Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах. Порядок выполнения работы

Число дифракционных спектров ограничено и определяется условием

sinΘ =m/d1. (4)

Из (4) следует, что чем больше постоянная решетки, тем большее число максимумов можно наблюдать, однако максимумы становятся в данном случае менее яркими.

Описание экспериментальной установки

В работе используется распространенная в лабораторной практике решетка, представляющая собой стеклянную пластинку, на которой с помощью делительной машины специальным алмазным резцом нанесен ряд параллельных штрихов.

Для измерения угла отклонения применяется гониометр, схема которого представлена на рисунке 3.

Гониометр состоит из зрительной трубы Т, коллиматора К, столика С, лимба Е, нониуса Н. Коллиматор служит для создания параллельного пучка света. Он состоит из наружного тубуса с объективом Об и внутреннего тубуса с входной щелью Щ устанавливаемой в фокальной плоскости объектива. Из коллиматора выходит плоская световая волна (параллельный пучок света) и падает на дифракционную решетку. Пучки света собираются объективом зрительной трубы и образуют в фокальной плоскости действительное изображение щели коллиматора. В поле зрения окуляра одновременно видны крест нитей и действительное изображение щели (дифракционный максимум). Перемещая зрительную трубу, можно совместить крест нитей с любым из дифракционных максимумов. Источником исследуемого излучения является неоновая лампа.

Выполнение работы

При работе с дифракционной решеткой основной задачей является точное измерение углов, на которых наблюдаются максимумы для разных длин волн.

Приступая к выполнению работы, необходимо произвести юстировку гониометра. Для этого нужно:

1. Произвести установку зрительной трубы на бесконечность, т. е. на отчетливое видение удаленных предметов;

2. Источник света (неоновую лампу) расположить против щели коллиматора;

3. Установить зрительную трубу так, чтобы ее оптическая ось была продолжением оси коллиматора. Эта будет достигнуто тогда, когда вертикальная линия окуляра трубы будет находиться посередине изображения щели;

4. Поместить решетку на столике таким образом, чтобы нить окуляра была посередине центральной наиболее яркой полосы (спектра нулевого порядка). Чтобы получить хорошие спектры решетка должна быть установлена перпендикулярно пучку лучей так, чтобы ее штрихи шли параллельно щели коллиматора.

Дифракционная решетка с известным периодом может быть использована для измерения длин волн. При выполнении работы решетка остается неподвижной, а зрительная труба поворачивается так, чтобы изображение исследуемой спектральной линии совпало с нитью окуляра.

Длину волны определяют из формулы решетки
. Здесь d=0,01мм; m- порядок спектра или номер максимума. Это уравнение является основной расчетной формулой для вычисления длин световых волн при помощи дифракционных решеток.

Измерение длины волны сводится к определению угла отклонения лучей от первоначального направления. Далее работа выполняется в следующем порядке.

1. Произвести отсчет положения нулевой линии n 0 . Для этого нить окуляра нужно совместить с серединой спектра нулевого порядка (центральной яркой полосой) и, с помощью кругового лимба и нониуса, определить значение n 0 .

2. Аналогично произвести отсчеты для красной, желтой и зеленой линий спектров 1 и 2 порядков, каждый раз совмещая нить окуляра с соответствующей линией. Измерения проводить в порядке, показанном на рисунке 4.

3. Результаты измерений занести в таблицу 1.

4. Если все отсчеты справа обозначить через , а слева – , то угол для одной и той же линии может быть подсчитан тремя способами (формулы приведены ниже):

.

Для зеленой линии, например I порядка, n 1 =n 1 , а n’ 1 =n 2 , для желтой линии I порядка n 1 =n 3 , n’ 1 =n 4 и т.д. (см. таблицу 1).

5. Зная угол, определить длину волны для каждой линии спектра.

Таблица 1.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие волны называются когерентными?

2. В чем заключается явление дифракции?

3. Сформулируйте принцип Гюйгенса-Френеля.

4. Какого типа дифракция наблюдается в работе?

5. Какого цвета линия в спектре 1-го и более высоких порядков будет ближайшей к центральному максимуму?

6. Чем будут отличаться дифракционные картины, полученные от решеток с различными постоянными, но с одинаковым числом штрихов?

7. Как изменится дифракционная картина, если закрыть часть решетки как на рисунке?

8. Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах?

9. Какова окраска нулевого максимума? Почему она такая?

