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

Лабораторные работы 311, 311а

Применение универсального фотометра ФМ-56 для получения спектральных характеристик поглощения твердого прозрачного образца

Применение универсального фотометра ФМ-58 для получения зависимости коэффициента отражения твердого образца от длины волны падающего света

 Взаимодействие света с веществом

Формулируя законы отражения и преломления света, мы основывались только на опытных данных. Эти законы дают правильный ответ на вопрос о направлении отраженной и преломленной волн, но ничего не говорят о том, каким образом влияет на световую волну вещество тех сред, через которые проходит свет.

Распространение света в веществе представляет собой взаимодействие электромагнитного поля световой волны с электронной оболочкой атомов и молекул. Частота переменного электрического поля световой волны очень велика: около 1015Гц. Поэтому только заряженные частицы очень маленькой массы могут следовать за изменением поля световой волны. Такими частицами являются электроны. Атомы и их ядра не могут следовать за изменением этого поля в силу их большой инертной массы.

Взаимодействие электронной оболочки атомов с электромагнитным полем световой волны приводит к их возбуждению. Возбужденные атомы, приходя в нормальное (невозбужденное) состояние, излучают электромагнитные волны, получившие название вторичных волн (или вторичного излучения). Поскольку среднее расстояние между атомами в жидкостях и твердых телах мало по сравнению с длиной цуга волн (около 3м), то электронные оболочки большого числа атомов возбуждаются одним цугом волн. Поэтому вторичные волны оказываются когерентными как между собой, так и с падающей световой волной. Эти волны взаимно интерферируют. Их интерференцией объясняются явления отражения, преломления и рассеяния света в веществе.

 Дисперсия света

Дисперсией света называется совокупность явлений, обусловленных зависимостью абсолютного показателя преломления вещества от длины световой волны. Первые экспериментальные исследования этой зависимости принадлежат Ньютону, который произвел (1672 г.) знаменитый опыт с разложением света на цвета (в спектр) при преломлении в призме. В прозрачных бесцветных средах показатель преломления n растет с уменьшением длины волны λ0, где λ0 – длина волны в вакууме. Величина , называемая дисперсией вещества, так же увеличивается по модулю с уменьшением λ0 . Такой характер дисперсии называют нормальным (рис. 1 участки 1-2 и 3-4).

 Возможен и обратный ход дисперсии, когда показатель преломления уменьшается с уменьшением длины волны. Такой вид дисперсии называется аномальной (рис. 1 участок 2-3). Было установлено, что аномальная дисперсия тесно связана с поглощением света. Все вещества, для которых наблюдается аномальная дисперсия, сильно поглощают свет в этой области частот. На рис.1 штриховая линия изображает кривую поглощения.

 Законы поглощения света

При распространении света в веществе энергия электромагнитных волн уменьшается. Это явление называется поглощением света в веществе или абсорбцией света. О поглощении света веществом принято судить по изменению его интенсивности в зависимости от пройденного расстояния.

Бугер (1729 г.) экспериментальным путем, а Ламберт (1760 г.) теоретически установили связь между интенсивностью света входящего в вещество I0 и интенсивностью света I выходящего из вещества:

I = I0 e -kd, (1)

где k – коэффициент поглощения, зависящий от длины волны падающего света и вида вещества, d – толщина поглощающего слоя, знак «минус» указывает на убывание интенсивности. Закон справедлив, когда падающий поток монохроматичен. Коэффициент поглощения не зависит от интенсивности света и от толщины слоя d. Из уравнения (1) следует, что коэффициент поглощения численно равен величине, обратной толщине слоя вещества, при прохождении через который интенсивность уменьшается в е = 2,72 раз.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны падающего света называется спектральной характеристикой вещества, определяющей окраску тел в проходящем свете. Тела, имеющие малый коэффициент поглощения в видимой области спектра, являются прозрачными неокрашенными. Например, силикатное стекло толщиной 1 см поглощает лишь около 1% проходящих через него видимых лучей. Ультрафиолетовые и далекие инфракрасные лучи это же стекло поглощает сильно. Цветными прозрачными телами называются тела, проявляющие селективность пропускания света в видимой области спектра. Так, красным является стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи, и сильно поглощающие синие, фиолетовые и зеленые.

