Оптика

Министерство образования и науки российской Федерации 

уральский Федеральный университет  
иМени первого президента россии б. н. ельцина

оптика

практикум

рекомендовано методическим советом урФу 
в качестве учебно-методического пособия для студентов, обучающихся 
по программе бакалавриата по направлениям подготовки 
04.03.01 «Химия», 04.03.02 «Химия, физика и механика материалов», 
06.03.01 «биология», 05.03.06 «Экология и природопользование», 
по программе специалитета по направлениям подготовки 
04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия», 
30.05.01 «Медицинская биохимия», 
30.05.02 «Медицинская биофизика»

екатеринбург 
издательство уральского университета 
2016

удк 535(076.5)
 
о-627

а в т о р ы:
и. а. лыков, л. с. витюкова, в. н. Мальцев, л. л. нугаева

р е ц е н з е н т ы:
кафедра физики и математического моделирования
уральского государственного педагогического университета
(заведующий кафедрой доктор физико-математических наук,
профессор в. е. сидоров);

в. п. коверда, доктор физико-математических наук,
член-корреспондент ран, заведующий лабораторией
фазовых переходов и неравновесных процессов
института теплофизики уро ран

н ау ч н ы й  р е д а к т о р
в. г. Черняк, доктор физико-математических наук, профессор,
заведующий кафедрой общей и молекулярной физики урФу

о-627
  
Оптика : практикум : [учеб.-метод. пособие] / [и. а. лыков, 
л. с. витюкова, 
в. н. Мальцев, 
л. л. нугаева 
; 
науч. 
ред. 
в. г. Черняк] ; М-во образования и науки рос. Федерации, урал. 
федер. ун-т. — екатеринбург : изд-во урал. ун-та, 2016. — 63 с. 

ISBN 978-5-7996-1666-3

лабораторный практикум нацелен на более глубокое понимание и 
лучшее усвоение студентами фундаментальных физических явлений, лежащих 
в основе законов оптики, атомной и ядерной физики. показана возможность 
измеримости некоторых базовых оптических величин, несмотря 
на малость их значений.
адресовано студентам младших курсов, получающим навыки использования 
физических приборов и установок для повышения информативности 
и точности научных исследований.

удк 535(076.5)

© уральский федеральный университет, 2016
ISBN 978-5-7996-1666-3

Оглавление

От авторов ..................................................................................................... 4

Лабораторная работа 1. определение спектра излучения газов ........... 7

Лабораторная работа 2. исследование дифракционных явлений  
с помощью лазера ................................................................................ 14

Лабораторная работа 3. определение показателя преломления 
жидкостей ............................................................................................. 22

Лабораторная работа 4. определение фокусных расстояний линз ..... 30

Лабораторная работа 5. изучение дифракционной решетки  
с помощью гониометра ........................................................................ 41

Лабораторная работа 6. поляризация света. закон Малюса ................ 51

Список рекомендуемой литературы ....................................................... 61

от авторов

существует лишь то,  
что можно измерить.

М. Планк

в этом семестре вы продолжаете изучение одной из важнейших 
естественно-научных дисциплин — физики. в рамках повышения 
вашего уровня обучения в высшей школе вам предлагается 
выполнить цикл экспериментальных работ по исследованию оптических 
явлений. за время прохождения практикума вы должны 
освоить теоретические методы современной физики и научиться 
применять их для описания различных природных явлений. 
но самое главное, вы должны научиться создавать новые знания. 
для этого необходимо как можно полнее овладеть экспериментальными 
методами точных наук, основанными на измерениях.
для понимания важной роли лабораторного практикума по 
оптике при изучении физики в высшей школе, его необходимости 
для завершения формирования современного грамотного 
естествоиспытателя, способного к самостоятельной творческой 
работе, мы также можем проанализировать ваш процесс обучения 
физике.
в раннем детстве все вы усваиваете достаточно солидный 
«курс физики», привыкая к различным простым вещам и явлениям 
окружающего мира, большинство из которых вы наблюдаете 
зрительно в оптическим диапазоне длин волн. Хорошо 
известен факт появления у человека в первые недели его жизни 
способности мысленно восстанавливать изображение, проецируемое 
на сетчатку глаза естественной линзой (хрусталиком) изначально 
в перевернутом виде. однако, как ни важны подобные 

знания, это лишь частные правила, касающиеся течения отдельных 
событий. 
сознательное, рассудочное понимание вещей и явлений вы 
начинаете осваивать в средней школе в курсе естествознания. 
в рамках школьного курса вы знакомитесь с простейшими моделями 
и законами сложных оптических и квантовых явлений, описание 
которых зачастую лежит даже за рамками классического 
курса высшей школы большинства естественно-научных направлений, 
исключая фундаментальную физику. в результате у вас 
формируются первые представления о понятиях оптических 
величин и основных простейших законах оптики. однако, только 
в рамках курса физики высшей школы, выполняя лабораторный 
практикум по оптике, можно уяснить некоторые причины возникновения 
тех или иных оптических явлений, а также наличия видимых 
противоречий между опытом и теорией.
вам предстоит понять важнейшую роль и плодотворность 
разрешения этих противоречий в развитии физических воззрений 
и тем самым расширить свое представление о том, что называется 
научным методом изучения природы. напомним, что практикум — 
необходимое, но недостаточное условие для формирования 
научного мировоззрения. не менее важным элементом подготовки 
является освоение приемов теоретического анализа результатов, 
полученных в оптической лаборатории, которое осуществляется 
на лекциях и семинарских занятиях.
данный лабораторный практикум адаптирован для студентов 
нефизических специальностей естественно-научного профиля 
подготовки и преследует цели формирования практических навы-
ков проведения и обработки результатов измерения физических 
свойств и наблюдения процессов и явлений, лежащих в основе 
создания понятийного аппарата. поэтому в комплекс представ-
ленных в пособии работ входят работы практически по всем 
темам курса физики: механике, молекулярной физике, электри-
ческим и магнитным явлениям, оптике. в этом семестре вы при-
ступаете к выполнению работ по третьему разделу курса общей 
физики — оптике.

роль оптической части курса при этом является уникальной, 
поскольку именно в оптическом диапазоне был открыт корпуску-
лярно-волновой дуализм электромагнитных волн. оптические 
методы являются наиболее тонкими и точными.
в лаборатории представлены работы по различным разделам 
курса «оптика»: «геометрическая оптика» — работы 3, 4; «интер-
ференция и дифракция световых волн» — работы 2, 5; «поляриза-
ция света и кристаллооптические явления» — работа 6; «основы 
спектрального анализа» — работа 1.
практикум по оптике преследует следующие цели:
 – формирование навыков измерения оптических величин 
и постоянных;
 – закрепление знания основных законов физики;
 – овладение практическими навыками проведения исследова-
ний, методами обработки и анализа результатов измерений;
 – получение навыков работы с точными измерительными 
приборами;
 – знакомство с методами исследования и подтверждения 
основных законов оптики;
 – развитие умения правильно представлять результаты экспе-
римента и делать из них самостоятельные выводы;
 – опытное обоснование изучаемых физических явлений.
представленная в лаборатории обширная тематика успешно 
сочетается с достаточно неплохим подбором лабораторных работ, 
в которых изучаются оптические явления, связанные с проте-
канием физических процессов в химии и биологии, что в даль-
нейшем позволит вам успешно применять полученные знания 
о точных оптических (спектральных) методах исследования при 
проведении научных исследований и экспериментов.
лаборатория оснащена современными измерительными уста-
новками, позволяющими студентам на практике овладеть основ-
ными методами исследования, применяемыми в физике.
в прошлые годы в создании лабораторных работ и подготовке 
их описаний принимали активное участие доцент с. и. князев, 
профессор л. я. кобелев, доценты в. Э. скроцкая, в. М. констан-
тинова, н. п. зырянова, н. п. погорелов, а. а. беляев.

лабораторная работа 1

Определение спектра излучения газов

Цель работы — изучение теории метода качественного спек-
трального анализа, знакомство с принципом действия монохро-
матора уМ-2, градуировка монохроматора, определение состава 
неизвестного газа по его спектру излучения.

спектральный анализ является физическим методом опре-
деления качественного и количественного состава вещества на 
основе изучения его спектра. спектр вещества показывает рас-
пределение энергии исследуемого излучения по частотам (длинам 
волн). спектром излучения, или эмиссионным спектром, называ-
ется совокупность монохроматических волн, на которые может 
быть разложено исследуемое излучение. различают сплошные, 
полосатые и линейчатые спектры излучения. сплошной спектр 
получается при свечении раскаленных твердых и жидких тел; 
полосатые спектры испускаются возбужденными молекулами 
газа, поэтому их называют молекулярными спектрами; линейча-
тые спектры наблюдаются при свечении изолированных атомов, 
например атомов разреженных газов или паров металла. 
каждый химический элемент испускает характерный для него 
спектр. линейчатые спектры состоят из отдельных спектральных 
линий, соответствующих различным длинам волн. Молекулярные 
спектры состоят из отдельных групп, полос, каждая из которых 
включает в себя большое число тесно расположенных линий, сбе-
гающихся к определенной границе, называемой кантом полосы. 
спектром поглощения называется распределение по частотам 
(длинам волн) интенсивности поглощаемого телом электромаг-
нитного излучения. спектры поглощения наблюдаются в том 
случае, когда на пути излучения источника, дающего сплошной 
спектр, оказывается поглощающее вещество.
в прошедшем через вещество излучении имеются тем-
ные полосы или линии в тех местах, которые соответствуют 
поглощенному излучению. Характер поглощения определяется 

природой и строением поглощающего вещества. линейчатые 
спектры поглощения получаются в том случае, когда поглощаю-
щее вещество состоит из атомов; полосатые — при поглощении 
веществом, состоящим из молекул; сплошные спектры связаны 
с поглощением веществом, находящимся в конденсированном 
состоянии.
длины волн или частоты при обычных условиях получения 
спектров остаются постоянными, вполне определенными для каждого 
химического элемента. Качественный спектральный анализ 
заключается в обнаружении в спектре анализируемого вещества 
спектральных линий, принадлежащих искомому элементу.
для проведения качественного анализа элементного состава 
вещества необходимо определить длины волн линий спектра 
и сравнить полученные данные с соответствующими спектральными 
таблицами.
Экспериментальная установка. для анализа спектра исследуемого 
образца используют спектральные приборы. основными 
частями спектрального прибора являются входной коллиматор, 
или просто коллиматор, диспергирующая система и выходной 
коллиматор. коллиматор, состоящий из объектива O и входной 
щели S, находящейся в его фокальной плоскости, формирует 
параллельный пучок исследуемого света (рис. 1.1).

O 
O'

S 

рис. 1.1. Функциональная схема спектрального прибора

Коллиматорный объектив O должен быть ахроматическим, 
т. е. положение его фокуса не должно зависеть от длины волны 
излучения, попадающего на щель S спектрального прибора. если 
же объектив не исправлен на хроматическую аберрацию, т. е. 
положение его фокуса зависит от длины волны, то в спект ральном 

приборе предусматривается возможность перемещения объектива 
вдоль главной оптической оси при переходе от одной области 
спектра к другой. Диспергирующая система формирует из одного 
пучка ряд параллельных монохроматических пучков. в качестве 
диспергирующего элемента служат либо призмы, либо дифракционные 
решетки. действие призмы как диспергирующего элемента 
основано на явлении дисперсии света, т. е. на зависимости показателя 
преломления n вещества призмы от длины волны падающего 
излучения λ. такая зависимость показателя преломления может 
быть представлена в виде ряда по степеням длины волны падающего 
излучения (формула коши):

2
4
....
B
C
n
A
=
+
+
+
λ
λ

вследствие существования такой зависимости параллельный 
пучок, падающий на призму, при выходе из нее распадается на 
ряд параллельных пучков, каждый из которых характеризуется 
определенной длиной волны. Монохроматические пучки, каж-
дый под своим углом к главной оптической оси, попадают в объ-
ектив о' выходного коллиматора. в фокальной плоскости объек-
тива о' получаются монохроматические изображения входной 
щели (спектральные линии). Эти изображения можно как наблю-
дать визуально, так и регистрировать фотодатчиком.
в данной работе применяется визуальное наблюдение спек-
тров. спектральным прибором является монохроматор уМ 2 
(рис. 1.2, 1.3). принципиальная оптическая схема монохроматора 
уМ 2 отличается от функциональной схемы тем, что диспергиру-
ющая призма имеет особую конструкцию. призма не только раз-
лагает свет в спектр, но и поворачивает его на 90°.
в качестве входной щели коллиматора в монохроматоре уМ 2 
применяется стандартная симметричная щель с шириной рас-
крытия 0–4 мм, высотой 15 мм. цена деления на барабане рас-
крытия щели составляет 0,01 мм. для того чтобы щель 1 всегда 
находилась в фокальной плоскости коллиматорного объектива 
(иначе не получить резкого изображения щели), в монохроматоре 

предусмотрена 
возможность 
перемещения объектива 2 вдоль 
оптической оси. смещение про-
изводится микровинтом, располо-
женным на внешней стороне кор-
пуса монохроматора. положение 
объектива фиксируется линей-
ной шкалой с нониусом. Шкала 
расположена над микровинтом 
и видна через стеклянное око-
шечко в корпусе прибора. такую 
корректировку нужно произво-
дить, если он не исправлен на 
хроматическую аберрацию, т. е. 
если положение его фокуса зави-
сит от длины волны. Чаще всего 
коллиматорный объектив явля-
ется ахроматическим.

1
1а
2
3

4

5

рис. 1.3. оптическая установка:

1 — источник излучения для градуировки монохроматора (ртутная лампа); 
1а — источник излучения (лампа с неизвестным газом); 2 — конденсорная 
линза; 3 — монохроматор; 4 — барабан вращения диспергирующей призмы 
монохроматора; 5 — материал с данными по спектрам излучения некоторых 
газов

1
2
3

4 

5 

6

7 

рис. 1.2. принципиальная схема 
монохроматора уМ 2:

1 — входная щель; 2 — объектив 
коллиматора; 3 — диспергирующая 
призма; 4 — объектив входного 
коллиматора; 5 — съемная выход-
ная щель; 6 — указатель в фокаль-
ной плоскости зрительной трубы; 
7 — окуляр зрительной трубы

диспергирующая призма расположена внутри прибора на 
столике, снабженном поворотным механизмом. поворотный механизм 
приводится в действие барабаном, соединенным с призменным 
столиком микрометрическим винтом. барабан проградуирован 
в относительных единицах — углах поворота барабана, 
цена деления — 2°. отсчет угла поворота производится против 
риски на ползунке, скользящем по спиральной канавке на барабане. 
в фокальной плоскости выходного коллиматора расположен 
указатель. при повороте призменного столика линия определенной 
длины (значит, и цвета) совмещается с указателем. для того 
чтобы с помощью монохро-
матора можно было измерять 
длины волн, необходимо иметь 
градуировочный график, связывающий 
длину волны и отсчет 
по барабану поворотного механизма. 
зависимость эта нелинейная. 
типичный вид градуировочной 
кривой приведен на рис. 1.4. 
для его построения используется 
спектр излучения паров ртути, 
который содержит яркие линии, 
расположенные во всей видимой 
области спектра. длины волн 
приведены в таблице:

цвет линии в спектре
длина волны, нм
отсчет по барабану, град.

красная слабая
692,0

красная яркая
623,0

Желтая правая
577,0

зеленая яркая
546,1

зелено-голубая яркая
491,6

синяя яркая
435,8

Фиолетовая яркая
404,6

λ, нм

Отсчет по шкале барабана, град.

 

рис. 1.4. градуировочный  
график монохроматора