отраженном свете светлые кольца будут наблюдаться при условии:

(1)

а тёмные кольца – при условии:

(2)

где m = 0, 1, 2, …;

n – показатель преломления стекла;

b - угол преломления.

С помощью соотношения выразим (2) через угол падения a и запишем условия минимумов интенсивности m – го и (m+k) – го порядка:

(3)

(4)

Из формул (3) и (4) видно, что более высокому порядку интерференции соответствует меньший угол падения лучей на пластинку, а следовательно, и кольцо меньшего радиуса. Для колец, радиус которых R значительно меньше L:

(5)

Подставляя (5) в (3) и (4) и ограничиваясь первым приближением в разложении корня в ряд по малому параметру , получим:

(6)

(7)

Откуда находим:

(8)

Измерив радиусы двух темных (или двух светлых) интерференционных колец и расстояние между пластинкой и экраном при известных значениях толщины пластинки и длины волны лазера по формуле (8), можно рассчитать показатель преломления пластинки.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1.Проверить правильность и последовательность установки приборов на оптической скамье.

2.Включить лазер (с разрешения преподавателя).

Внимание! Попадание в глаза лазерного излучения опасно для зрения.

3.Поворачивая пластинку вокруг вертикальной и горизонтальной осей, расположить её плоскость нормалью к оси лазерного пучка. При этом на экране должны быть видны четкие интерференционные кольца с центром на оси пучка.

4.По шкале на оптической скамье измерить расстояние L от экрана до пластики.

5.Определить радиусы трех пар колец и ( ). Для этого определяют координаты пересечения соответствующих колец с горизонтальной и вертикальной шкалами на экране справа и слева, сверху и снизу от оси пучка и находят среднее значение.

6.Измеренные данные заносят в таблицу.

M
лев.	Прав.	Верх.	Низ.
Мм	мм	мм2
m+k
лев.	Прав.	Верх.	Низ.
Мм	мм	мм2