10. Как изменится дифракционная картина, если изменить ширину щели, не меняя постоянную решетки?

ЛИТЕРАТУРА

1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т.3. Оптика. М.: Наука, 1985.- 752с.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М.: Наука, 1988.-496 c.

3. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Т.3-4. Излучение. Волны. Кванты. М.: Мир, 1977.- 496 с.

4. Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Наука, 1976.- 823 с.

5. Калитеевский Н. И. Волновая оптика. М.: Высшая школа, 1978.- 321с.

Лабораторная работа №4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА

Цель работы: экспериментальная проверка закона Малюса.

Приборы и принадлежности: полупроводниковый (GaAs) лазерный источник света, фотоприеменик, гальванометр, анализатор с нанесенной на него угловой разметкой (цена одного деления 1 о).

Теоретическая часть работы

С точки зрения электромагнитной теории свет представляет собой поперечные электромагнитные волны, в которых векторы напряженностей электрического E и магнитного H полей колеблются во взаимно перпендикулярных плоскоcтях. Электромагнитная волна (э/м) называется линейно поляризованной или плоскополяризованной, если электрический вектор E все время лежит в одной плоскости, в которой расположена также нормаль k к фронту волны (рис.1). Плоскость, которая содержит нормаль k к фронту, и в которой лежит электрический вектор Е э/м волны, называется плоскостью поляризации. Естественный свет не поляризован, он представляет собой совокупность световых волн, излучаемых множеством отдельных атомов, и векторы Е и Н колеблются беспорядочно во всех направлениях, перпендикулярных лучу. В естественном свете все направления колебаний вектора Е оказываются равновероятными. К естественному свету относятся дневной свет, свет лампы накаливания и др.

Для получения линейно поляризованного света на практике часто применяют поляроиды, изготовленные из кристаллов турмалина или геропатита. Каждый поляроид характеризуется оптической осью , которая представляет собой выделенное направление. Физический смысл выделенного направления в данном случае заключается в следующем. Пусть на поляроид перпендикулярно его плоскости, содержащей оптическую ось, падает свет. Электрический вектор Е э/м волны можно разложить на две составляющих. Эти составляющие всегда можно выбрать так, что одна из них, например, Е y будет параллельна оптической оси , а другая, назовем ее Е x , перпендикулярна . Если на поляроид направить естественный свет, то через поляроид пройдут только те э/м волны, электрические векторы E которых имеют составляющие Е y (параллельные оптической оси поляроида). При этом происходит поляризация естественного света.

Т.о. поляризация света при помощи поляроидов состоит в выделении из светового пучка колебаний определенного направления. Если на поляризатор падает естественный свет, интенсивность которого I ест, то интенсивность I прошедшего поляризованного света не зависит от ориентации поляризатора (его поворота вокруг луча) и равна половине интенсивности падающего естественного света:

Глаз человека не отличает поляризованный свет от естественного. Устройство, способное пропускать колеблющуюся только в определенной плоскости составляющую светового вектора Е, может также использоваться и для анализа поляризованного света; в этом случае оно называется анализатором. Если на анализатор падает частично поляризованный свет, то поворот анализатора вокруг луча сопровождается изменением интенсивности проходящего света от максимальной (плоскость анализатора совпадает с направлением уу) до минимальной.

Если плоскополяризованный свет падает на анализатор А (рис. 3), то будет пропущена составляющая

, (1)

где  - угол между плоскостью колебаний падающего света рр и плоскостью анализатора аа. Так как интенсивность света пропорциональна E 2 , то с учетом (1) получим:

где I - интенсивность света, вышедшего из анализатора, I о -интенсивность падающего света. Формула (2) выражает закон Малюса. При повороте анализатора вокруг луча можно найти такое его положение, при котором свет совсем сквозь него не проходит (интенсивность I становится равной нулю). Это надежный способ убедиться в том, что падающий свет полностью поляризован. Если естественный свет с интенсивностью I ест проходит последовательно сквозь поляризатор и анализатор, выходящий пучок имеет интенсивность.

При α=0 (плоскости поляризатора и анализатора параллельны) интенсивность  максимальна и равна . "Скрещенные" поляризатор и анализатор
свет не пропускают вовсе.

Может выполняться спектрофотомерией, фотоколориметрией и колориметрией. К оптическим методам относятся турбодиметрия и нефелометрия - анализ... , 1990. -480с. Васильєв В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 2. Физико – химические методы анализа: Учеб. для...

