Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Лабораторный практикум по разделам «Оптика», «Атомная и ядерная физика» состоит из двух частей. В первой части приведены описания восьми лабораторных работ, поставленных на базе современного лабораторного оборудования фирмы PHYWE. Рассмотрены следующие темы: геометрическая и волновая оптика, поляризация света, корпускулярные свойства света, строение атомов и молекул. К каждой работе дано теоретическое введение. Содержание работ соответствует учебной программе курса «Физика». Предназначено для студентов всех специальностей
Физика. Оптика. Атомная и ядерная физика. Ч. 1 : лабораторный практикум / Ю. А. Андреенко, Т. М. Ахметчина, С. И. Валянский [и др.] ; под. ред. Е. К. Наими, Ю. А. Рахштадта. - Москва : Изд. Дом МИСиС, 2008. - 132 с. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1226962 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
№ 244

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Êàôåäðà ôèçèêè

Ôèçèêà

Îïòèêà. Àòîìíàÿ è ÿäåðíàÿ ôèçèêà

Ëàáîðàòîðíûé ïðàêòèêóì
×àñòü 1

Ïîä ðåäàêöèåé ïðîôåññîðà Å.Ê. Íàèìè
è äîöåíòà Þ.À. Ðàõøòàäòà

Äîïóùåíî ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèì îáúåäèíåíèåì ïî
îáðàçîâàíèþ â îáëàñòè ìåòàëëóðãèè â êà÷åñòâå ó÷åáíîãî
ïîñîáèÿ äëÿ ñòóäåíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé,
îáó÷àþùèõñÿ ïî íàïðàâëåíèþ Ìåòàëëóðãèÿ

Ìîñêâà   Èçäàòåëüñêèé Äîì ÌÈÑèÑ
2008

УДК 535.1–535.5 + 539.1 
 
Ф50 

Р е ц е н з е н т  
доц. Ю.М. Кузьмин 

Авторы: Ю.А. Андреенко, Т.М. Ахметчина, С.И. Валянский, Д.Г. Данкин, В.А. Докучаева, Д.Е. Капуткин, Э.Н. Колесникова, М.В. Краснощеков, С.А. Крынецкая, С.М. Курашев, 
Е.К. Наими, Ю.А. Рахштадт, А.П. Русаков, А.Г. Шустиков 

Физика. Оптика. Атомная и ядерная физика: Лаб. практи- 
Ф50 кум. Ч. 1 / Ю.А. Андреенко, Т.М. Ахметчина, С.И. Валянский 
и др.; Под ред. Е.К. Наими и Ю.А. Рахштадта. – М.: Изд. Дом 
МИСиС, 2008. – 132 с. 

Лабораторный практикум по разделам «Оптика», «Атомная и ядерная 
физика» состоит из двух частей. В первой части приведены описания восьми 
лабораторных работ, поставленных на базе современного лабораторного оборудования фирмы PHYWE. Рассмотрены следующие темы: геометрическая и 
волновая оптика; поляризация света; корпускулярные свойства света; строение атомов и молекул. К каждой работе дано теоретическое введение. Содержание работ соответствует учебной программе курса «Физика». 
Предназначено для студентов всех специальностей. 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
Лабораторная работа № 3-01. Измерение скорости света ....................5 
Лабораторная работа № 3-02. Законы линз и оптических 
приборов..................................................................................................24 
Лабораторная работа № 3-03. Дифракция света на щели 
и на краю экрана.....................................................................................41 
Лабораторная работа № 3-04. Закон Малюса ......................................59 
Лабораторная работа № 3-05. Эффект Фарадея ..................................75 
Лабораторная работа № 3-06. Определение постоянной Планка 
c помощью внешнего фотоэффекта......................................................89 
Лабораторная работа № 3-07. Определение постоянной 
Ридберга по спектру излучения атомарного водорода .....................104 
Лабораторная работа № 3-08. Эффект Холла 
в германии n-типа.................................................................................115 

Предисловие 

Настоящий лабораторный практикум включает восемь лабораторных работ, выполняемых студентами 2-го курса всех специальностей 
МИСиС в соответствии с учебным планом по курсу «Физика», разделы «Оптика», «Атомная и ядерная физика». 
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, позволяющими в ходе выполнения лабораторной работы управлять физическим экспериментом, 
создавать базу данных, оперативно обрабатывать результаты измерений, представляя их в виде цифрового и/или графического материала. 
Работы № 3-01 – № 3-03 охватывают темы «Геометрическая и 
волновая оптика»; работы № 3-04 и № 3-05 – тему «Поляризация света»; работа № 3-06 – тему «Корпускулярные свойства света» (работы 
№ 3-05 и № 3-06 частично охватывают тему «Взаимодействие света с 
веществом»); работа № 3-07 – тему «Физика атомов и молекул»; работа № 3-08 – тему «Строение вещества». 
Каждая работа включает следующие разделы: цель работы; краткое теоретическое введение; описание экспериментальной установки; порядок выполнения работы; обработка результатов измерений; 
индивидуальные задания; контрольные вопросы для самопроверки; 
библиографический список. Все эти 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. 