Селективным отражением света от поверхности объясняется окраска непрозрачных тел. Синие стены хорошо отражают синий свет. Однако, окраска тела зависит не только от оптических свойств поверхности тела (красителя), но и от спектрального состава падающего света. Например, тело, покрытое красной краской, будет казаться черным при освещении его зеленым светом.

В 1862 году Беер применил закон поглощения света для определения малых количеств вещества, растворенного в прозрачном растворителе. Он показал, что для малых концентраций растворенного вещества коэффициент поглощения линейно зависит от числа молекул растворенного вещества на единицу пути света в растворе: k = k’с. Объединенное уравнение Бугера-Ламберта-Беера имеет следующий вид:

I = I0 e-k’cd , (2)

где k’– постоянная Беера, не зависящая от концентрации растворенного вещества и толщины слоя d, с– концентрация вещества. Формулу (2) можно представить и в таком виде:

I = I0 e-k’cd = I0 (10 lge)-k’cd = I0 10 -εcd, (3)

где ε = k’lge – молярный коэффициент погашения.

Отношение интенсивности светового потока I, прошедшего через раствор, к интенсивности падающего светового потока I0 называется прозрачностью или пропусканием Т:

10 –εcd.

Логарифм величины, обратной пропусканию, носит название экстинкции Е или оптической плотности D:

E = D =  = εcd.

Зависимости пропускания Т и оптической плотности D от длины волны падающего света называются спектральными характеристиками образца.

Если в растворе содержится несколько веществ, то результирующая оптическая плотность D равна сумме оптических плотностей компонент:

D = lg (I0/I) = D1+D2+… = [ε1с1 + ε2с2+…]d.

Именно поглощенное излучение представляет основной интерес для исследования, так как по закону Бугера-Ламберта-Беера оптическая плотность зависит от толщины слоя и концентрации составных частей поглощающей системы. Если свет проходит через различные поглощающие системы последовательно, то результирующая оптическая плотность D не зависит от порядка их расположения.

Условием применимости закона Беера является пропорциональность числа действующих центров поглощения концентрации растворенного вещества. В реальных растворах, наряду с молекулами поглощающего вещества, на процесс поглощения влияют своими химическими и электростатическими свойствами другие молекулы. Все эти отдельные частички соединены в один общий оптический комплекс, поэтому для концентрированных растворов с их красящими составными частями низкой степени дисперсности, закон Беера теряет свою силу.

Явление поглощения света веществом объясняется тем, что при прохождении электромагнитной волны через вещество часть энергии волны затрачивается на возбуждение колебаний оптических электронов атомов этого вещества. Частично эта энергия вновь возвращается излучению в виде вторичных волн, излучаемых атомами в возбужденном состоянии, частично же она переходит в другие виды энергии (например, во внутреннюю энергию вещества).

Так, в диэлектриках нет свободных электронов, способных направленно двигаться под действием электрического поля электромагнитной волны, и поглощение света связано с явлением резонанса при вынужденных колебаниях электронов в атомах и атомов в молекулах. Поэтому они поглощают свет избирательно в зависимости от частоты падающего света. Поглощение велико лишь в областях частот, близких к частотам собственных колебаний электронов в атомах и атомов в молекулах. Для света всех остальных частот диэлектрик практически прозрачен, то есть его коэффициент поглощения близок к нулю.

Наиболее ярко явление резонансного поглощения обнаруживается у разреженных одноатомных газов, обладающих линейчатым спектром поглощения. Дискретные частоты интенсивного (рис. 2). За пределами этих полос k примерно равен нулю, то есть диэлектрики прозрачны. Расширение полос поглощения при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое объясняется взаимодействием атомов друг с другом.

