книги / Общая физика. Оптика

Построить график зависимости / = / (cos2 <р). Эта зависи­ мость описывается формулой

I = /, + / 2 cos2 ф .

Коэффициенты 1 и 12 линейной зависимости определите по методу наименьших квадратов.

Контрольные вопросы

1.Поляризованный и естественный свет. Виды поляризо­ ванного света.

2.Способы получения поляризованного света.

3.Закон Мапюса.

4.Закон Брюстера.

Задания для отчета по лабораторной работе

1.Чем поляризатор отличается от анализатора?

2.Как определить, обладают ли стекла солнцезащитных очков поляризующим действием?

3.Солнечный свет не проходит через два поляроида, если их оси скрещены под прямым углом. Что произойдет, если меж­ ду этими поляроидами поместить третий, ось которого образует

сосями двух других поляроидов угол 45°?

4.Какой вывод можно сделать о природе света на осно­

вании поляризации?

5.Два поляроида ориентированы так, что пропускают максимум света. На них падает неполяризованный свет. Какая доля интенсивности света пройдет через оба поляроида?

6.Чему равен угол Брюстера для границы сред воздух-

стекло (и = 1,56)?

7. Чему равен угол Брюстера для стекла (и = 1,56), погру­ женного в воду (п = 1,33)?

8. Под каким углом над горизонтом стоит Солнце, когда свет, отраженный от гладкой поверхности озера, поляризован особенно сильно?

9. Чему равен угол Брюстера при отражении от поверхно­ сти воды снизу (из-под воды)? Сравните этот угол с углом Брю­ стера при отражении от поверхности воды сверху.

10. Угол Брюстера при падении света из воздуха на кри­ сталл каменной соли равен 57°. Определить скорость света в этом кристалле.

11.Степень поляризации Р частично поляризованного све­ та равна 0,5. Во сколько раз отличается максимальная интенсив­ ность света, пропускаемого через анализатор, от минимальной?

12.Чему равна степень поляризации Р света, представ­ ляющего собой смесь естественного света с плоскополяризованным, если отношение интенсивности поляризованного света

кинтенсивности естественного равно: а) 1; б) 10?

13.Несовершенный поляризатор пропускает в своей

плоскости СХ| = 0,90 часть интенсивности соответствующего ко­ лебания, а в перпендикулярной плоскости а 2= 0,10 часть интен­ сивности соответствующего колебания. Определить степень по­ ляризации Р света, прошедшего через поляризатор, если перво­ начально свет был естественным.

14. Имеются два одинаковых несовершенных поляриза­ тора, каждый из которых в отдельности обусловливает степень поляризации Р\ = 0,8. Какова будет степень поляризации света, прошедшего последовательно через оба поляризатора, если плоскости поляризаторов: а) параллельны; б) перпендикулярны друг другу?

15. Естественный свет проходит через систему двух оди­ наковых несовершенных поляризаторов. Каждый из них про­ пускает в своей плоскости а) = 0,95 часть интенсивности соот­ ветствующего колебания и дает степень поляризации Р = 0,9. Какую долю первоначальной интенсивности света составляет интенсивность света, прошедшего через эту систему, если плос­

кости поляризаторов взаимно перпендикулярны (поляризаторы скрещены)?

16. Два скрещенных поляризатора расположены на пути волны естественного света интенсивности /„. Между ними по­ мещают третий поляризатор. Как должна быть ориентирована

его плоскость, чтобы интенсивность света, прошедшего через всю систему, была максимальной? Чему она равна?

17.На пути частично поляризованного света поместили поляризатор. При повороте поляризатора на угол 60° из поло­ жения, соответствующего максимуму пропускания, интенсив­ ность прошедшего света уменьшилась в 3 раза. Найти степень поляризации падающего света.

18.На пути естественного света поместили два несовер­ шенных поляризатора. Оказалось, что при параллельных плос­ костях пропускания поляризаторов эта система пропускает в 10 раз больше света, чем при скрещенных плоскостях. Найти степень поляризации света, которую создает: а) каждый поляри­ затор в отдельности; б) вся система при параллельных плоско­ стях пропускания поляризаторов.

19.Пучок естественного света падает на систему из N = 6 поляризаторов, плоскость пропускания каждого из которых по­ вернута под углом 30° относительно плоскости пропускания предыдущего поляризатора. Какая часть светового потока про­ ходит через эту систему?