Лабораторная работа № 3-01 

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА 

Цель работы 

Определить скорость света в воздухе, в воде и в синтетической 
смоле, а также, используя полученные результаты измерения скорости света, определить показатели преломления этих сред. 

Теоретическое введение 

В теории электромагнитного поля (уравнения Максвелла) показывается, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме 

 

0
0

1
,
c =
ε μ

 
(1.1) 

где 
0ε = 8,854·10-12 Ф/м – электрическая постоянная; 
6
0
1,257 10 Гн/м
−
μ =
⋅
 – 
магнитная постоянная. 
В непроводящей диэлектрической среде электромагнитная волна 
распространяется со скоростью 

 

0
0

1
,
L

c
c
c
n
=
=
=
ε εμ μ
εμ
 

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды; μ  – 
магнитная проницаемость среды. 
Свет представляет собой электромагнитное излучение высокой 
частоты 
15
~ 10 Гц
ν
, при этом в оптическом диапазоне спектра электромагнитных волн 
1
μ ≈ . Отношение скорости света в вакууме к 
скорости света 
L
c  в некоторой среде 

 

L

c
n
c
=
=
εμ ≈
ε  
(1.2) 

называется абсолютным показателем преломления этой среды. Для любой среды, кроме вакуума, 
1
n > (мы исключаем случаи аналогичные 
плазме, где показатель преломления может быть меньше единицы). Ве
личина n зависит от частоты света (дисперсия) и состояния среды 
(плотности, давления и температуры). Для газов при нормальных условиях вследствие их разреженности 
1
n ≈
. В анизотропных средах n  
зависит от поляризации света и от направления распространения. 
Относительным показателем преломления 
21
n  второй среды отно
сительно первой называется отношение скоростей света 
1c  и 
2c соответственно в первой и второй средах: 

 
1
2

21

2
1

,
c
n
n
c
n
=
=
 

где 
1n  и 
2
n – абсолютные показатели преломления первой и второй 
сред. 
В данной работе для экспериментального измерения скорости 
света используется метод сложения на плоскости двух взаимно ортогональных гармонических колебаний одинаковой частоты, т.е. метод 
фигур Лиссажу. Плоскостью, на которой происходит суперпозиция 
двух колебаний, является экран осциллоскопа, на клеммы X и Y которого подаются сигналы высокой частоты. Один из сигналов несет 
функцию опорного, второй отстает по фазе, причем в зависимости от 
величины разности фаз сигналов на экране изображается соответствующая этой разности фигура. В общем случае все возможные виды 
фигур представляют собой различные формы эллиптической кривой. 
Для измерительных целей важны два случая (в виду возможности 
четкой фиксации): 1) сдвиг фазы Δϕ = 0 – эллиптическая кривая вырождается в отрезок прямой, имеющий положительный наклон; 
2) сдвиг фазы Δϕ = π – эллиптическая кривая вырождается в отрезок 
прямой, имеющий отрицательный наклон (рис. 1.1).  
 
 
0
Δϕ =
 
0,
Δϕ ≠
π  
Δϕ = π  

 

Рис. 1.1. Фигуры Лиссажу 

Сигнал высокой частоты, генерируемый в основном блоке, делится на две части: одна часть является опорным сигналом, вторая – 
предназначена для генерации светового пучка, интенсивность которого промодулирована порождающим электрическим колебанием, 
т.е. интенсивность светового сигнала меняется с течением времени 
по гармоническому закону с частотой и фазой опорного электрического колебания. 
Промодулированный световой пучок фокусируется и с помощью 
двойного зеркала распространяется вдоль опорной скамьи и обратно. 
Вернувшийся пучок преобразуется в электрический сигнал, который 
отстает по фазе от опорного сигнала на величину  

 
2
2
,
l
f
t
f c
Δϕ = π Δ = π
 
(1.3) 

где f – частота опорного сигнала (а, значит, и промодулированного 
светового сигнала); 
t
Δ  – время запаздывания, т.е. время распространения светового сигнала; l  – путь, пройденный световым сигналом; 
c  – скорость света. 
Отставший по фазе сигнал наряду с опорным подается на входные 
клеммы осциллоскопа, при этом вид фигуры Лиссажу на экране зависит от сдвига фаз Δϕ , следовательно, от пути l  светового сигнала. 
Величину пути l можно изменить таким образом, что эллиптическая 
кривая выродится в один из двух возможных видов наклонных отрезков (см. рис. 1.1). Измерив пройденный путь и зная сдвиг фазы Δϕ , 
с помощью соотношения (1.3) можно вычислить скорость света c . 
Замечание. Преобразование электрического сигнала высокой частоты в световой промодулированный по интенсивности сигнал в данной работе осуществляется с помощью светодиода. 
Светодиод или светоизлучающий диод (СИД) – полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока (рис. 1.2). Излучаемый свет лежит в 
узком участке спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в СИД полупроводника. Как и в 
нормальном полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется 
p–n-переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – рекомбинируют с 
излучением фотонов. Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Хорошими излучателями являются, как правило, прямозонные полупроводники типа 

AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). 
Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для 
всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS). В данном эксперименте используется 
красный СИД. 
Обратное преобразование светового сигнала после отражения от 
зеркал осуществляется с помощью светодиода, работающего как фотодатчик. 