Иная картина наблюдается в металлах. В конденсированном состоянии металлы содержат огромное количество свободных электронов. В электрическом поле световой волны свободные электроны совершают упорядоченное движение и излучают вторичные волны. Благодаря наложению первичной и вторичной волн образуется интенсивная отраженная волна и сравнительно слабая преломленная. Преломленная волна быстро поглощается по мере распространения в металле. Ее энергия расходуется на джоулеву теплоту, которая выделяется токами проводимости, возникающими при действии света на свободные электроны.

Лабораторная работа 311

Применение универсального фотометра ФМ-56 для получения спектральных характеристик поглощения твердого прозрачного образца

Цель работы: изучить устройство и принцип действия универсального фотометра ФМ-56, снять спектральные характеристики твердого прозрачного образца с помощью универсального фотометра ФМ-56.

Приборы и принадлежности: фотометр ФМ-56, исследуемый твердый прозрачный образец.

Принцип действия универсального фотометра ФМ-56

Универсальный фотометр предназначается для измерения пропускания (или оптической плотности) твердых и жидких прозрачных тел, измерения коэффициентов яркости светорассеивающих образцов и их блеска, а также коэффициентов отражения. Данный прибор может быть использован и в качестве сравнительного микроскопа. Фотометр ФМ-56 находит широкое применение в различных отраслях промышленности, научно-исследовательских институтах и клинических лабораториях. Действие фотометра основано на визуальном уравнивании световых потоков путем изменения одного из них с помощью диафрагмы с переменным отверстием. На рис.4 представлена оптическая схема фотометра, где 1,2 – диафрагмы, 3,4 – измерительные барабаны, 5 – ромбические призмы, 6 – объективы, 7 – окуляр, 8 – бипризма (сводит два пучка к оси окуляра).

Два световых пучка (I и II) попадают в прибор через две диафрагмы, площади которых изменяются вращением измерительных барабанов. Оптическая система прибора сводит эти пучки вместе и направляет их в глаз наблюдателя, который в своем поле зрения видит круг, разделенный линией на две половины, имеющие различную (в общем случае) яркость. Яркость левой части поля определяется световым потоком, проходящим через правую диафрагму, а яркость правой части зависит от светового потока, проходящего через левую диафрагму. Если диафрагмы 1 и 2 одинаково освещены и в одинаковой мере раскрыты, то яркости обеих половин поля зрения будут одинаковы. Если слой вещества пропускает падающий на него световой поток без заметного рассеивания, то отсчет по черной шкале барабана прибора ФМ-56 может служить мерой пропускания Т (или оптической плотности Д, если отсчет ведется по красной шкале) прозрачного образца.

Фотометр (рис.5) состоит из следующих основных узлов:

- фотометрической головки 1, в которой находятся все оптические детали (объективы, призмы и т.д.) и механизмы диафрагм;

-револьверного диска 2 со светофильтрами, которые переключаются поворотом диска (номер установленного светофильтра появляется в окошке);

- штатива, состоящего из массивного круглого основания 3 и стоек 4,5;

- предметного столика 6, который с помощью кремальерного механизма перемещается вертикально и закрепляется винтом 7 (отверстия столика центрированы относительно объективов фотометрической головки);

- плоского зеркала 8, которое может вращаться вокруг горизонтальной оси, направляя пучок света во входные отверстия фотометрической головки;

- осветителя 9 с конденсором 10 и матовыми рассеивателями 11;

- двух барабанов 12, на которые нанесены две шкалы. По одной шкале (черной ) отсчитывается пропускание, другая шкала (красная ) соответствует оптической плотности D образца.

Порядок выполнения работы

1. Включить через трансформатор 220 В лампу осветителя.

2. Вынуть матовые рассеиватели 11 (см. рис.5), установить оба барабана на деление 100, что соответствует одинаковой степени раскрытия диафрагм.

3. Ввести светофильтр №5 поворотом револьверного диска, расположенного в верхней части прибора. Затем с помощью кольца 13 сфокусировать окуляр на линию раздела полей сравнения и рассмотреть изображения спирали лампы осветителя, видимые в каждой половине поля зрения. Изображения спирали должны быть резкими (рис.6), в противном случае необходимо обратиться к преподавателю или к лаборанту. После этого матовые рассеиватели поставить на место.