1. Поместить дифракционную решетку с периодом в рамку прибора и укрепите его на подставке.

2. Включить источник света. Смотря через дифракционную решетку, увидеть по обе стороны щитка на черном фоне заметные дифракционные спектры нескольких порядков. В случае наклонного положения спектров повернуть решетку на некоторый угол до устранения перекоса.

3. Установить шкалу на расстояние R от дифракционной решетки.

4. Вставить в рамку светофильтр, начиная с красного и по шкале щитка рассматриваемой через решетку, определить расстояние S от щели до наблюдаемых линий 1-го и 2-го порядка. Результаты измерений занести в таблицу 6.

5. Проделать п. 4 для лучей другого цвета вставляя в рамку остальные светофильтры.

6. Проделать пп. 4 – 5 три раза перемещая шкалу на расстояние R 10 – 15 см.

7. Определить длину световой волны по формуле (1) для всех цветов лучей и занести в таблицу 6. Вычислить среднюю арифметическую длину каждой световой волны.

Таблица 6. Длина световой волны различных цветов

Контрольные вопросы

1. В чем заключается принцип Гюйгенса-Френеля?

2. Какие волны называются когерентными?

3. Что называется дифракцией света? Как объясняется это явление?

4. Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах? Какова окраска нулевого максимума?

5. Чем отличаются дифракционные спектры, даваемые решетками с одинаковым количеством щелей, но с различными постоянными, и решетками с одинаковыми постоянными, но с различным количеством щелей?

6. Как изменится действие дифракционной решетки, если ее поместить в воду?

7. Как объяснить образование дифракционного спектра от одной щели на экране от лучей, прошедших через щель? От чего зависит распределение интенсивности в центре экрана?

8. Одномерная дифракционная решетка. Как объясняется образование дифракционной картины на экране? В каких точках наблюдаются максимумы интенсивности, в каких минимумы и почему?

9. Чем отличаются дифракционные картины при освещении решетки монохроматическим светом и белым светом? Как объяснить эти явления?

10. Что такое интерференция света? Участвует ли это явление при образовании дифракционного спектра на щели или решетке?

11. Белый свет падает нормально на одномерную дифракционную решетку, содержащую 100 щелей на 1 мм. Как распределится интенсивность света на экране? Сколько дополнительных минимумов между двумя главными максимумами образуется на экране? Каковы условия образования главных максимумов и главных минимумов?

12. Белый свет падает нормально на дифракционную решетку и на тонкую линзу большего диаметра. Как объяснить картины, образовавшиеся на экране при прохождении света через линзу и дифракционную решетку?

13. Каковы длины волн видимого света? Подвержены ли они дисперсии?

14. От чего зависит ширина полос дифракционного спектра? Что наблюдается на экране, если ширина щели намного больше длины волны l? Как объясняется это явление?

15. Что называется линейной и угловой дисперсией дифракционной решетки?

16. Что называется разрешающей силой дифракционной решетки?

17. Приведите пример дифракционных картин, получающихся для двух спектральных линий с помощью решеток, отличающихся разрешающей силой и линейной дисперсией.

Цель работы: изучение явления дифракции и определения длины волны света.

Теоретическая справка.

Дифракцией волн называется явление искажения волнового фронта при распространении волн в резко неоднородной среде. В частности, дифракция - это и захождение волн в область геометрической тени, и огибание препятствий, и рассеяние волн атомами кристаллической решетки, и целый ряд других явлений. При дифракции обязательно происходит суперпозиция рассеянных волн и, как правило, перераспределение энергии волны в пространстве, т.е. дифракция неотделима от интерференции.

Расчет дифракционной картины можно провести с помощью принципа Гюйгенса-Френеля: каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, огибающая которых дает положение волнового фронта в любой следующий момент времени, а результирующее колебание в любой точке перед волновым фронтом представляет собой суперпозицию колебаний, приходящих от всех точек волнового фронта.

Например, при дифракции плоской волны на щели (рис.1) волна рассеивается с разной интенсивностью во всех направлениях; линза собирает параллельные вторичные волны в одну точку экрана, находящегося в фокальной плоскости линзы, где они интерферируют. Используя метод зон Френеля, можно показать, что в направлениях, удовлетворяющих условию
(1)

где m = 1, 2, 3,...., интенсивность света будет минимальной.

Если же щель не одна, а N, то на каждой щели волна дифрагирует подобным же образом, и дифракционная картина является результатом интерференции N когерентных пучков.

