Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Методика лабораторного эксперимента

Лабораторная работа №1

 

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ РАССЕИВАЮЩЕЙ ЛИНЗЫ

 

Цель работы: ознакомится со способом определения фокусного расстояния рассеивающей линзы.

Оборудование: галогеновая лампа, источник питания, оптическая скамья, собирающая линза, рассеивающие линзы №1 и №2, подвижные рейтеры.

 

Введение

Рассеивающая линза образует только мнимое изображение, которое нельзя получить на экране, то есть нельзя напрямую измерить расстояние от линзы до изображения на экране. Фокусное расстояние рассеивающей линзы можно определить, если использовать вторую собирающую линзу.

Получив с помощью собирающей линзы действительное изображение S 1 источника света на экране (рис. 1), можно поставить между собирающей линзой и экраном рассеивающую линзу. Действительное изображение источника света при этом смещается. Новое положение S 2 можно найти перемещением экрана.

 

Рис. 1. Геометрическая схема хода лучей при определении фокусного расстояния рассеивающей линзы

 

Обозначив расстояние от точек S 1 и S 2 до рассеивающей линзы соответственно через d и f, запишем формулу вычисления фокусного расстояния рассеивающей линзы с учетом правила знаков:

.   (1)

Из (1) получаем выражение для определения фокусного расстояния:

.   (2)

 

Методика лабораторного эксперимента

1. Разместите на оптической скамье галогеновую лампу, собирающую линзу и экран. Включите блок питания лампы.

2. Перемещайте собирающую линзу на оптической скамье между лампой и экраном до тех пор, пока на экране не высветилось сфокусированное изображение нити накала лампы (положение S 1). Измерьте расстояние OS 1 и запишите его в таблицу.

3. Установите между собирающей линзой и экраном рассеивающую линзу №1 или №2. Измерьте расстояние f от экрана до рассеивающей линзы.

4. Отодвигая экран от рассеивающей линзы, вновь получите на экране сфокусированное изображение нити накала лампы. Измерьте расстояние d от экрана S 2 до рассеивающей линзы.

5. Повторите эксперимент, каждый раз отодвигая рассеивающую линзу от собирающей на расстояние около 10 мм.


 

Таблица 1

Результаты измерений фокусного расстояния рассеивающей линзы

 

OS 1=, мм
Положение рассеивающей линзы, L, мм   f, мм   d, мм   Fi. мм    
             
             
             
             
             
Среднее, =   Сумма:  

 

Обработка результатов измерений

 

1. Вычислите по формуле (2) фокусное расстояние Fi для каждого опыта и занесите результат в таблицу.

2. Вычислите среднее значение фокусного расстояния и занесите в таблицу:

.   (3)

где N – число экспериментальных точек.

3. Вычислите отклонение от среднего значения фокусного расстояния для каждого опыта, занесите результат в таблицу.

4. Вычислите квадратичное отклонение от среднего значения фокусного расстояния для каждого опыта, занесите результат в таблицу.

5. Вычислите сумму квадратичных отклонений и занесите значение в таблицу.

6. Оцените доверительный интервал измерений фокусного расстояния по формуле:

,     (4)

где – квантиль распределения Стьюдента для N измерений с доверительной вероятностью p; N – число экспериментальных точек.

7. Результат определения фокусного расстояния запишите в виде .

8. Сделайте вывод по результатам проведенной работы.


Лабораторная работа № 2

 

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЙ, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ДИФРАКЦИЕЙ

 

Цель работы: наблюдение дифракции света на дифракционной решетке, определение длины волны света и периода дифракционной решетки.

Оборудование: дифракционная решетка, щель, оптическая скамья, источники света (ртутная лампа, лампа накаливания).

 

Введение

Дифракцией называется явление огибания волнами препятствий. Применительно к световым волнам дифракция означает проникновение света в область геометрической тени. Одним из наиболее распространенных технических средств для создания дифракционных эффектов служит дифракционная решетка. Дифракционной решеткой называется тонкая структура, содержащая ряд параллельных равноотстоящих и близко расположенных друг от друга щелей.

Расстояние d между серединами соседних щелей или сумма прозрачной a и непрозрачной b частей называется постоянной дифракционной решетки d = a+b (рис. 6).

Рис. 6. Схема хода лучей в дифракционной решетке

 

При падении плоской световой волны на решетку каждый элемент её поверхности становится источником вторичных когерентных волн. Результирующее световое колебание в любой точке пространства определяется согласно принципу Гюйгенса-Френеля суммированием вторичных волн, приходящих в данную точку от всех элементов решетки, с учетом их амплитуд и фаз.

