Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

Лабораторная работа 303

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАЛЫХ РАЗНОСТЕЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ РЭЛЕЯ

Цель работы: изучить принцип действия интерферометра Рэлея, определить разность показателей преломления раствора поваренной соли и дистиллированной воды.

Интерферометр Рэлея используется для измерения малых разностей показателей преломления жидкостей и газов. Оптическая схема интерферометра показана на рис. 9.

 

Свет от источника 1 со сплошным спектром (лампа накаливания) собирается с помощью конденсора на входной щели 2 прибора. Щель находится в фокальной плоскости объектива 3, который вместе со щелью 2 составляет коллиматор. За объективом расположена плоская диафрагма 4 с двумя узкими вертикальными щелями, расположенными параллельно друг другу. Эти щели являются источниками вторичных когерентных волн.

Вышедшие из щелей световые пучки попадают на объектив зрительной трубы 5, причем, как видно из рисунка, верхняя часть пучков проходит через две кюветы 6, а нижняя непосредственно направляется на объектив. В фокальной плоскости объектива две пары пучков интерферируют и образуют на экране линии равного наклона. Первая пара, проходящая через кюветы, образует верхнюю систему интерференционных полос. Вторая пара, не проходящая через кюветы, образует нижнюю, неподвижную систему интерференционных полос (рис.11).

Перед объективом 5 встроены две плоскопараллельные стеклянные пластины 7, выполняющие функцию компенсатора. Наклон одной из них можно менять с помощью микрометрического винта, другая пластина остается при этом неподвижной. От угла наклона подвижной пластины зависит ее эффективная толщина для проходящих световых лучей. Благодаря этому можно менять оптическую разность хода между лучами, прошедшими через кюветы, и как следствие, сдвигать верхнюю систему интерференционных полос.

Конструктивно рефрактометр Рэлея состоит из кожуха 1, в котором смонтированы осветитель 2, гнездо для кювет 3, и окуляр 4 с микрометром 5 (рис. 10). Микрометр 5 имеет две шкалы – линейную, с целыми делениями, и круговую, с сотыми долями. Прибор питается от сети 220В через понижающий трансформатор 6.

 Рис. 10

Если в кюветы налиты жидкости с одинаковыми показателями преломления, то верхняя и нижняя системы интерференционных полос совпадают друг с другом (рис. 11 а). Если кюветы заполнить жидкостями с разными показателями преломления n1 и n2, то у верхней пары лучей появится дополнительная разность хода А, которая зависит от разности показателей преломления

где l – длина кюветы. Это приводит к сдвигу верхней интерференционной картины относительно нижней в сторону кюветы с большим n. Если сдвиг составляет k полос, то это значит, что приобретенная разность хода равна , поскольку двум соседним полосам соответствует сдвиг разностей хода на длину волны λ. Следовательно

Отсюда разность показателей преломления жидкостей

 (17)

Порядок выполнения работы

1. Включить осветитель через трансформатор 6 в сеть 220 В.

2. Определить нуль прибора k0. Для этого промыть кюветы дистиллированной водой, налить в них эту воду, после чего поместить в гнездо 3.

3. Установить микрометрический винт 5 на нулевую отметку. Вращая винт, совместить центральные максимумы

верхней и нижней картин, как на рис.11а.

 

Снять отсчет k0 по микрометру. Вернуть винт в начальное положение и повторить измерение k0 еще два раза. Найти среднее значение k0ср.

 4. Определить число делений N шкалы микрометра, соответствующее сдвигу верхней картины на одну полосу. Для этого, вращая винт против часовой стрелки, добиться смещения верхней картины на одну полосу, как на рис. 11б.

Записать показание k1 микрометра. Повторить измерение k1 еще два раза и вычислить его среднее значение k1ср. Разность  дает искомое число N. Полученные результаты занести в таблицу:

п/п

k0

k0ср

k1

k1ср

1

2

3

5. Вынуть кюветы из гнезда. Воду в правой кювете заменить на раствор поваренной соли.

6. Поставить кюветы на место и вращением винта 5 вновь добиться совмещения верхней и нижней интерференционных картин. Записать отсчет по микрометру k΄. Повторить измерение k΄ еще два раза и вычислить его среднее k΄.

7. По полученным данным найти число полос k , на которое сдвигается интерференционная картина при замене воды на раствор соли:

8. По формуле (17) определить разность показателей преломления раствора соли и дистиллированной воды. Среднее значение длины волны белого света принять равным . Длина кюветы .

9. После завершения работы слить раствор, промыть кюветы.

10. Оформить работу в соответствии с правилами оформления (см. [5]).

Контрольные вопросы

1. Что понимается под оптической и геометрической разностью хода?

2. Какие волны называются когерентными?

3. Каков метод получения когерентных волн в опыте Юнга?

4. Принцип действия интерферометра Рэлея. Для чего применяются интерферометры такого типа?

5. Объясните причину сдвига верхних полос в сторону кюветы с большим п. Чем определяется величина этого сдвига?