Пусть плоская волна нормально падает на экран, в котором прорезано N параллельных щелей шириной а каждая. Расстояние между щелями b . Величина
называется периодом структуры.

Как видно из рис.2, разность хода между двумя соседними пучками
(2)

где  – угол дифракции. В тех точках экрана, куда все N пучков приходят в одной и той же фазе, они будут взаимно усиливаться, и в этих местах будут наблюдаться так называемые главные максимумы освещенности. Поэтому главным максимумам будут соответствовать такие углы дифракции, для которых разность хода равна целому числу длин волн, т.е.

, (3)

где m = 0, 1, 2, 3,....

Амплитуда колебаний в главных максимумах будет в N раз, а интенсивность (освещенность) в N 2 раз больше, чем от одной щели.

Изображенные на рис.2 маленькие побочные максимумы имеют интенсивность более чем в 20 раз меньшую, чем главные, и поэтому интереса не представляют. Следует помнить, что в направлениях, определяемых формулой (1), ни одна щель не посылает светового пучка, а, следовательно, и система щелей тоже. Но кроме этих дифракционных минимумов будет наблюдаться и множество других, разделенных побочными максимумами, но и они тоже существенного значения не имеют. При N>100 дифракционная картина состоит фактически из узких световых полос – главных максимумов, разделенных темными промежутками. Распределение интенсивности монохроматического света при освещении им системы из большого количества щелей качественно показано на рис.3.

Спектральный прибор, состоящий из стеклянной или металлической пластинки с нанесенными на ней штрихами и действующий по описанного выше принципу, называется дифракционной решеткой .

Формула (3) называется формулой дифракционной решетки. При освещении решетки белым или любым другим немонохроматическим светом происходит разложение его в спектр, т.к. каждой длине волны  соответствует определенное положение максимумов на экране. Например, дифракционная картина, наблюдаемая при освещении решетки белым светом, имеет вид, показанный на рис.4.

Лучшие современные решетки имеют 1200 штрихов на миллиметр, т.е.
мкм, при общем числе щелей (штрихов) N=200000. Длина такой решетки 20 см, а длина видимого спектра около 70 см, причем наблюдается только первый порядок.

Дифракционные решетки применяются для изучения спектров.

Схема установки

У
становка для наблюдения дифракционной картины состоит из деревянной рейки, на которой укреплена дифракционная решётка ДР. По рейке перемещается щиток Щ с узкой щелью и линейкой с миллиметровой шкалой. Роль линзы выполняет хрусталик глаза ХР. Изображение щели образуется на сетчатке глаза СГ и наблюдается на фоне миллиметровой шкалы. Размерами глазного яблока и расстоянием от глаз до решётки можно пренебречь по сравнению с расстоянием от щели до решётки L. Щель освещается электрической лампочкой Л. Если смотреть на освещённую светом щель через дифракционную решётку, то кроме центрального Ц изображения щели в белом свете по обе стороны видны её симметричные радужные изображения РИ (спектры). Угол дифракции определяется по положению дифракционного максимума на миллиметровой шкале.

Из геометрических построений ясно, что
, где l – расстояние от центрального изображения щели (m = 0) до одного из боковых изображений; L– расстояние от решётки до щели. Учитывая, что
для малых углов дифракции, получим

(4)

Используя формулы (3) и (4), получим выражение для вычисления длины волны λ, в котором все величины легко измеряются на установке:
(5)

Порядок выполнения работы

1. Включите установку в сеть.

2. Приблизив глаз к дифракционной решётке, направьте прибор на источник света так, чтобы были видны по обе стороны от щели на щитке дифракционные спектры 1-го и 2-го порядков.

3. Замерьте расстояние L – от щитка до дифракционной решётке.

4. Замерьте расстояние l – от середины центрального максимума до середины максимума первого порядка синего цвета.

5. По формуле (5) вычислите длину волны синего цвета.

6. Опыт проделайте для второго порядка синего цвета. Полученные данные занесите в таблицу.

7. Аналогичные измерения проведите для желтого, зеленого и красного цветов по указанию преподавателя.

8. Рассчитайте отклонение от среднего
и занесите в таблицу.

Контрольные вопросы.

1. Что такое дифракция? В каких конкретных явлениях она проявляется?

2. Как формулируется принцип Гюйгенса-Френеля?

3. Что такое главные максимумы? Как они возникают?