Если на пути волн за решеткой поставить собирающую линзу, то в плоскости будет наблюдаться дифракционная картина (рис. 7). Дифракционную картину можно наблюдать непосредственно глазом, воспринимая лучи, прошедшие сквозь решетку. Роль линзы в этом случае играет хрусталик глаза.

 
m = –2 m = –1 m = 0 m = 1 m = 2 m = –2 m = –1 m = 0 m = 1 m = 2

Рис. 7. Схема получения дифракционной картины

от дифракционной решетки и дифракционный спектр

Главные дифракционные максимумы возникают в тех направлениях, для которых оптическая разность хода лучей, идущих от соседних щелей решетки, равна целому числу длин волн l:

. (9)

Из рис. 6 видно, что оптическая разность хода лучей, идущих от двух соседних щелей под углом дифракции j:

. (10)

Таким образом, углы дифракции, под которыми наблюдаются максимумы, определяются условием:

, (11)

здесь m = 0, ±1, ±2... – порядок дифракционного максимума.

Из формулы (11) следует, что если падающий свет содержит несколько различных длин волн, то решетка разложит его в спектр (рис. 7).

В направлении началь­ного распространения света (φ = 0) возникает максимум нулевого порядка (m = 0). Справа и слева от него возникнут сплошные или линейчатые спектры различных порядков (m = ±1, ±2...). В каждом из спектров максимумы более коротких длин волн располагаются ближе к центральной полосе.

Описание установки

Оптическая схема установки показана на рис.8. Все элементы установки помещаются в стойках на оптической скамье.

Свет от источника 1, пройдя через щель 2, попадает на дифракционную решетку 3. Дифракционная картина наблюдается непосредственно глазом на экране 4. Максимум нулевого порядка (центральный) совпадает со щелью. По обе стороны от нее расположены главные максимумы первого, второго и т.д. порядков. На экране находится отсчетная линейка.

Рис. 8. Оптическая схема установки для получения дифракции

 

Из рис. 8 видно, что ,

где L – расстояние от экрана до дифракционной решетки;

l – расстояние от щели до максимума с углом дифракции φ.

Подставляя значение синуса в уравнение (11), получаем для d:

. (12)

Индивидуальные задания

Задание 1

Исследование линейчатого спектра (определение постоянной дифракционной решетки)

 

Методика лабораторного эксперимента

1. На оптическую скамью (см. рис. 9) устанавливаем ртутную лампу 1, дающую линейчатый спектр, экран 4 со щелью 2 и дифракционную решетку 3.

2. Подключив ртутную лампу к «Блоку питания ламп» в разъём «Ртутная лампа», включаем ртутную лампу и, перемещая щель или дифракционную решетку в вертикальном направлении, добиваемся попадания светового луча на дифракционную решетку.

ВНИМАНИЕ. Если после включения клавиши выключателя ртутная лампа не загорится, немедленно выключить блок питания, дать лампе остыть и, затем, повторно включить ртутную лампу.

3. Наблюдаем через дифракционную решетку на экране со шкалой дифракционную картину в виде линейчатых спектров. Регулируя расстояние между решеткой и щелью, получаем четкое изображение спектров 1 и 2 порядков.

4. Измеряем расстояние между дифракционной решеткой и экраном.

5. По шкале влево l’ и вправо l” от центрального максимума определяем положение первой фиолетовой линии в спектре 1 и 2 порядка, и результаты записываем в табл. 3.

Таблица 3

Результаты измерения постоянной дифракционной решетки

L = мм
λ     Порядок спектра     Отсчёт по шкале , мм di, мм , мм , мм2
влево l ', мм вправо l ", мм            
фиоле- товая 407,8 нм              
             
синяя (яркая) 435,8 нм              
             
голубая 491,6 нм              
             
зелёная (яркая) 546,1 нм              
             
жёлтая 577,0 нм              
             
Среднее   Сумма  

6. Аналогичные измерения проводим для других ярких линий спектра ртути, и результаты заносим в ту же таблицу (табл.3).

7. По полученным данным для каждой линии спектра рассчитываем её среднее расстояние l от центрального максимума и постоянную дифракционной решетки d по формуле (12). Находим среднее значение величины d.

8. Рассчитываем доверительный интервал ,где N – число экспериментов, .

9. Записываем окончательный результат в виде и делаем выводы.

Задание 2

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...