20.Естественный свет падает на систему их трех после­ довательно расположенных одинаковых поляроидов, причем плоскость пропускания среднего поляроида составляет угол 60°

сплоскостями пропускания двух других поляроидов. Каждый поляроид обладает таким поглощением, что при падении на него линейно-поляризованного света максимальный коэффициент

пропускания т = 0,81. Во сколько раз уменьшится интенсив­ ность света после прохождения этой системы?

Лабораторная работа № 5 СПЕКТРЫ ИСПУСКАНИЯ СВЕТА С ПОМОЩ ЬЮ МОНОХРОМАТОРА

Цель работы - ознакомление с принципом действия и конструкцией монохроматора, исследование с его помощью спектра испускания неизвестного источника света.

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2, не­ оновая лампа и лампа накаливания на подставках, атлас линий спектра излучения неона, неизвестный источник света с набо­ ром атласов линий спектра.

Сведения из теории

Все нагретые тела являются источниками электромагнит­ ного излучения. Основной характеристикой излучения является спектр. Спектром излучения называется совокупность длин волн, испускаемых источником.

Белый свет представляет собой набор всех длин волн ви­ димого диапазона. Если белый свет падает на призму, то проис­ ходит разложение его на все цвета радуги, так как показатель преломления зависит от длины волны. Подобное разложение белого света в полный спектр и вообще все явления, обуслов­ ленные зависимостью показателя преломления вещества от длины волны, называются дисперсией.

Для получения спектра разреженного газа нужно его воз­ будить, чтобы он испускал свет. Для этого к газоразрядной трубке необходимо приложить высокое напряжение, а свет от этой трубки пропустить сквозь призму. В результате дисперсии получим спектр, который будет «визитной карточкой» иссле­ дуемого газа. Спектры различных веществ отличаются друг от друга цветом и расположением характерных линий, т.е. по спек­ тру можно идентифицировать вещество. Исследование спектров (спектральный анализ) дает информацию о природе источника света и о происходящих в нем процессах.

•Различают два вида спектров: линейчатые и сплошные. Твердые и жидкие тела излучают свет, в котором присутствуют все линии волн (сплошной спектр). Излучение обусловлено ко­ лебаниями атомов и молекул, которые зависят от взаимодейст-

вия каждого атома или молекулы со своими соседями. Линейча­ тые спектры дают разряженные газы. В них атомы в среднем находятся на больших расстояниях друг от друга, поэтому свет излучают изолированные и не взаимодействующие между собой атомы. Линейчатые спектры служат своего рода ключом к строению атома.

В практике используют как спектры испускания, так и спектры поглощения. Если излучение с непрерывным спектром проходит через газ, то в спектре появляются темные линии, со­ ответствующие светлым линиям в линейчатом спектре испуска­ ния данного газа.

Теоретическое объяснение спектральных закономерностей было впервые дано в полуклассической теории Бора, а дальней­ шее развитие получило в квантовой механике. В качестве объ­ екта исследования был выбран самый простой атом - атом во­ дорода: вокруг ядра вращается только один электрон (модель Резерфорда). У водорода самый простой спектр. Для объяснения устойчивости и характера атомного спектра Бор постулировал:

1.Электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам, среди которых разрешенными являются только определенные орбиты (стационарные состояния). Электрон на такой орбите обладает определенной энергией и движется по орбите, не излу­ чая энергии.

2.Испускание света происходит, когда электрон перехо­ дит из одного стационарного состояния в другое. При каждом переходе испускается один световой фотон, энергия которого

определяется как

hv = Е2 - Е\,

где Е2 - энергия электрона в возбужденном состоянии; Е\ - энергия электрона в невоэбужденном состоянии; v - частота излучения, И- постоянная Планка.

Набор фотонов с одинаковой частотой является монохро­ матическим излучением и при визуальном наблюдении дает оп­ ределенную спектральную линию. Таким образом, каждому возможному энергетическому переходу электрона в атоме соот­ ветствует спектральная линия. Этим объясняется линейчатый спектр отдельных, не взаимодействующих возбужденных ато­

пучка). Эти углы даже при значительной дисперсии не превы­ шают нескольких градусов. Световые пучки, проходя через лин­ зу 5, в фокальной плоскости которой стоит экран б, дают не­ сколько изображений щели 2 для различных длин волн. В зави­ симости от источника излучения (возбужденный газ или нагре­ тое твердое тело) на экране образуется линейчатый либо сплош­ ной спектр.

