Физика : Оптика. Атомная и ядерная физика. Ч. 1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2759 

Кафедра физики

Физика

Оптика. Атомная и ядерная физика 

Лабораторный практикум 
Часть 1 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2016 

УДК 535.1...5; 539.1 
 
Ф50 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Мухин 

Авторы: О.В. Алифанов, Т.М. Ахметчина, С.И. Валянский,  
Г.Д. Данкин, А.А. Докучаева, В.А. Докучаева, Э.Н. Колесникова,  
С.М. Курашев, Е.К. Наими, В.А. Степанова 

Физика: Оптика. Атомная и ядерная физика : лаб. практикум. 
Ф50 Ч. 1 / О.В. Алифанов [и др.]. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. – 
139 с. 
 

Лабораторный практикум по разделу «Оптика. Атомная и ядерная физика» состоит из двух частей. В первой части приведены описания восьми лабораторных работ, поставленных на базе современного оборудования фирмы 
PHYWE.  
Рассмотрены следующие темы: измерение скорости света; законы линз и 
оптических приборов; дифракция света на щели и на краю экрана; закон Малюса; эффект Фарадея; определение постоянной Планка c помощью внешнего фотоэффекта; определение постоянной Ридберга по спектру излучения 
атомарного водорода; эффект Холла в германии n-типа. К каждой лабораторной работе дано теоретическое введение. 
Содержание работ соответствует учебной программе по дисциплине 
«Физический лабораторный практикум».  
Предназначено для студентов всех направлений обучения. 
 

УДК 535.1...5; 539.1 

 
 Коллектив авторов, 2016 
 
 НИТУ «МИСиС», 2016 

СОДЕРЖАНИЕ 

Общая характеристика дисциплины  «Физический лабораторный 
практикум» ................................................................................................ 4 
Физический лабораторный практикум. «Оптика. Атомная 
и ядерная физика». Часть 1. Аннотации лабораторных работ 
(Е.К. Наими) .............................................................................................. 9 
Лабораторная работа 3-01. Измерение скорости света  
(С.М. Курашев) ........................................................................................ 10 
Лабораторная работа 3-02. Законы линз и оптических приборов 
(В.А. Степанова) ..................................................................................... 35 
Лабораторная работа 3-03. Дифракция света на щели  
и на краю экрана (О.В. Алифанов) ........................................................ 56 
Лабораторная работа 3-04. Закон Малюса (Т.М. Ахметчина) ............ 74 
Лабораторная работа 3-05. Эффект Фарадея  
(А.А. Докучаева, В.А. Докучаева) ........................................................... 85 
Лабораторная работа 3-06. Определение постоянной Планка 
с помощью внешнего фотоэффекта (С.И. Валянский) ........................ 97 
Лабораторная работа 3-07. Определение постоянной Ридберга 
по спектру излучения атомарного водорода (Э.Н. Колесникова) .... 111 
Лабораторная работа 3-08. Эффект Холла в германии n-типа 
(Д.Г. Данкин) ......................................................................................... 122 
 
 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЦИПЛИНЫ  
«ФИЗИЧЕСКИЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ» 

1. Цели и задачи освоения дисциплины 

Цели:  
1. Сформировать навыки проведения физического эксперимента с 
использованием современного физического оборудования и компьютерных методов обработки результатов измерений. 
2. Научить применять полученные знания при изучении и усвоении других разделов физики и общепрофессиональных дисциплин, а 
также специальных дисциплин по направлениям обучения. 
Задачи:  
1. Научить методам постановки и проведения экспериментального 
исследования физических явлений и процессов на основе знаний 
универсальных законов физики.  
2. Научить использовать современные вычислительные средства 
для компьютерного моделирования различных физических процессов и явлений.  
3. Научить осуществлять обработку экспериментальных результатов с применением автоматизированных систем и компьютерной 
техники.  

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата  

Физика – наука, изучающая наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы ее движения. 
Поэтому понятия физики и ее законы лежат в основе естествознания. 
Границы, отделяющие физику от других естественных наук, в значительной мере условны и меняются с течением времени. 
В своей основе физика – экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Эти законы 
представляют собой количественные соотношения и формулируются 
на математическом языке. Различают экспериментальную физику – 
опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки 
известных физических законов, и теоретическую физику, цель которой состоит в формулировании законов природы и объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория в равной 
мере необходимы и взаимосвязаны. 

Физика является базовой дисциплиной для естественнонаучного 
цикла дисциплин, предназначенных для подготовки бакалавров по 
всем направлениям обучения, связанным как с наукой о материалах, 
так и с техникой. Наряду с усвоением фундаментальных знаний и 
законов, подкрепленных натурным лабораторным практикумом, 
данный курс ставит также цель привить студентам навыки и умение 
моделировать различные физические процессы и явления. Применение компьютерных моделей в физическом практикуме, не заменяя 
традиционные формы обучения, предоставляет новые технологии 
для процесса обучения. Компьютерные модели являются наглядным 
представлением экспериментов, достоверно отражают физические 
законы, а диапазон регулируемых параметров позволяет получать 
достаточное количество исследуемых состояний. Поэтому комплексный подход к использованию натурного и виртуального лабораторных практикумов по физике является методически обоснованным. 
Настоящий курс разделен на три семестровых модуля:  
1. Физический лабораторный практикум 1 (Механика и молекулярная физика).  
2. Физический лабораторный практикум 2 (Электричество и магнетизм). 
3. Физический лабораторный практикум 3 (Оптика. Атомная и 
ядерная физика). 
Каждый модуль имеет практико-ориентированную направленность. 

3. Компетенции 

Уметь использовать полученные знания универсальных законов 
физики для корректной постановки и решения экспериментальных 
задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности; решать 
экспериментальные задачи с применением современного оборудования и различных методик, в том числе с использованием вычислительных средств. Уметь выбирать и применять соответствующие методы моделирования физических процессов и явлений; осуществлять 
обработку экспериментальных результатов с применением автоматизированных систем и пакетов специализированных прикладных программ. 

4. Образовательные технологии и методические 
рекомендации по изучению дисциплины 

При изучении вопросов, предусмотренных рабочей программой 
дисциплины «Физический лабораторный практикум», преподаватель 
совместно с куратором лаборатории определяют порядок и степень 
детализации выполнения лабораторных работ с учетом целей и задач 
конкретного направления подготовки бакалавров. Студенты должны 
знать о роли и значении получаемых знаний, умений и опыта для 
успешной профессиональной работы в выбранном направлении.  

Для изучения дисциплины в библиотеке МИСиС имеется обязательная и дополнительная учебная литература, указанная далее в 
п. 6. При реализации различных видов учебной работы необходимо 
использовать в требуемом объеме информационный ресурс электронного контента (п. 6), размещенного на сайте кафедры физики 
НИТУ «МИСиС» http://www.misis.ru, а также в информационной образовательной системе МИСиС-СИТИ http://www.sp.misis.ru. 
Лабораторные занятия проводятся в специализированных лабораториях кафедры физики, оснащенных современным лабораторным 
оборудованием и имеющих сетевую версию виртуального практикума с рабочими местами на два человека, оснащенными персональными компьютерами. Каждая работа включает в себя следующие 
разделы: цель работы; теоретическое введение; описание экспериментальной установки; порядок выполнения работы; обработка результатов эксперимента; библиографический список; контрольные 
вопросы для самопроверки. Все перечисленные разделы должны 
быть обязательно освещены в лабораторном журнале (конспекте лабораторной работы) студента. 
Выполнение каждой лабораторной работы рассчитано на два академических часа. Каждый студент выполняет только те лабораторные работы, которые предусмотрены его маршрутом. Компьютерные 
лабораторные работы выполняются в часы проведения лабораторных 
занятий. 
При выполнении лабораторных работ необходимо строго следить 
за соблюдением студентами правил техники безопасности и охраны 
труда, установленных на рабочих местах в лаборатории. Каждому 
студенту в начале семестра должно быть выдано индивидуальное 
задание для выполнения лабораторных работ.  
Проведение контроля подготовленности студентов к лабораторным занятиям, итогового и промежуточного контроля уровня освое

ния знаний по разделам дисциплины, а также предварительного итогового контроля уровня освоения знаний за семестр рекомендуется 
проводить с использованием сертифицированных тестов и автоматизированной системы обработки результатов тестирования. Также рекомендуется использование единой системы обозначения физических величин (СИ).  

5. Материально-техническое обеспечение  
освоения дисциплины  

1. Специализированная учебная лаборатория «Механика. Молекулярная физика и термодинамика» (комн. Л-551, Л-553). 
2. Специализированная учебная лаборатория «Электричество и 
магнетизм» (комн. Л-531, Л-533).  
3. Специализированная учебная лаборатория «Оптика. Атомная и 
ядерная физика» (комн. Л-522, Л-524).  
Все специализированные учебные лаборатории оснащены современным лабораторным оборудованием фирмы PHYWE (Германия) и 
имеют сетевую версию «Виртуального практикума по физике для 
вузов». 

6. Учебно-методическое и информационное 
обеспечение дисциплины 

Основная литература: 
Физика. Механика. Молекулярная физика и термодинамика: Лаб. 
практикум: Ч.1. М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. 126 с. 
Физика. Механика. Молекулярная физика и термодинамика: Лаб. 
практикум: Ч.2. М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. 123 с. 
Физика. Электричество и магнетизм: Лаб. практикум: Ч. 1. М.: 
Изд. Дом МИСиС, 2015. 140 с. 
Физика. Электричество и магнетизм: Лаб. практикум: Ч. 2. М.: 
Изд. Дом МИСиС, 2015. 158 с. 
Физика. Оптика. Атомная и ядерная физика: Лаб. практикум: Ч. 1 
М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. 132 с. 
Физика. Оптика. Атомная и ядерная физика: Лаб. практикум: Ч. 2. 
М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. 148 с. 
Степанова В.А. Физика. Лабораторный практикум с компьютерными моделями. М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. 128 с. 

Капуткин Д.Е., Шустиков А.Г. Физика. Обработка результатов 
измерений при выполнении лабораторных работ: Учеб. пособие. М.: 
МИСиС, 2007. 108 с. 

Дополнительная литература: 
Савельев И.В. Курс общей физики. М.: АСТ. Астрель, 2006. Кн. 1. 
253 с.  
Савельев И.В. Курс общей физики. М.: АСТ. Астрель, 2006. Кн. 2. 
289 с.  
Савельев И.В. Курс общей физики. М.: АСТ. Астрель, 2007. Кн. 3. 
336 с. 
Савельев И.В. Курс общей физики. М.: АСТ. Астрель, 2004. Кн. 4. 
327 с.  
Савельев И.В. Курс общей физики. М.: АСТ. Астрель, 2001. Кн. 5. 
464 с.  

Электронный контент: 
Механика: Лаб. практикум / Е.К. Наими, М.И. Белов, В.А. Степанова и др. М.: Изд. Дом МИСиС. 2009. (http://www.misis.ru/ru/1506) 
Молекулярная физика и термодинамика: Лаб. практикум / 
Е.К. Наими, Д.Е. Капуткин, И.Ф. Уварова и др. М.: Изд. Дом МИСиС, 
2009. (http://www.misis.ru/ru/1506) 
Электромагнетизм: Лаб. практикум / Е.К. Наими, Д.Е. Капуткин, 
Ю.А. Рахштадт 
и 
др. 
М.: 
Изд. 
Дом 
МИСиС, 
2010. 
(http://www.misis.ru/ru/4528) 
Оптика: Лаб. практикум / Е.К. Наими, Д.Е. Капуткин, Ю.А. Рахштадт и др. М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. (http://www.misis.ru/ru/1510) 
Атомная и ядерная физика: Лаб. практикум / Е.К. Наими, 
Ю.А. Рахштадт, И.Ф. Уварова и др. М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. 
(http://www.misis.ru/ru/1510) 
Колебания и волны: Лаб. практикум / Е.К. Наими, С.М. Курашев, 
И.Ф. Уварова 
и 
др. 
М.: 
Изд. 
Дом 
МИСиС, 
2010. 
(http://www.misis.ru/ru/4528) 
Рахштадт Ю.А. Справочные материалы к учебной общеуниверситетской дисциплине «Физика» (глоссарий). М.: Изд. Дом МИСиС, 
2010. (http://www.misis.ru/ru/1311) 
 
Руководитель учебной лаборатории физического практикума 
 профессор Е.К. Наими 

ФИЗИЧЕСКИЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ 
«ОПТИКА. АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА»  

Часть 1 
Аннотации лабораторных работ 
Е.К. Наими 

Физический лабораторный практикум «Оптика. Атомная и ядерная физика» состоит из двух частей и включает 16 лабораторных работ, выполняемых студентами 2-го курса всех направлений подготовки бакалавров и специалистов НИТУ «МИСиС» в соответствии с 
учебными планами по дисциплине «Физический лабораторный практикум», модуль 3: «Оптика. Атомная и ядерная физика».  
Все лабораторные работы поставлены на базе современного оборудования фирмы PHYWE (Германия). Лабораторное оборудование, 
производимое фирмой PHYWE, отличает высокая надежность, 
наглядность изучаемого физического явления, хороший дизайн. 
Многие работы снабжены аналого–цифровыми преобразователями 
(АЦП) Cobra 3 и персональными компьютерами с установленной на 
них универсальной программой Measure, что позволяет в ходе выполнения лабораторной работы осуществлять управление физическим экспериментом, создавать базу данных, оперативно обрабатывать результаты измерений, представляя их в виде цифрового и/или 
графического материала. 
Каждая работа включает следующие разделы: цель работы; теоретическое введение; описание экспериментальной установки; порядок 
выполнения работы; обработка результатов эксперимента; библиографический список; контрольные вопросы для самопроверки. Перечисленные разделы должны быть обязательно освещены в лабораторном журнале (конспекте лабораторной работы) студента. 
Выполнение каждой лабораторной работы рассчитано на два академических часа.  
Лабораторные работы необходимо выполнять, строго соблюдая 
правила техники безопасности и охраны труда, установленные на 
рабочем месте студента в лаборатории. 
Первая часть лабораторного практикум включает в себя восемь 
лабораторных работ. 

Лабораторная работа 3-01 
Измерение скорости света 

Цель 
работы – 
определить скорость 
света в воздухе, воде 
и 
в 
синтетической 
смоле; по полученным результатам измерения 
скорости 
света определить показатели 
преломления этих сред. В данной работе для экспериментального измерения 
скорости 
света используется метод сложения на экране осциллоскопа двух 
взаимно ортогональных гармонических колебаний одинаковой частоты – метод фигур Лиссажу. Сигнал высокой частоты, генерируемый в основном блоке, делится на две части: одна из частей является 
опорным сигналом, вторая – предназначена для генерации светового 
пучка, интенсивность которого промодулирована порождающим 
электрическим колебанием. Благодаря принятой методике удается 
уменьшить рабочую базу установки до 1,5 м. Приводится описание 
оптической и электрической частей установки, порядка выполнения 
работы, а также методики обработки результатов измерения скорости света в воздухе, воде и в синтетической смоле и определения по 
результатам этих измерений их показателей преломления. Указываются расчетные формулы для оценки абсолютной и относительной 
погрешностей определения скорости света и показателей преломления данным методом.  
 

Рис. 1 

Лабораторная работа 3-02 
Законы линз и оптических приборов 

Цель 
работы – 
изучить методы построения 
изображения в линзах, исходя 
из законов геометрической оптики; смоделировать 
оптические системы; определить фокусное расстояние 
различных 
линз. Формулируются законы геометрической оптики: 1. Закон прямолинейного распространения света. 
2. Закон независимости распространения световых лучей. 3. Закон 
отражения света. 4. Закон преломления света. Дается классификация 
линз по их форме, деление линз на собирающие и рассеивающие. 
Приводится формула тонкой линзы, даются определения фокусного 
расстояния, оптической силы, главной оптической оси, оптического 
центра, коэффициентов линейного и углового увеличения, других 
характеристик линз и оптических систем. Описываются методы 
определения фокусного расстояния линзы – метод Аббе и метод Бесселя. С помощью набора собирающих и рассеивающих линз с различными фокусными расстояниями и взаимным расположением их 
друг относительно друга моделируются различные оптические системы: проектор, микроскоп, телескопы Кеплера и Галилея. Приводится описание экспериментальной установки, порядка выполнения 
и обработки результатов измерений. Указываются формулы для расчета абсолютной и относительной погрешностей определения фокусного расстояния линзы. 

Рис. 2