Библиографический список

1. И.В. Савельев. Курс физики. Т.З. М.: Наука, 1989. -304 с.

2. Т.И. Трофимова. Курс физики. N4.: Высш. шк., 2001. - 543 с.

3. А.А. Детлаф, Б.М. Яворский и др. Курс физики. М.: Высш. шк., 2001. -718с.

4. И.Е. Иродов. Волновые процессы. Основные законы. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. "256с.

5. СТП 2069635-23-88 «Лабораторные работы. Структура и правила оформления». Казань, 1988.

Лабораторная работа № 3-3

МОСТОВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ

Цель работы: ознакомление с классическим методом измерения сопротивления при помощи мостовой схемы.

Оборудование: измеряемые сопротивления, магазины сопротивлений, гальванометр или микроамперметр, источник постоянного тока, мост постоянного тока Р-333.

Введение

Мостовой метод измерений – метод измерения электрических сопротивлений по постоянному или по переменному току при помощи измерительных мостов нашел широкое применение в измерениях физических величин, функционально связанных с электрическим сопротивлением. На изменении параметров электрических цепей (сопротивления, емкости, индуктивности и др.) под влиянием различных физических факторов основано применение мостового метода для измерения неэлектрических величин (давления, температуры, влажности и т.д.).

Мостовой метод измерения электрических величин, как и компенсационный метод, при использовании эталонов электрических величин позволяет получить результат измерения с точностью, превышающей точность современных методов прямых измерений с цифровой индикацией результата.

Измерение сопротивлений. Метод и описание установки

Мостовая схема (мост Уитстона) состоит из четырех сопротивлений, соединенных последовательно; начало первого сопротивления соединено с концом четвертого; в диагонали образовавшегося замкнутого четырехугольника включены источник тока и индикатор (рис. 1). В одно плечо моста включается измеряемое сопротивление Rx, в другое – образцовое сопротивление ; два остальных вспомогательных образуют так называемые плечи отношения. В качестве индикатора обычно применяется гальванометр магнитоэлектрической системы с нулем в середине шкалы.

При изменении сопротивления одного из плеч моста, например R1, будет изменяться сила тока в цепях моста (I1, I2, I3, Ix).

Существует определенное соотношение между сопротивлениями, составляющими схему , R1, R2, R3, при котором сила тока, идущего через гальванометр, обращается в нуль. Такое состояние схемы соответствует уравновешенному мосту. Решая систему уравнений Кирхгофа:

а)  – для узла,

б)  – для замкнутого контура

для уравновешенного моста можно получить соотношение:

,

откуда .

Приведенное может служить для отыскания любого из четырех сопротивлений, включенных в плечи моста, если известны три других сопротивления.

ЭДС батареи, питающей мост, сопротивление батареи и гальванометра существенной роли для определения искомого сопротивления не играют. Однако точность определения неизвестного сопротивления будет выше, когда отношение  или  близко к единице.

Мост постоянного тока типа Р-333 – пример технического оформления прибора промышленного изготовления для измерения сопротивления.

Схема моста. Измерительная часть схемы моста – четырехплечий мост, в сравнительном плече которого включен четырехдекадный плавно-регулируемый магазин сопротивлений на 9999 Ом ступенями через 1 Ом. Схема позволяет получать в каждой декаде девять номинальных значений сопротивлений. При помощи переключателя плеч включаются различные комбинации сопротивлений R1, R2, R3. Общий вид установки показан на рис. 2.

Порядок выполнения работы

 Собрать схему согласно рис. 1. В качестве сопротивлений R1, R2, R3  использовать магазины сопротивлений.

 После проверки схемы преподавателем схему подключить к источнику тока.

 Сопротивлениями R1 и R2 установить отношения : 1:1, 1:2, 2:1, 3:2 и т.д. (рекомендуется преподавателем).

 Подобрать сопротивление  таким образом, чтобы стрелка гальванометра была на нуле.

 Вычислить неизвестное сопротивление по приведенной ранее формуле.

 Полученные данные занести в таблицу.

п/п

, Ом

, Ом

, Ом

, Ом

 Повторить аналогичные измерения для отношения : 1:1, 1:2, 2:1, 3:2 и т.д. (рекомендуется преподавателем).

 Рассчитать погрешность .

Контрольные вопросы

Какова цель работы?

Изменится ли условие равновесия моста, если гальванометр и источник тока поменять местами?

Как формулируются законы Кирхгофа?

Выведите условие равновесия моста, используя законы Кирхгофа.

Запишите формулу для определения сопротивления участка цепи, содержащего последовательно или параллельно соединенные резисторы.

Список рекомендуемой литературы

Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. – §57, 58, 59, 60.

Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 2. – М.: Наука, 1978. – §31, 34, 36.

Физический практикум. Электричество и оптика / Под ред. В.И. Ивероновой. – М.: Наука, 1968. Задача 69.


Изучение цепи переменного тока