4. Что такое дифракционные минимумы? Какова их природа?

5. Что происходит с дифракционной картиной при увеличении числа щелей N? (Пояснить графически).

6. Что такое дифракционная решетка? Как она изготавливается?

7. как записать и объяснить формулу главных максимумов (формулу дифракционной решетки)?

8. Какая картина наблюдается на экране при освещении решетки белым светом, светом ртутной лампы?

9. Начиная с какого порядка m перекрываются дифракционные спектры видимого света?

10. Какова роль линзы зрительной трубы в образовании дифракционной картины? Можно ли линзу заменить глазом?

11. На каком расстоянии от линзы зрительной трубы следует установить экран для наблюдения дифракционной картины?

12. Какое применение имеет дифракция в науке и технике?

13. Объясните возникновение белой полосы в центре дифракционной картины при освещении белым светом.

14. Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах?

Литература.

1. Савельев И.В. Курс физики. Т.2 - М., Наука, 1989. Пар. 90,91,93,94.

2. Бутиков Е.И. Оптика. - М.5 Высшая школа, 1986. Пар. 6.1, 6.3,6.5.

Лабораторная работа № 33

1. В чем заключается принцип Гюйгенса-Френеля?

2. Какие волны называются когерентными?

3. Что называется дифракцией света? Как объясняется это явление?

4. Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах? Какова окраска нулевого максимума?

5. Чем отличаются дифракционные спектры, даваемые решетками с одинаковым количеством щелей, но с различными постоянными, и решетками с одинаковыми постоянными, но с различным количеством щелей?

6. Как изменится действие дифракционной решетки, если ее поместить в воду?

7. Как объяснить образование дифракционного спектра от одной щели на экране от лучей, прошедших через щель? От чего зависит распределение интенсивности в центре экрана?

8. Одномерная дифракционная решетка. Как объясняется образование дифракционной картины на экране? В каких точках наблюдаются максимумы интенсивности, в каких минимумы и почему?

9. Чем отличаются дифракционные картины при освещении решетки монохроматическим светом и белым светом? Как объяснить эти явления?

10. Что такое интерференция света? Участвует ли это явление при образовании дифракционного спектра на щели или решетке?

11. Белый свет падает нормально на одномерную дифракционную решетку, содержащую 100 щелей на 1 мм. Как распределится интенсивность света на экране? Сколько дополнительных минимумов между двумя главными максимумами образуется на экране? Каковы условия образования главных максимумов и главных минимумов?

12. Белый свет падает нормально на дифракционную решетку и на тонкую линзу большего диаметра. Как объяснить картины, образовавшиеся на экране при прохождении света через линзу и дифракционную решетку?

13. Каковы длины волн видимого света? Подвержены ли они дисперсии ?

14. От чего зависит ширина полос дифракционного спектра? Что наблюдается на экране, если ширина щели намного больше длины волны l? Как объясняется это явление?

15. Что называется линейной и угловой дисперсией дифракционной решетки?

16. Что называется разрешающей силой дифракционной решетки?

17. Приведите пример дифракционных картин, получающихся для двух спектральных линий с помощью решеток, отличающихся разрешающей силой и линейной дисперсией.

Лабораторная работа № 4

Исследование вольт-амперных характеристик фотоэлемента

4.1. Цели и задачи работы

Цели работы:

– Ознакомление студентов с изучением законов внешнего фотоэффекта.

Задачи работы:

– Исследование вольт-амперных характеристик фотоэлемента.

– Определение погрешности измерений.

4.2. Теоретическая часть

4.2.1. Фотоэффект

Большое число современных промышленных и лабораторных установок для измерения, контроля и регулирования различных физических и технологических процессов основаны на применении чувствительных к свету элементов – фотоэлементов.

В фотоэлементах используются электрические явления, возникающие в металлах и полупроводниках под действием падающего на их поверхность света. Эти явления носят название фотоэффекта и заключаются в том, что электроны, находящиеся внутри проводника, получают дополнительную энергию от светового потока.

В настоящее время известны три вида фотоэффекта:

1. Внешний фотоэффект, представляет собой фотоэлектронную эмиссию с поверхности металлов.

2. Внутренний фотоэффект, заключающийся в изменении электрического сопротивления некоторых полупроводников под действием света.

3. Вентильный фотоэффект, в результате которого возникает разность потенциалов между слоями двух веществ с различной природой электропроводности.