4. После подготовки прибора приступить к измерению пропускания образца Т. Для этого правый барабан установить на отсчет 100 (по черной шкале). В правый пучок света поместить образец. Ввести светофильтр №1 и произвести уравнивание яркости левого и правого полей зрения и отсчет по черной и красной шкалам левого барабана. Затем вернуть левый барабан на деление 100 по черной шкале и повторить измерения еще два раза. Потом определить средние значения пропускания (Тср) и оптической плотности (Dср.) для данного светофильтра.

5. Аналогичные измерения произвести со светофильтрами № 2,3,4,5,6,7,8.

Примечание. Для тех светофильтров, при работе с которыми яркость полей сравнения очень мала или слишком велика, ручку реостата на крышке трансформатора, регулирующего накал нити лампы осветителя, можно переводить в положение «ярче» или «темнее». С очень яркими полями работать не следует.

6. Результаты измерений занести в табл.1 и построить графики. Для этого по горизонтальной оси отложить длины волн, а по вертикальной нанести измеренные значения пропускания (Тср) и оптической плотности (Dср.).

 Таблица 1

 

№ светофильтров

l эфф, нм

Отсчет по левому барабану

По черной шкале

По красной шкале

 

Т, %

Тср, %

D

D ср.

 

1

726

2

665

3

619

4

574

5

533

6

496

7

465

8

432

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон Бугера–Ламберта

2. Объясните механизм поглощения света диэлектриками. Почему спектры поглощения зависят от агрегатного состояния вещества?

3. Сформулируйте закон Бугера–Ламберта–Беера. Каковы границы его применимости?

4. Чем определяется окраска прозрачных и непрозрачных окрашенных тел?

5. Что называется спектральными характеристиками образца?

6. Принцип действия фотометра ФМ-56. 

 

Лабораторная работа 311а

Применение универсального фотометра ФМ-58 для получения зависимости коэффициента отражения твердого образца от длины волны падающего света

Цель работы: изучить устройство и принцип действия универсального фотометра ФМ-58, снять спектральные характеристики твердых непрозрачных образцов при помощи универсального фотометра ФМ-58.

Приборы и принадлежности: фотометр ФМ-58, две эталонные белые пластинки, исследуемые твердые непрозрачные образцы.

Устройство визуально-фотоэлектрического

фотометра ФМ-58

Назначение и принцип работы прибора ФМ-58 те же, что и у фотометра ФМ-56. Модель ФМ-58 усовершенствована и позволяет осуществлять фотоэлектрический метод измерений.

Действие фотометра основано на визуальном уравнивании световых потоков согласно оптической схеме, изображенной на рис.4.

Фотометр состоит из следующих основных узлов (рис.7):

- фотометрической головки 4, которая крепится на стойке 2 массивного штатива с основанием 1. В корпусе фотометрической головки расположены оптические детали (объективы, призмы и т.д.), фотоэлементы и механизмы диафрагм;

- внутри фотометрической головки также находится диск с одиннадцатью фильтрами, которые перемещаются вращением рукоятки 5. Для визуального фотометрирования предназначены светофильтры 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и соответствующие им длины волн, указанные в табл. 2;

- осветителя 6, который крепится на стойке 3. Для получения равномерного освещения применяются матовые рассеиватели 7;

- предметного столика 8, который может вращаться вокруг горизонтальной оси, направляя пучок света на входные отверстия фотометрической головки;

- двух барабанов 9, на которые нанесены деления шкалы коэффициента отражения в процентах (черная шкала). Вращением барабанов можно менять степень раскрытия измерительных диафрагм;

- окуляра, который служит для наблюдения поля зрения. Он имеет кольцо 11, с помощью которого производится установка на резкость поля зрения На корпусе окуляра имеются наглазники, один из которых наблюдательный 10, а другой – глухой.

 Порядок выполнения работы

1. Через трансформатор 220 В включить лампу осветителя 6 (рис. 7).

2. В держатели А и В столика 8 поместить две эталонные белые пластинки. Осветитель установить так, чтобы обе пластинки были освещены равномерно.

3. Установить барабаны 9 на деления 100 по черной шкале. В световой поток ввести светофильтр 12. С помощью кольца 11 произвести фокусировку окуляра на линию раздела полей. Поворачивая осветитель вокруг вертикальной оси, уравнять освещенность левого и правого полей зрения.

4. Если предыдущий пункт выполнить не удается, левый барабан оставить на делении 100 (по черной шкале барабана), что соответствует 100 % интенсивности падающего света. Правым барабаном произвести уравнивание полей зрения фотометра по яркости.

5. Заменить эталонную пластинку в правом держателе А исследуемым образцом, при этом левая половина поля должна потемнеть.

6. Поворачивая револьверный диск 5, установить светофильтр № 1. Произвести уравнивание полей зрения по яркости, вращая левый барабан 9. Записать отсчет по левому барабану в табл. 2. Вернуть левый барабан на деление 100 и повторить измерения еще два раза. Найти среднее арифметическое значение коэффициента отражения для данного образца при данном светофильтре.

 Таблица 2

№ светофильтра

l эфф, нм

Отсчет по левому барабану

1 образец

2 образец

R

R ср.

R

Rср.

1

400

2

440

3

490

4

540

5

582

6

610

7

465

8

533

7. Произвести измерения согласно пункту 6 для светофильтров 2-8.

8. Поместить в правый держатель А второй образец. Произвести измерения согласно пунктам 6, 7.

9. Построить графики зависимости коэффициентов отражения R = f(λ) первого и второго образцов от длины волны l, откладывая по оси абсцисс длину волны, а по оси ординат – коэффициент отражения.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон Бугера–Ламберта.

2. Объясните механизм поглощения света диэлектриками. Почему спектры поглощения зависят от агрегатного состояния вещества?

3. Сформулируйте закон Бугера–Ламберта–Беера. Каковы границы его применимости?

4. Чем определяется окраска тел в проходящем и отраженном свете?

5. Что называется спектральной характеристикой вещества?

6.Чтоназывается спектральными характеристиками образца?

Лабораторная работа № 5-4

Изучение интерференционных полос равного наклона с помощью газового лазера

Цель работы: ознакомление с явлением интерференции на примере полос равного наклона и определение показателя преломления стекла.

Оборудование: газовый лазер, микроскопический объектив, экран с круглым отверстием, плоскопараллельная стеклянная пластина.

Введение

При падении расходящегося пучка монохроматического света на плоскопараллельную прозрачную пластину будут наблюдаться так называемые полосы равного наклона, представляющие собой интерференционные максимумы и минимумы. Они имеют вид концентрических светлых и темных колец, толщина которых уменьшается от центра и периферии. Согласно теории интерференции в параллельных пластинах темные кольца удовлетворяют условию (рис. 1).

2hncosβm = mλ,                                                                  (1)

где h – толщина пластины, n – показатель преломления пластины, βm – угол преломления, λ – длина падающей световой волны, m = 0, 1, 2,  ... (порядок интерференции), S – источник света.

При малых углах падения αm, и преломления βm можно положить

cosβm ≈ 1 – β2m/2;                                                                             (2)

n = sin αm/sinβm ≈ αm/βm;                                                              (3)

αm ≈ tg αm = rm/(2l).                                                                          (4)

где rm – радиус m-го темного кольца, l – расстояние от плоскости экрана до поверхности пластины. С учетом (2) – (4) из (1) легко установить

r2m/l 2  =  8n2 – 4nλm/h.                   (5)

Из этой формулы видно, что величина r2m/l 2 линейно зависит от порядка, интерференции m (рис. 2). Очевидно, что r2m/l2=0 при 4nλm/h = 8n2. Отсюда можно определить максимальный порядок интерференции

mmax = 2nh/λ.                                                    (6)

При уменьшении порядка интерференции радиус кольца увеличивается, а при m = 0 имеет место r0  = nl = rmax.

