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

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ

С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

В работе применяется простейшая дифракционная решетка прозрачного типа. На плоскую стеклянную поверхность нанесены штрихи одинаковой формы. Оптическая схема всей установки по определению длины световой волны показана на рис.13. Она включает источник света , помещенный вблизи главного фокуса линзы  так, чтобы изображение лампы отчетливо проектировалось на шкале Н. Пучок лучей от линзы  проходит через дифракционную решетку. За решеткой, параллельно ее плоскости, помещается полупрозрачная шкала Н, служащая экраном, на котором наблюдается дифракционная картина.

Все элементы установки размещены на оптической скамье. Дифракционная решетка освещается белым светом нити лампы накаливания. Собирающая линза после дифракционной решетки отсутствует. Максимумы для любой длины волны и любого порядка будут иметь некоторую ширину MN. Спектр нулевого порядка имеет ширину , определяемую толщиной нити лампы. Если О – центр максимума нулевого порядка. А – центр максимума второго порядка для лучей определенного цвета, то  – расстояние между ними, отсчитываемое по шкале. Расстояние от решетки до экрана обозначим через Z. Тогда по основной формуле дифракционной решетки  может быть вычислена искомая длина волны:

 (14)

или

 (15)

 

 Рис.13.

Порядок спектра  принимает целые значения  но практически используются в основном спектры первого и второго порядков. Дифракционная решетка, применяемая в работе, имеет период .

Выполнение работы

Определение длины волны света (красного, желтого, зеленого, синего – по указанию преподавателя) должно производиться в следующем порядке:

1. Снять со скамьи рейтер с решеткой Д. Электрическую лампу и шкалу Н расположить на противоположных концах скамьи.

2. Перемещая линзу L вдоль оптической скамьи, добиться четкого изображения нити лампы на шкале Н вблизи ее середины.

3. Поставить решетку Д между линзой L и шкалой Н на значительном расстоянии от Н так, чтобы спектры были отчетливо видны.

4. Приступить к измерениям длины волны света, указанной преподавателем. Расстояние Z измеряется по шкале, расположенной вдоль скамьи. Вместо расстояния т x=ОА рекомендуется измерить расстояние , где  и  – центры соответствующих цветных полос в спектрах рассматриваемого порядка.

5. Произвести 10 измерений при пяти различных  (при каждом  берутся спектры первого и второго порядков).

6. По формуле (15) рассчитать длины волн. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу.

Контрольные вопросы

1.Что такое дифракция света?

2. В чем состоит принцип Гюйгенса и принцип Гюйгенса-Френеля?

3. Что такое зоны Френеля?

4. Объясните дифракцию Фраунгофера от одной щели.

5. Дифракция Фраунгофера на дифракционной решетке. Объясните картину дифракционных максимумов и минимумов.

6. Почему дифракционная решетка может служить дифракционным прибором?

7. Дайте определения дисперсии и разрешающей способности дифракционной решетки.

8. Объясните схему экспериментальной установки.

9. Опишите способ определения длины световой волны с помощью дифракционной решетки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 3 и с м а н Г.А.. Т о д е с О.М. Курс общей физики. М.:Физматгиз, 1972, т.З.

2. С а в е л ь е в И.В. Курс общей физики, М.: Наука, 1977.т.2.

3.Я в о р с к и й Б.М., Д е т л а ф А.А. Курс физики. М.:Высш. школа, 1979, т.З.

4. К о р т н е в А.В., Р у б л е в Ю.В., К у ц е н к о А.Н. Практикум по физике. М.:Высш.школа. 1965.

5. Физический практикум/Под ред.В.И.Ивероновой. М.:Высш.школа, 1962.

6. М а й с о в а Н.Н. Практикум по курсу общей физики. М.:Высш.школа, 1963.

Лабораторная работа 308(a)

ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ

Цель работы - изучить явление вращения плоскости поляризации света при его прохождении через вещество, на которое наложено магнитное поле.

Все вещества по способности вращать плоскость поляризации делятся на оптически активные и неактивные. Вещества, не обладающие естественной способностью вращать плоскость поляризации, приобретают такую способность под влиянием магнитного поля. Это явление, называемое эффектом Фарадея, наблюдается только при распространении света вдоль направления магнитного поля (точнее – вдоль вектора намагниченности).

Угол поворота j плоскости поляризации пропорционален пути l, проходимому светом в веществе и напряженности магнитного поля H:

 (9)

Коэффициент V называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением. Постоянная Верде зависит от длины волны l падающего света

, (10)

где А и В – некоторые постоянные, зависящие от свойств вещества, а также от температуры.

Направление вращения определяется по отношению к направлению магнитного поля. Вещества, поворачивающие плоскость поляризации вправо относительно направления силовых линий магнитного поля, называются правовращающими или положительными. Соответственно, вещества, поворачивающие плоскость поляризации влево, называются левовращающими или отрицательными. Причем знак угла вращения j не зависит от направления луча. Следовательно, если, отразив луч зеркалом, заставить его пройти через намагниченное вещество еще раз в обратном направлении, то поворот плоскости поляризации удвоится.

Вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит атомов вещества. Прецессия электронов приводит к тому, что скорость вторичных электромагнитных волн с различным направлением круговой поляризации становится неодинаковой, в результате плоскость поляризации поворачивается. В данной работе в качестве вещества, поворачивающего плоскость поляризации под воздействием магнитного поля, используется дистиллированная вода.

Описание прибора


Для наблюдения эффекта Фарадея используется поляриметр 1 типа СУ-2, принцип действия и оптическая схема которого описаны в работе 308. Поляриметр включается в сеть 220 В через понижающий трансформатор 7 (рис. 23). В камеру 3 поляриметра помещается поляриметрическая трубка 2 с намотанным на нее соленоидом, заполнена дистиллированной водой. При пропускании тока через соленоид создается продольное магнитное поле, под действием которого происходит вращение плоскости поляризации света, проходящего через дистиллированную воду. Блок питания 4 соленоида включается в сеть 220 В. Сила тока, проходящего через соленоид, регулируется вращением рукоятки 6 и регистрируется амперметром 5.

Порядок выполнения работы

Включить трансформатор 7 и блок питания 4 соленоида в сеть 220 В.

Перед началом измерений необходимо определить нулевое показание поляриметра j0, следуя указаниям работы 308 на с. .

Включить тумблер «Сеть» блока питания 4 соленоида.

Измерить угол поворота плоскости поляризации j при различных значениях силы тока I соленоида, приведенных в табл. 4. Процедура измерения угла поворота j подробно описана в работе 308, с. . Она сводится к выравниванию освещенности поля зрения в зрительной трубе 8 (рис. 23). Измерения при относительно больших токах (2,5 и 3 А) следует произвести быстро, чтобы избежать перегрева соленоида.

По окончании измерений довести показание амперметра 5 с помощью рукоятки 6 до нулевого значения. Выключить тумблеры.

Для заданных величин силы тока I определить соответствующие значения напряженности H магнитного поля с помощью градуировочного графика, закрепленного на рабочем столе. Данные измерений занести в табл. 4.

Таблица 4

I, A

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

H, A/м

j, град

Построить график j(H) зависимости угла поворота j плоскости поляризации от напряженности магнитного поля H.

С помощью графика определить постоянную Верде V (см. формулу (9)). Длина трубки с раствором l = 0,40 м.

Контрольные вопросы

Естественный и поляризованный свет. Способы получения поляризованного света.

Эффект Фарадея.

Физический смысл постоянной Верде.

Принцип действия поляриметра.

Объяснить полученные результаты. 

Лабораторная работа № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТЕЛ

СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

Цель работы: определить момент инерции твердого тела.

Оборудование: два концентрических диска (пластмассовый и металлический), закрепленных вместе, секундомер, линейка, набор грузов.

Основание к допуску

1. Иметь краткий конспект теоретической части и практического выполнения работы.

2. Знать порядок выполнения лабораторной работы.

Основание к зачету

Иметь оформленный отчет c расчетами в системе единиц «СИ» и заполненной таблицей.

Ответить на вопросы:

Что называется моментом инерции материальной точки?

