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

Выполнение работы 314

Цель работы - изучить явление внешнего фотоэффекта, его законы, определить красную границу фотоэффекта и работу выхода электрона с поверхности металла.

Описание установки

Главным узлом оптической части установки является монохроматор УМ-2 (рис.5). Он служит для получения монохроматического света нужной длины волны.

 4 1 2


Рис.5. Схема монохроматора

На входную щель 1 прибора через конденсор 2 подается свет от лампы 3. Щель 1 находится в фокусе объектива коллиматора 4, поэтому после него свет параллельным пучком попадает на блок диспергирующих призм 5. Проходя через блок призм, пучок света разлагается в спектр. Лучи определенной длины волны выходят из блока призм параллельным пучком в определенном направлении. Один из этих пучков попадает на объектив выходной щели 6, а через него - на щель 7 и фотоэлемент 8. Поворотом блока призм в направлениях, указанных стрелкой, можно получить на выходе прибора свет нужной длины волны. Чем уже щели, тем монохроматичнее свет на выходе монохроматора, но тем меньше его интенсивность.


 Рис.6. Электрическая схема установки.

Электрическая схема установки (рис.6) состоит из блока питания 1 лампы 2 монохроматора; блока питания 3 фотоэлемента, напряжение на выходе которого контролируется вольтметром V; гальванометра G с шунтом 4 для измерения силы фототока и фотоэлемента 5 с цезиевым катодом.

 Общий вид установки представлен на рис. 7

Порядок выполнения работы

 Чтобы определить красную границу фотоэффекта, нужно найти такую длину волны λ0 света на выходе монохроматора 1, при которой

 

 Рис.7. Общий вид установки

 гальванометр перестанет регистрировать фототок. Для этого необходимо:

1. Открыть доступ света в монохроматор. Для этого рукоятку затвора 2 входной щели 3 поставить в положение «откр».

2. Придвинуть фотоэлемент 4 вплотную к выходной щели 5 монохроматора.

3. Установить барабан длин волн 6, вращающий диспергирующие призмы, на деление «2350» напротив черной точки скользящего по барабану указателя.

 4. Включить блок питания 7 лампы монохроматора в сеть 220 В.

5. Убедиться, что на входную щель монохроматора попадает максимальное количество света.


6. Включить гальванометр 8 и блок питания 9 фотоэлемента в сеть 220 В и 127 В, соответственно.

7. Рукояткой 10 на блоке питания 9 установить на фотоэлементе напряжение около 100 В по вольтметру 11. При этом должно наблюдаться отклонение зайчика гальванометра.

8. Вращая маховик барабана б длин волн, найти такое его положение, при котором отсчет по гальванометру будет максимальным.

9. Закрыв доступ света в монохроматор рукояткой затвора 2, установить нуль по шкале гальванометра ручкой 12.

10. Открыв затвор, медленно вращать барабан 6 в сторону увеличения дл­ины волны света, проходящего через монохроматор, до тех пор, пока зайчик гальванометра не установится на нулевой отметке. После этого произвести отсчет по шкале барабана против черной точки скользящего указателя.

11. Отодвинув фотоэлемент 4 от выходной щели монохроматора, визуально убедиться в наличии излучения на данной длине волны.

12. Отсчет по шкале барабана повторить три раза, следуя указаниям в пунк­тах 8-10, и вычислить его среднее значение. Затем по градуировочному графику на лабораторном столе найти красную границу фотоэффекта λ0 в ангстремах (А). Результаты занести в табл. 4.

 Таблица 2

Nп/п

Отсчет по барабану

Средний отсчет

λ0 ,А

13. По формуле (3) определить работу выхода электрона из металла. При расчете помнить, что h = 6,62 •10"34 Дж -с, с= 3 •108 м/с, 1А = 10-10 м

Пользуясь соотношением 1 эВ = 1,6∙10-19Дж, перевести полученный резуль­тат в эВ. Оценить погрешность найденной работы выхода А относительно табличного значения АT для цезиевого катода, используя данные табл. 1:


 ε =(А-АТ)/ АТ ∙ 100 % 


Контрольные вопросы

1. Основные законы внешнего фотоэффекта.

2. Работа выхода и красная граница фотоэффекта.

3. Формула Эйнштейна.

4. Устройство монохроматора.

5. Устройство и принцип действия фотоэлемента.

 Библиографический список

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

2. Т.И. Трофимова. Курс физики. М.: Высш. шк., 1990.- 478с.