По способу регистрации спектров спектральные приборы делятся на четыре группы:

1.Спектрографы. Экран б покрывают эмульсией для по­ лучения фотографии спектра.

2.Фотоэлектрические приборы. Спектр регистрируют с помощью фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей, входящих в состав приборов.

3.Спектроскопы. Спектр визуально наблюдается через

окуляр.

4. Монохроматоры. В фокальной плоскости окуляра 5 с помощью узкой щели выделяют исследуемый участок спек­ тра. Перемещение спектра в поле зрения осуществляют поворо­ том призмы 4 вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Поворачивая призму на определенный угол, можно рассмотреть весь спектр излучения.

В центре поля зрения окуляра находится указатель, с ко­ торым совмещают спектральные линии.

Основными характеристиками любого спектрального прибора, в том числе и монохроматора, являются: угловая дис­ персия Др, линейная дисперсия Д и разрешающая способность прибора R.

Угловой дисперсией называется отношение углового рас­ стояния Д(р между лучами, длины волн которых отличаются на ДА., к самому интервалу ДА.

Дер

( 1)

ДА Линейной дисперсией называется отношение расстояния

между спектральными линиями Д/, длины волн которых отли­ чаются на ДА, к интервалу ДА.

Д/

ДА

где / - фокусное расстояние окуляра.

Возможность раздельного наблюдения (разрешения) двух спектральных линий определяется не только интервалом длин волн между ними, но и шириной самих спектральных линий. Разрешающая способность спектрального прибора характеризу­ ет возможность прибора разделять две близко расположенные спектральные линии с длинами волн А.) и А,2

ДА. - наименьший интервал длин волн, для которого две спек­ тральные линии по критерию Рэлея могут наблюдаться раздель­ но, ДА = А,2-А,|.

Чем больше разрешающая способность, тем более близкие длины волн можно разрешить с помощью спектрального при­ бора.

Описание установки

5 6

Рис. 2

Установка (рис. 2) состоит из монохроматора УМ-2, эта­ лонного источника света 6 и неизвестного источника (не пока­ зан). Свет от эталонного источника 6 падает на входную щель 5 коллиматора, ширина которой регулируется винтом 4. Поворот 'диспергирующей призмы осуществляется градуировочным ба­

рабаном 2, снабженным указателем. При повороте барабана ука­ затель скользит по размеченной в градусах спиральной канавке. Фокусировка объектива необходима на каждую спектральную линию, так как её длине волны соответствует свое фокусное расстояние. Такая фокусировка осуществляется с помощью вин­ та 3. Диоптрийной подстройкой окуляра под глаз (поворотом кольца 1) можно добиться резкого изображения указателя и спектральных линий.

Порядок выполнення работы

Градуировка монохроматора

1. Перед входной щелью объектива монохроматора, на расстоянии 10-15 см установить подставку с неоновой лампой. Ширина входной щели должна быть достаточно узкой, чтобы спектральные линии были хорошо разрешены. С помощью вин­ та 1 добиться резкого изображения указателя и спектральных линий в поле зрения окуляра.

2.Произвести идентификацию линий неона, т.е. по ха­ рактерным признакам спектральных линий, отмеченных в атла­ се спектра неона, найти соответствующие линии в наблюдаемом

вокуляр спектре.

3.Отградуировать монохроматор. Градуировку рекомен­

дуется начать с желтой линии. Для этого поворотом градуиро­ вочного барабана совместить указатель в поле зрения с желтой линией и соответствующее ей деление барабана занести в таб­ лицу. Подобную «привязку» шкалы барабана монохроматора к спектру неона произвести для всех остальных линий.

П р и м е ч а н и е . Для исключения влияния возможно­ го люфта на градуировку при подводе линий к указателю бара­ бан следует вращать в одну сторону.

Измерения произвести для каждой линии не менее трех раз. Полученные отсчеты по барабану и соответствующие дли­ ны волн занести в таблицу. В качестве окончательного результа­ та измерений берется среднее арифметическое отсчетов.

4. Построить градуировочный график монохроматора. По оси абсцисс отложить деления п барабана, по оси ординат —со­ ответствующие длины волн X в нм.