Порядок интерференции m совпадает с порядковым номером интерференционного кольца. Но определить порядковый номер кольца практически невозможно (см. работу № 5-3): большие кольца с малыми порядковыми номерами настолько близко располагаются друг к другу, что их трудно различить и нет возможности фиксировать начало отсчета. Это, в свою очередь, делает невозможным определить показатель преломления пластины с помощью формулы (5), измеряя величины h, l и rm.

Чтобы обойти эту трудность, необходимо измерить еще одно интерференционное кольцо, отстоящее от первого, например на N порядков. Тогда

r2m – N /l2 = 8n2 – 4nλ(m – N)/h.                                   (7)

Вычитая соотношение (7) из соотношения (5), получим

                                                                                (r2m – N – r2m) / l2 = 4nλN/h.

Отсюда                                 

n = h(r2m – N – r2m) /4λl2N.                                                             (8)

Полученная формула дает возможность вычислить показатель преломления пластины, не зная порядкового номера измеряемых интерференционных колец.


Работа проводится на установке, принципиальная схема которой показана на рис. 3. Здесь 1 – газовый лазер, 2 – микроскопический объектив, 3 – экран с круглым отверстием, 4 – плоскопараллельная стеклянная пластина. Рейтеры, на которых стоят все принадлежности, позволяют осуществлять необходимую юстировку всей оптической системы. Длина волны лазерного излучения λ = 632,8 нм, толщина стеклянной пластины h = 20,0 мм.   

Порядок выполнения работы

Ознакомившись с элементами и работой всех узлов установки, включить лазер (включение лазера осуществляется только преподавателем или лаборантом).

Обращаем внимание на то, что попадание в глаза прямого лазерного пучка ОПАСНО для зрения. При работе с лазером его свет можно наблюдать только после отражения от рассеивающих поверхностей.

Вывести из хода луча объектив 2 и экран 3 (см. рис. 3). Ориентируют пластину 4 перпендикулярно к направлению пучка света так, чтобы отраженный от нее пучок падал в центр выходного отверстия лазера. Затем вводят в ход пучка и тщательно центрируют микроскопический объектив с круглым отверстием экрана. На экране при этом должна появиться система концентрических светлых и темных колец.

Задание 1. Определение показателя преломления плоскопараллельной стеклянной  пластинки.

1. Пронумеровать темные кольца, радиусы которых подлежат измерению. Целесообразно нумеровать их, начиная с кольца с минимальным радиусом, которому можно присвоить, например номер m. Приписывают пяти последующим кольцам номера m, m – 1, m – 2, ..., m – 5.

2. Измерить шесть выделенных колец m, m – 1, m – 2, ..., m – 5 с помощью линейки в двух взаимно перпендикулярных направ­лениях (для каждого кольца – два значения радиуса).

3. Найти среднее значение радиуса каждого темного кольца rm – N и его квадрат r2m – N.

4. Построить график зависимости r2m – n от номера кольца m – N. Линия, проводимая по полученным экспериментальным точкам, должна быть прямой. Масштабы по обеим осям координат следует выбрать так, чтобы получившаяся прямая составляла приблизительно угол в 45° с осями координат (так обычно делают при графическом изображении функциональных зависимостей).

5. Из наклона прямой вычислить отношение (r2m – n – r2m)/N.

6. Измерить расстояние l от плоскости экрана 3 до поверхности пластины 4 (см. рис. 3).

7. Вычислить по формуле (8) показатель преломления n и определить погрешность.

Задание 2. Определение максимального порядка интерференции.

Вычислить mmax по формуле (6). Для mmax может получиться не целое число, т.е. в центре интерференционной картины, где rm = 0, не обязательно будет темное пятно.

Контрольные вопросы

1. Что представляют собой полосы равного наклона?

2. Что такое порядок интерференции?

3. Почему наблюдаемая в данной работе интерференционная картина имеет вид концентрических окружностей?

4. Почему интерференционные кольца в периферии располагаются гуще, чем в центральной области?

5. Какие условия необходимы для интерференции света?

Список рекомендуемой литературы

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

Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. – 928 с.


Изучение цепи переменного тока