3. И.В. Савельев, Курс общей физики, Т,2, М,:Наука, 1988, - 496с.

4. Физический практикум. Электричество и оптика / Под ред. В. И. Ивсроновой.М.: Наука, 1968. -816с.

5. Е.И. Бутиков. Оптика. М.: Наука, 1986- - 246с.


Лабораторная работа 308(2)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА

 УНИВЕРСАЛЬНЫМ САХАРИМЕТРОМ СУ-2

Цель работы – изучить метод измерения концентрации раствора сахара по углу поворота плоскости поляризации света.

 Формула (7) из раздела 4 лежит в основе весьма точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, например, сахара. Этот метод широко используется в пищевой промышленности, в частности, в сахароварении и виноделии.

Приборы, предназначенные для определения угла поворота плоскости поляризации, называются поляриметрами. Поляриметры, используемые для определения концентрации сахара в растворе, называются сахариметрами.

Принцип действия поляриметра можно объяснить с помощью рис. 17.

Два скрещенных поляризатора П и А не пропускают света. Если между ними поместить трубку с раствором сахара, то плоскость поляризации луча, вышедшего из поляризатора П, после прохождения через раствор, повернется на некоторый угол j. В результате интенсивность света на выходе анализатора А будет отлична от нуля. Поворачивая анализатор на угол j в направлении, обратном повороту плоскости поляризации, можно вновь добиться нулевой интенсивности света на выходе анализатора. Тогда измерив угол поворота анализатора j, и зная удельное вращение [а], по формуле (7) можно определить, в принципе, концентрацию c раствора.

В сахариметре СУ-2 поворот плоскости поляризации луча оптически активным раствором компенсируют не анализатором, а с помощью специального кварцевого компенсатора, расположенного перед анализатором.

Основными частями сахариметра СУ-2 (рис. 18) являются узел измерительной головки 1 и осветительный узел 2, соединенные между собой траверсой 3, на которой укреплена камера 4 для поляриметрических трубок 5. С лицевой стороны измерительной головки прибора имеются лупа в оправе 6 для отсчета показаний по шкале и зрительная труба 7 поля зрения. С тыльной стороны измерительной головки находится узел нониуса 8. Рукоятка 9 кремальерной (винтовой) передачи служит для перемещения подвижного кварцевого клина и связанной с ним шкалы. Осветительный узел имеет передвигающуюся рамку, в которой находится стеклянный светофильтр, матовое стекло и патрон с лампочкой. Лампочка подключается через понижающий трансформатор 10 в сеть переменного тока 220 В.


Оптическая схема сахариметра СУ-2 приведена на рис. 19. Свет от осветительной лампы 1 проходит через матовое стекло 3 предназначенное для рассеивания света. Вместо матового стекла может быть введен светофильтр 2. Далее световой поток проходит через конденсорную линзу 4 и попадает на поляризатор 5. За поляризатором 5 установлена бикварцевая пластинка 6, формирующая поле зрения прибора. Далее располагается поляриметрическая трубка 7 с исследуемым раствором. Затем следует блок кварцевых клиньев 8, образующих кварцевый компенсатор. Поворот плоскости поляризации контролируется анализатором 9. Зрительная труба 10 сфокусирована на выходную грань поляризатора 5. При помощи зрительной трубы можно рассмотреть линию раздела поля зрения прибора, создаваемого бикварцем 6.

Свет от осветительной лампы 1 используется также для освещения шкалы 11 и нониуса 12. Для отсчета показаний шкалы используется лупа 13.

Подвижный кварцевый клин 8 служит для компенсации поворота плоскости поляризации луча оптически активным раствором. Перемещение клина осуществляется вращением рукоятки кремальерной (винтовой) передачи. При этом одновременно вращается шкала 11 с нониусом 12, фиксирующая перемещение кварцевого клина. Шкала градуирована в угловых градусах, определяющих поворот плоскости поляризации исследуемым раствором.

Бикварц 6 состоит из двух пластинок право- и левовращающего кварца, вырезанных перпендикулярно оптической оси и склеенных между собой по линии раздела поля зрения. Плоскость поляризации света, вышедшего из поляризатора, поворачивается одной частью бикварца влево, другой частью - вправо на такой же угол. Если поляризатор и анализатор параллельны (или скрещены), а компенсатор 8 установлен на нуль, то в отсутствие оптически активного вещества обе половины поля зрения будут освещены (затемнены) одинаково. Если в камеру прибора поместить оптически активный раствор, то плоскости поляризации обоих лучей повернутся в одну сторону на одинаковый угол j. Симметрия расположения плоскостей поляризации по отношению к анализатору нарушится, и обе половины поля зрения будут освещены по-разному. Для восстановления симметрии обе плоскости поляризации поворачивают с помощью компенсатора в обратную сторону на такой же угол j, вводя кварцевый клин 8,. Поворот плоскости поляризации на угол j компенсатором фиксируется по восстановлению одинаковой освещенности обеих половин поля зрения. Значение угла отсчитывается по шкале 11.


Отсчет показаний прибора. Перед началом работы прибор необходимо установить на нуль. Вращая рукоятку кремальерной (винтовой) передачи добиваются полной однородности освещения обеих половин поля зрения (рис. 20б). Нулевые деления шкалы и нониуса при этом должны совпадать (рис. 21).

При помещении поляриметрической трубки с исследуемым раствором однородность освещенности половин поля зрения нарушается (рис. 20а). Повторив те же операции, добиваются однородности поля зрения и производят отсчет показаний прибора.


Отсчет следует производить с точностью до 0,1 доли градуса по двум шкалам. Целые значения отсчитываются по нижней основной шкале, одно деление шкалы соответствует 1 градусу. Отсчет в градусах равен количеству полных делений на основной шкале, отсекаемых нулевой отметкой нониуса. Десятые доли градуса отсчитываются по верхней шкале нониуса. Для этого определяют, какое деление нониуса, одно из десяти, совпадает с каким-либо делением основной шкалы. Это деление нониуса и определяет число десятых долей градуса. Причем, если нуль нониуса находится правее нуля основной шкалы - отсчет имеет знак “+”, если левее, то знак “-”. На рис. 22 показано наложение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету +11,3°.

Порядок выполнения работы:

Включить сахариметр через понижающий трансформатор 10 в сеть с напряжением 220 В.

Перемещением муфты зрительной трубы 7 установить окуляр на резкое изображение линии раздела поля зрения.

Вращением рукоятки 9 добиться однородного затемнения обеих половин поля зрения.

Перемещая лупу 6 добиться четкого изображения шкалы. Нулевые деления шкалы и нониуса при этом могут не совпадать, как приведено на рис. . В этом случае необходимо снять нулевой отсчет a0.

Поместить в камеру сахариметра трубку с 2% раствором сахара. Однородность освещения половин поля зрения при этом нарушится. Вращением рукоятки 9 вновь добиться однородного освещения обеих половин поля зрения. Снять показание прибора a, которое будет соответствовать углу поворота плоскости поляризации данным раствором.

Определить угол поворота плоскости поляризации остальными растворами. Результаты измерений занести в табл. 3.

Таблица 3

Концентрация раствора с, %

0

2

4

8

х

Показания прибора a

По данным таблицы построить градуировочный график зависимости угла поворота плоскости поляризации a от концентрации с раствора и определить по нему концентрацию x раствора неизвестной концентрации.

Контрольные вопросы

1.Что называется естественным и поляризованным светом?

2.Способы получения поляризованного света.

Оптически активные вещества.

От чего зависит угол поворота плоскости поляризации света оптически активными веществами?

Поляриметры и их применение. Принцип действия универсального сахариметра.

В чем заключается метод определения концентрации раствора сахара, используемый в данной работе?

Лабораторная работа № 5-3

Определение длины световой волны с помощью колец Ньютона

Цель работы: ознакомление с интерференцией, условием образования колец Ньютона и  принципом их использования для практических целей.

Оборудование: микроскоп МИМ-7, выпуклая линза, плоскопараллельная стеклянная пластинка, светофильтр, сферометр ИЗС-7.

Введение

Согласно волновой теории свет представляет собой электромагнитную волну, в которой колеблются два взаимно перпендикулярных вектора –  напряженности электрического и  напряженности магнитного поля. Как показывает опыт, физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями вектора . В соответствии с этим обычно говорят о световом векторе, подразумевая под ним вектор .

Итак, плоскую световую волну, распространяющуюся, например, вдоль оси Z можно представить в виде

=cos(ωt – kz – α),                                                                 (1)

где = const – амплитуда колебания, ω = 2π/T – циклическая частота, Т – период, k = 2π/λ – волновое число, α – начальная фаза волны. Длины волн видимого света заключены в пределах 4·10-7 м ≤ λ ≤ 7.6·10-7 м.