 

Рис. 1.2. Обозначение излучающего светодиода 
в электрических схемах 

Измерение скорости света в воздухе 

Начальный сдвиг фазы между опорным сигналом и электрическими колебаниями, полученными после преобразования светового 
сигнала, равен нулю. Для измерения скорости света в воздухе следует увеличить длину прохождения луча на 
2
l
x
Δ =
Δ  (рис. 1.3), например, чтобы получить сдвиг фаз, равный π свету потребуется время 
запаздывания 

 
1
2
t
f
Δ =
, 

где f = 50,1 МГц – частота модуляции, при этом световой сигнал 
пройдет расстояние 

 
L
l
c
t
Δ =
Δ . 

Таким образом, скорость света в воздухе 

 
4
L
l
c
f
x
t
Δ
=
=
Δ
Δ
. 
(1.4) 

Табличное значение скорости света в воздухе равно  

 
8
2,998 10 м/с
Lc =
⋅
. 

Измерение скорости света в среде 

 

Рис. 1.3. Измерение скорости света в различных средах 

Скорость света в воде или синтетической смоле 
M
с
, находится 
при сравнении ее со скоростью света в воздухе 
L
c  (см. рис. 1.3).  
При первом измерении (со средой) свет проходит расстояние 1l за 
время 1t : 

 
1
1
2
l
x
=
, 

 
1
1
т
т

1
1
(
)

L
M

t
l
l
l
c
c
=
−
+
. 

При втором измерении (без среды) свет проходит в воздухе расстояние 2
1
2
l
l
x
=
+ Δ  за время 

(
)
2
1
1
2

L

t
l
x
c
=
+ Δ
. 

Фазы сигналов передатчика и приемника в обоих случаях равны 
(мы получаем одинаковые фигуры на экране осциллоскопа), поэтому 

 
2
1
;
k
t
t
f
=
+
k = 0, 1, 2 … 

Здесь целое число k показывает количество лишних периодов 

1
kT
k f
=
 гармонических колебаний, которые следует приписать све
товому сигналу, причем каждому значению k соответствует определенное расстояние kl , проходимое лучом. Увеличивая k на единицу, 
мы должны увеличить пройденное лучом расстояние на величину  

 
1

L
l
c
f
Δ =
, 

при этом сдвиг фаз Δϕ  увеличивается на 2π , что не влияет на вид 
фигуры Лиссажу на экране осциллоскопа. 
Численные оценки показывают, что при частоте модуляции 
50,1 МГц
f =
 
6 м
l
Δ ≈
. Длина опорной плиты, вдоль которой распространяется луч, не превышает 2,5 м, поэтому при измерениях необходимо считать k = 0. 
Таким образом, показатель преломления в общем случае 

 

т
т

2
1
L
k
L

M

c
x
kc
n
c
l
fl

Δ
=
=
+ −
. 
(1.5) 

В эксперименте с водой расстояние тl = 1 м, поэтому 

 

т

6
Lc
k
k
fl ≅
. 

В соотношении (1.5) следует положить 
0
k =
 и пользоваться при 
измерении n  формулой 

т

2
1.
x
n
l
Δ
=
+
 
(1.6) 

Табличные значения показателя преломления  и скорости света 
для воды: 

 
2
H O
1,333
0,003
n
=
±
, 

 
2
8
H O
(2,248
0,005) 10 м/с
c
=
±
⋅
. 

В эксперименте с синтетической смолой для расстояния т 
30 см
l =
 

 

т

20
Lc
k
k
fl ≅
. 

Очевидно и в этом случае следует считать
0
k =
, 1
2
t
t
=
 и пользоваться при измерении n  соотношением (1.6). 
Табличные значения показателя преломления и скорости света 
для синтетической смолы:  

синтетич.смолы
1,597
0,003
n
=
±
, 

8
синтетич.смолы
(1,87
0,01) 10 м/с
c
=
±
⋅
. 

Описание экспериментальной установки 

Общий вид установки для измерения скорости света в различных 
средах приведен на рис. 1.4.  
Основной блок – прибор, вырабатывающий электрический сигнал 
частоты 
50,1 МГц
f =
, который в виде опорного сигнала подается 
на Y-клеммы осциллоскопа. Сигнал предварительно проходит преобразователь, где частота преобразуется к значению, приемлемому для 
осциллоскопа:  

 
1000
50 кГц
f
f
→
=
. 

Замечание. Необходимость использовать высокую частоту модулированного светового сигнала продиктована условиями эксперимента. Учитывая значение скорости света 
8
3 10 м с
с ≈ ⋅
и реальные 
линейные размеры установки 
1,5 м
l ≈
, необходимый согласно используемой методике сдвиг фаз Δϕ = π , который приобретает свето
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину