книги / Оптическое материаловедение
..pdf
Для цветных стекол полоса пропускания может быть достаточно узкой.
Одной из важнейших характеристик плоскопараллельной
пластины является коэффициент внешнего пропускания τ,
измеряемый опытным путем:
I I0 , |
(3.1) |
где I0 – интенсивность падающего на пластину пучка света; I – интенсивность вышедшего из пластины пучка света (рис. 3.1, IR – интенсивность первично отраженного пучка света, Iin и Iout – входная и выходная интенсивности прошедшего через границу раздела сред пучка света; I'R – интенсивность вторично отраженного пучка света).
Рис. 3.1. Потери интенсивности светового пучка при прохождении через прозрачную
пластину толщиной l
В качестве удобных практических характеристик потерь излучения в образцах используются оптическая плотность D
и поглощательная способность А:
D lg |
и |
A ln . |
(3.2) |
21
Показатель поглощения пластины толщиной l без учета многократного отражения может быть вычислен с помощью формулы
|
A AR |
2,3026 |
D DR |
, |
(3.3) |
|
|
||||
|
l |
|
l |
|
|
где AR и DR – поправки на отражение от двух границ раздела
(рис. 3.2).
Рис. 3.2. Поправки на отражение
Величина коэффициента внешнего пропускания зависит от длины волны падающего излучения. Эта зависимость, представленная в виде графика, называется кривой пропускания и является одним из нормируемых параметров оптических материалов. Примерные кривые пропускания для стандартных марок цветных стекол приведены в ГОСТ 9411–91 (рис. 3.3).
22
а
б
Рис. 3.3. Примерные кривые пропускания для синего (а)
и оранжевого (б) стекол (2 и 5 – толщина стекла в миллиметрах)
Описание установки и метода измерений
Основной частью установки для измерения ослабления интенсивности света в веществе является универсальный моно-
23
хроматор УМ-2, используемый для спектральных исследований в диапазоне длин волн от 380 до 1000 нм (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Оптическая схема монохроматора УМ-2
Конструктивно монохроматор состоит из трех блоков:
–коллиматора, направляющего пучок анализируемого света по заданному направлению на призменный столик;
–призменного столика, разлагающего анализируемый пучок света в спектр;
–выходной трубы, позволяющей проводить анализ выделенной части спектра.
Блоки монохроматора жестко соединены в массивном корпусе, закрепленном на оптической скамье.
В состав коллиматора входят:
–стандартная симметричная входная щель 3, размер которой может изменяться в пределах от 0 до 4 мм посредством барабанчика 8;
–объектив 4, предназначенный для фокусировки спектральных линий с помощью микрометрического винта 9;
–механический затвор 11, перекрывающий доступ света в объектив с помощью рукоятки 10.
24
В состав призменного столика 12 входят:
– диспергирующая призма 5, вращение которой обеспечивается микрометрическим винтом;
– микрометрический винт с измерительным барабаном 13, на который нанесена спиральная шкала. При вращении микрометрического винта по спиральной канавке скользит указатель 14, определяющий угловое положение диспергирующей призмы в относительных единицах.
В состав выходной трубы входят:
–объектив 6, фокусирующий выходящий из диспергирующей призмы спектр в плоскости выходной щели;
–выходная щель 7, ширина которой изменяется с помощью барабанчика 15.
На входную щель монохроматора направляется исследуемый пучок света от источника 1, в качестве которого в настоящей работе используются либо лампа накаливания (сплошной спектр), либо ртутная лампа (линейчатый спектр с известными значениями длин волн спектральных линий для градуировки шкалы монохроматора). Исследуемый свет проходит через конденсор 2, который формирует параллельный пучок света.
За выходной щелью монохроматора располагается либо зрительная труба с указателем для наблюдения линий спектра ртутной лампы, либо регистрирующий прибор, измеряющий интенсивность света, вышедшего из выходной щели монохроматора. Между выходной щелью монохроматора и регистрирующим прибором располагают держатель для исследуемого образца. Величина тока регистрирующего прибора прямо пропорциональна интенсивности света, падающего на приемный элемент регистрирующего прибора.
Выполнение работы
Задание 1. Градуировка монохроматора
1. В качестве источника света установите на оптическую скамью ртутную лампу, подключите ее к блоку питания, включите и дайте ей прогреться.
25
2.Вместо выходной щели установите зрительную трубу для наблюдений линий спектра.
3.Вращая микрометрический винт с измерительным барабаном, совместите первую спектральную линию с указателем зрительной трубы и считайте значение φ с измерительного барабана 13. Занесите данные в табл. 3.1.
4.Начните измерения с фиолетовых линий и вращайте измерительный барабан только в сторону увеличения длины волны (прямой ход измерений). Вращая микрометрический винт с измерительным барабаном, совместите следующую ближайшую спектральную линию с указателем зрительной трубы и считайте значение φ с измерительного барабана 13. Занесите данные в табл. 3.1.
5.Повторяйте измерения по п. 4 до тех пор, пока не будут
измерены все линии спектра.
6. Повторите измерения по пп. 3–5 в обратном порядке, вращая микрометрический винт с измерительным барабаном от крайней красной линии в сторону уменьшения длины волны
(обратный ход измерений).
7.Вычислите среднее значение 
для каждой
спектральной линии и постройте градуировочный график зависимости λ = f(φ). График строится на миллиметровом листе формата А4. Допускается построение графика в программе Excel с мелкой сеткой делений.
Задание 2. Построение кривой пропускания
1.В качестве источника света установите на оптическую скамью лампу накаливания и включите ее.
2.Перед выходной щелью установите держатель образца
ирегистрирующий прибор.
3.Закройте затвор перед объективом коллиматора и
запишите показания фонового тока Iф1 в табл. 3.2. Повторите эту процедуру в конце измерений образца и запишите показания фонового тока Iф2 в табл. 3.2.
26
4. С помощью микрометрического винта с измерительным барабаном и градуировочной кривой установите нужную длину
волны и запишите в табл. 3.2 показания прибора I0* .
5.Вставьте образец (нейтральное стекло) в держатель и запишите в табл. 3.2 показания прибора I * .
6.Повторяйте измерения по пп. 4 и 5 в интервале от 400 до 700 нм с шагом 20 нм.
7.Рассчитайте интенсивности падающего I0 и прошедшего I пучков света по формулам:
|
I0 I0* Iф , |
I I * Iф . |
|
|
|
8. Определите |
коэффициент |
пропускания |
τ |
по |
|
формуле (3.1).
9.Постройте график зависимости τ = f(λ).
10.Выполните пп. 3 – 9 для образцов из ПММА и цветного стекла и запишите данные в табл. 3.3 и 3.4 соответственно.
11.Для нейтрального стекла, ПММА и цветного стекла постройте графики зависимости α = f(λ).
Результаты экспериментов
Таблица 3.1
Деле- |
|
Длины волн (нм) и цвет линий спектра ртути |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
491,6 |
|
|
|
|
|
||
ния |
404,7 |
407,8 |
|
546,0 |
576,9 |
579,0 |
623,4 |
690,7 |
||
435,8 |
голубо- |
|||||||||
бара- |
фиоле- |
фиоле- |
зеле- |
жел- |
жел- |
крас- |
крас- |
|||
бана |
товый |
товый |
синий |
вато- |
ный |
тый |
тый |
ный |
ный |
|
|
|
|
|
зеленый |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
φ+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
φ– |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Примечание: φ+ и φ– – прямой и обратный ход измерений.
27
Таблица 3.2
Нейтральное стекло
λ, нм |
φ, дел. |
I0* |
|
I * |
I0 |
|
I |
τ |
|
α |
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
420 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
440 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
….. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iф1 |
= ….. |
|
Iф2 = ….. |
|
Iф = (Iф1 + Iф2)/2 = ….. |
|
||||
Таблица 3.3
ПММА
λ, нм |
φ, дел. |
I0* |
|
I * |
I0 |
|
I |
τ |
|
α |
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
420 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
440 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
….. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iф1 = ….. |
|
Iф2 = ….. |
|
Iф = (Iф1 + Iф2)/2 = ….. |
|
|||||
Таблица 3.4
Цветное стекло
λ, нм |
φ, дел. |
I0* |
|
I * |
I0 |
|
I |
τ |
|
α |
400 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
420 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
440 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
….. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
700 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iф1 = ….. |
|
Iф2 = ….. |
|
Iф = (Iф1 + Iф2)/2 = ….. |
|
|||||
28
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО
МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ВЗВЕШИВАНИЯ
Цель работы |
Ознакомиться с методикой определения плот- |
ности тел произвольной формы. |
|
Приборы и |
Аналитические весы, набор разновесов, иссле- |
принадлежно- |
дуемые образцы. |
сти |
|
|
|
Краткие теоретические сведения
Плотность однородного тела определяется отношением массы тела к его объему:
|
m |
. |
(4.1) |
|
|||
|
V |
|
|
Масса тела m может быть определена очень точно с помощью взвешивания на аналитических весах (Δm ~ 0,001 г). Объем тела (особенно сложной формы) V определить с высокой точностью гораздо сложнее. Используя закон Архимеда, при гидростатическом взвешивании можно обойти эту сложность и исключить объем из расчета плотности.
Сущность метода гидростатического взвешивания
заключается в том, что взвешивание тела производят дважды: а) при первом взвешивании (на воздухе) фиксируется вес
тела Р1, который можно определить по формуле
P gV , |
(4.2) |
1 |
|
где ρ – плотность тела; g – ускорение свободного падения; V – объем тела;
29
б) при втором взвешивании (в воде с плотностью ρв) весы фиксируют разность двух сил Р2 (силы тяжести Р1 и силы Архимеда):
P P gV .
2 1 в
Комбинация выражений (4.2) и (4.3) расчета плотности тела:
|
|
P |
|
в P P . |
|||
|
|
1 |
|
1 |
2 |
|
|
(4.3)
дает формулу для
(4.4)
Гидростатическое взвешивание производят на аналитических весах (рис. 4.1.)
Рис. 4.1. Аналитические весы: А – фиксатор коромысла К;
Б– опорная стойка; В – регулировочные винты;
М– опоры подвеса чашек Ч; О и П – узел опоры коромысла;
Р– регулировочные гайки для уравновешивания коромысла;
С– стрелка; Ш – шкала
30