Волны одинаковой частоты, разность начальных фаз которых постоянна во времени, называются когерентными волнами, а источники когерентных волн называются когерентными источниками.

Рассмотрим наложение двух когерентных волн, линии колебаний которых совпадают. Пусть эти волны исходят из источников S1 и S2 (рис. 1).

Для простоты расчета допустим, что E01 =      = E02 = E0 и α1 = α2 = 0. Тогда согласно (1) 

E1 = E0 cos(ωt – kz1), E2 = E0 cos(ωt – kz2).

С помощью формулы суммы тригонометрических функций cosα+cosβ = = 2cos[(α+β)/2]cos[(α – β)/2] легко получить для результирующей волны

E = E1 – E2 = 2E0cos[k(z2 – z1)/2]cos[ωt – k(z1+z2)/2].                           (2)

Из (2) следует, что в точках, где cos[k(z2 – z1)/2] = 0, суммарная амплитуда волны в любой момент времени равна 0 и волны взаимно гасятся. Координаты этих точек определяются условием k(z2 – z1)/2 = ±(2m+1)π/2 или с учетом k = 2π/λ

Δ= z2 –-z1 = ±(2m+1)λ/2  (m = 0,1,2,3……).                                                (3)

В точках, где cos[k(z2 – z1)/2] = ± 1, суммарная амплитуда волны в любой момент времени принимает максимальное значение. Координаты этих точек определяются условием k(z2 – z1)/2 = ±mπ или

Δ = z2 – z1 = ± 2mλ/2 (m = 0,1,2,3……).                                       (4)

Полученные результаты (3) и (4) показывают, что при наложении двух когерентных световых волн, имеющих одинаковые направления колебаний, в одних точках волнового поля амплитуда результирующих колебаний резко уменьшается, а в других – возрастает. При этом интенсивность результирующей световой волны либо больше, либо меньше суммы интенсивностей падающих волн. Явление это называется интерференцией световых волн.

В данной работе используется интерференция в тонком слое, известная под названием колец Ньютона. Этот случай наблюдается, когда выпуклая поверхность линзы соприкасается в некоторой точке с плоской поверхностью хорошо отполированной пластинки, так что остающаяся между ними воздушная прослойка постепенно утолщается от точки соприкосновения к краям (рис. 2).

Если на систему приблизительно нормально к плоской поверхности пластинки падает пучок монохроматического света, то световые волны, отраженные от нижней и верхних границ этой воздушной прослойки, будут интерферировать между собой, так как здесь наблюдаются все необходимые для света условия. При этом в точке соприкосновения получается темное пятно, и оно окружено рядом концентрических светлых и темных колец убывающей толщины. Нетрудно рассчитать размеры и положение колец Ньютона, предполагая, что свет падает нормально к поверхности пластинки. Показатель преломления воздуха n≈1 и меньше показателя преломления стекла. Поэтому при отражении идущего снизу светового луча от границы воздух – линза теряется половина длины волны λ/2. Эта потеря равносильна увеличению оптической длины пути на λ/2 и должна учитываться при вычислении оптической разности хода Δ. Тогда оптическая разность хода лучей 1 и 2 (рис. 2) Δ = (AB + BC) + λ/2. Ввиду того, что толщина воздушной прослойки d очень мала, AB ≈ BC ≈ d, поэтому

Δ = 2d + λ/2:                                                          (5)

Для подсчета кольца Ньютона рассмотрим треугольник OBM, где OB = = R – радиус кривизны линзы, MB = rm – радиус кольца Ньютона. Из рис. 2 следует

R2 = (R – d)2+ r2m= R2 – 2Rd + d 2  + r 2m.

Так как d мало, то величиной d 2 можно пренебречь, и тогда d = r/2R. Подставляя это значение в (5), получим

Δ = (r/R) + λ/2.                                                                 (5*)

Для темного кольца, подставляя (5*) в соотношение (3), легко получить

r/R = mλ .                                                                           (6)

Из (6) можно определить λ (или R), но так как вследствие упругой деформации стекла невозможно добиться соприкосновения сферической линзы и плоской пластинки строго в одной точке, то более правильный результат получится, если вычислять λ (или R) по разности радиусов двух колец rm и rn. Тогда окончательная формула будет иметь вид (r – r) =     = (m – n) λ. Для расчетов это

 (m>n).                                                            (7)

Отсюда, зная радиус кривизны линзы R и экспериментально определяя величины rm и rn, можно вычислить длину световой волны λ. Таким образом, для определения длины волны необходимо предварительно с достаточной точностью измерить радиус кривизны используемой линзы. Для этой цели в данной работе применяется специальный прибор сферометр ПЗС-7 (см. описание в лаборатории оптики).

Радиусы интерференционных колец измеряются при помощи микроскопа МИМ-7 (рис. 3). Нить накала лампы 1 коллиматором 2 и зеркалом 3 проектируется в плоскости апертурной диафрагмы 5. При этом свет проходит через светофильтр 4. Системой, состоящей из линз 6, призмы 7 и отражательной пластинки 8, апертурная диафрагма изображается в плоскости опорного торца для объективов. Отражательная пластинка 8 направляет в объектив 9 лучи, которые, отразившись от объекта 10, вновь проходят через объектив, выходят из него параллельным пучком, проходят отражательную пластинку и попадают на ахроматическую линзу 11.

Объектив 9 служит не только для получения изображения, но и является частью осветительной системы. Выходящие из объектива параллельные лучи при помощи линзы 11 изображают объект в фокальной плоскости окуляра 13. При визуальном наблюдении в ход лучей вводится зеркало 12, которое отклоняет лучи в сторону окуляра. Общий вид микроскопа дан на рис. 4, а, б 5. На предметном столике 7 лежит стеклянная пластинка, на которой при помощи специальных зажимов укреплена выпуклая линза. Свет от источника попадает на выпуклую поверхность линзы снизу через объектив. При этом интерферируют луч, отраженный от верхней поверхности пластинки, и луч, отраженный от выпуклой поверхности линзы. Для получения качественной интерференционной картины необходимо, чтобы радиус кривизны линзы был достаточно большим.

Порядок выполнения работы

1. При помощи сферометра определить радиус кривизны линзы.

2. Включить лампу осветителя микроскопа МИМ-7 (см. рис. 4, а, б), поместив на оправе 6 осветительной линзы светофильтр, выделяющий световую волну, длина которой измеряется. При помощи диска 5 ввести дополнительно соответствующий светофильтр.

3. Сняв линзу, освободив стопорную рукоятку 8, фокусировать микроскоп при помощи рукоятки грубой подачи столика 4 на верхнюю поверхность стеклянной пластинки, положив на нее какой-нибудь объект наблюдения (например кусок миллиметровой бумаги или металлическую монету). Закрепив рукоятку 8, поставив затем линзу в прежнее положение, с помощью рукояток 3 установить стеклянную пластинку так, чтобы точка соприкосновения линзы и пластинки попала точно в центр поля зрения окуляра микроскопа 2. Образующиеся на границе воздушного слоя и стеклянной пластинки кольца Ньютона должны быть отлично видны. В противном случае исправить фокусировку микроскопа вращением барашка микрометрической подачи объектива 1. Если в точке соприкосновения вместо темного пятна получится светлое, необходимо протереть стекло и линзу от пыли.

4. При помощи рукояток 3 добиться, чтобы линия окулярной шкалы проходила через центр ньютоновских колец. Измерить в делениях окулярной шкалы диаметры D темных колец, фиксируя положение их левых (m1) и правых (m2) границ. При этом определить расстояние от середины до середины ширины линии кольца. Диаметры измерить три раза, поворачивая каждый раз окуляр со шкалой вокруг оптической оси микроскопа приблизительно на 60° и вычисляют среднее значение каждого диаметра.


5. Вычислить радиусы rk по формуле

rk= Dk/2 = ( m2 – m1)1,2·10-3см/2 = (m2 – m1)6,0·10-4см,

где 1,2·10-3см – цена наименьшего деления шкалы. Заносят их в таблицу.

6. Комбинируя попарно радиусы колец, по формуле (7) определить длину световой волны. В целях повышения точности результата рекомендуется комбинировать радиус кольца номера k с радиусом кольца номера    k – 2, кольца  k – 1 с (k – 2) – 1 и т.д. Из полученных значений λ вычислить среднее значение длины световой волны.

Контрольные вопросы

Почему радиус кривизны линзы, применяемой в данной работе, должен быть достаточно большим?

В чем состоит явление интерференции волн?

Почему интерференционная картина в данной работе имеет характер колец?

Как изменяется интерференционная картина в проходящем свете по сравнению с той же картиной в отраженном свете? Почему?

Почему в центре ньютоновских колец получается темное пятно?

Список рекомендуемой литературы

Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 2. – М.: Наука, 1978. –      480 с.

Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. – М.: Наука, 1980. – 928 с.


Изучение цепи переменного тока