Что называется моментом инерции твердого тела? В каких единицах он измеряется?

Как запишутся формулы для вычисления моментов инерции геометрически правильных тел (обруч, диск, стержень, шар)?

Как читается теорема Штейнера? Записать формулу.

По какой формуле рассчитывается кинетическая энергия вращающегося тела?

Краткая теория

При вращательном движении твердого тела вокруг неподвижной оси любые точки тела описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях. Центры этих окружностей расположены на одной прямой, называемой осью вращения. Вращательное движение тела вокруг закрепленной оси широко используется в различных аппаратах пищевых производств (центрифуги, мельницы, измельчители и др.), а также в молекулярной биологии, физической химии. Сепараторы и центрифуги широко используются в молочной промышленности. В период разгона сепаратора его энергия расходуется на сообщение кинетической энергии барабану (30%); на преодоление сил трения в пусковом механизме (40%); в приводном механизме (20%); а также сопротивление воздуха (10%). В этот период потребляемая мощность должна быть примерно в 1,5 раза больше, чем во время рабочего хода. Как указано в период разгона сепаратора мощность расходуется на сообщение кинетической энергии Ек барабану, рассчитываемой по формуле:

,                                                                                     (1.1)

где I – момент инерции ротора, ω – угловая скорость вращения барабана.

Таким образом, знание момента инерции тел участвующих во вращательном движении необходимо для расчетов эксплуатационных характеристик сепараторов и центрифуг. Центрифугирование используют в виноделии для осветления сусла перед брожением. Валковые дробилки используются на винзаводах для измельчения ягод винограда. В процессе измельчения валки вращаются в противоположные стороны с одинаковой или разной частотой. Знание частоты вращения и угловой скорости валков необходимо для расчетов производительности таких устройств.

Известно, что инертные свойства тела при вращательном движении характеризует момент инерции.

Момент инерции Ii материальной точки массой mi, находящейся на расстоянии ri от оси вращения, численно равен произведению массы точки на квадрат этого расстояния:

.                                                                             (1.2)

Для вычисления момента инерции какого-либо тела его делят на множество достаточно малых  i - элементов, каждый из которых может быть приближенно принят за материальную точку. Для каждого из этих элементов вычисляют момент инерции, сумма которых и составит момент инерции всего тела.

Моментом инерции тела относительно оси вращения называется физическая величина, равная сумме моментов инерции материальных точек, составляющих данное тело:

.                                                                        (1.3)

В случае непрерывного распределения масс эта сумма сводится к интегралу:

,                                                          (1.4)

где ρ – плотность вещества и интегрирование производится по всему объему тела – V.

Подобным образом вычисляются моменты инерции однородных тел правильной геометрической формы относительно оси, проходящей через центр масс этих тел. Рассмотрим в качестве примера несколько таких тел:

обруч, тонкостенный цилиндр радиусом R и массой m:

;                                                                                (1.5)

тонкий однородный круглый диск, круглый сплошной цилиндр радиусом R и массой m:

;                                                                                (1.6)

тонкий прямой стержень массой m и длинной l:

;                                                                                    (1.7)

однородный сплошной шар массой m и радиусом R:

.                                                                           (1.8)

Момент инерции в СИ измеряется в кг × м2.

Моменты инерции тел зависят от того, где проходит закрепленная ось вращения. Нахождение моментов инерции тела при параллельном произвольном переносе его оси вращения можно рассчитать, если воспользоваться теоремой Штейнера:

Момент инерции тела I относительно произвольной оси вращения равен его моменту инерции I0 относительно оси вращения, параллельной данной и проходящей через центр массы тела, сложенному с произведением массы тела на квадрат расстояния d между параллельными осями.

.                                                                        (1.9)

Для тел неоднородных или сложной геометрической формы момент инерции обычно определяют опытным путем.

При этом следует помнить, что кинетическая энергия поступательного движения тела определяется по формуле:

.                                                                                (1.10)

Здесь линейная – υ и угловая – ω скорости связаны соотношением:

.                                                                                     (1.11)

Кинетическая энергия вращательного движения тела определяется по формуле (1.1).


Изучение цепи переменного тока