Соответственно названным трем видам фотоэффекта различают три типа фотоэлементов: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотосопротивления с внутренним фотоэффектом и вентильные фотоэлементы.

В 1890 году были сформулированы три закона для внешнего фотоэффекта:

1. При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, испускаемых фотокатодом в единицу времени, пропорционально интенсивности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности катода).

2. Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой n.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности) – минимальная частота света, ниже которой фотоэффект невозможен.

Для объяснения механизма фотоэффекта Эйнштейн предположил, что свет частотой n не только испускается отдельными квантами (согласно гипотезе Планка), но и распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями (квантами), энергия которых .

Кванты электромагнитного излучения, движущиеся со скоростью света с в вакууме , называются фотонами.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода из металла и на сообщение вылетевшему электрону кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта:

.

Это уравнение объясняет зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света. Предельная частота (или длина волны ), при которой кинетическая энергия фотоэлектронов становится равной нулю, и есть красная граница фотоэффекта.

Существует и другая форма записи уравнения Эйнштейна для фотоэффекта:

.

4.2.2. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой диод, у которого электронная эмиссия с катода возникает под действием падающего на него светового потока.

Устройство фотоэлемента показано на рис. 10. В стеклянном герметически закрытом баллоне расположены два электрода – катод 1 и анод 2. Фотокатод выполняется путем нанесения светочувствительного материала на внутренней поверхности стеклянной колбы фотоэлемента так, чтобы светочувствительный слой был обращен внутрь колбы. В качестве светочувствительного материала чаще всего применяется цезий. Анод фотоэлемента выполняется в виде небольшого кольца (или сетки), которое укрепляется на ножке в цоколе. При такой форме анод не мешает лучам света попадать на катод.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом изготавливаются двух типов: вакуумные и газонаполненные. У вакуумных фотоэлементов воздух откачивается до глубокого вакуума. У газонаполненных – после откачки воздуха колба заполняется инертным газом (аргоном, гелием) до давления порядка 0.01 – 1 мм. рт. ст.

Для исследования зависимости силы фототока от освещенности и напряжения на электродах, собирается схема, показанная на рис. 11. Фотоэлемент показан в удобном для представления виде. Освещенность катода изменяется изменением расстояния между и фотоэлементом. При увеличении расстояния источника света, освещенность изменяется по закону:

где J – сила света источника, r – расстояние между источником света и фотоэлементом.

При приближении к источнику освещенность увеличивается по закону:

откуда для различных значений кратности освещенностей E , 2E , 3E , … расстояние между источником света и фотоэлементом будет равна ….

4.3. Приборы и принадлежности :

– Прибор лабораторный – 1 шт.

– Провода – 2 шт.

– Источник питания – 1 шт.

4.4. Порядок выполнения работы

1. Подключить источник питания к прибору. Включить источник питания, прибор и фотоэлемент при помощи переключателей.

2. Установить источник света на расстоянии r от фотоэлемента.

3. Измерить силу фототока, изменяя напряжение от 0 В до 7 В с интервалом 1 В.

4. Повторить п. 3 для расстояний от источника света до фотоэлемента равными , https://pandia.ru/text/78/242/images/image069_4.gif" width="17" height="53 src=">. Результаты измерений занести в таблицу 7.

5. По числовым данным таблицы построить на одном графике зависимости силы фототока от напряжения при различных освещенностях.

Таблица 7. Вольт-амперные характеристики фотоэлемента

4.5. Контрольные вопросы

1. Как устроен фотоэлемент с внешним фотоэффектом?

2. Сформулируйте законы фотоэффекта.

3. Что называют током насыщения фотоэлемента?

4. При какой частоте падающего света наблюдается фотоэффект? Что такое красная граница фотоэффекта?

5. Почему с увеличением фотоосвещенности увеличивается фототок при одном и том же напряжении на контактах фотоэлемента?

6. По какому закону увеличивается освещенность фотоэлемента при его приближении к источнику света?

7. Как объясняется увеличение фототока при повышении напряжения на контактах фотоэлемента при неизменном освещении?

8. Изобразите схематично фотоэлемент с внешним фотоэффектом, назовите его элементы и объясните принцип работы

9. По построенной вольт-амперной характеристике фотоэлемента поясните понятие области насыщения.

10. Как зависит выходной ток от освещенности фотоэлемента? Объясните эту зависимость.

11. Как формулируются законы внешнего фотоэффекта?

12. Подтверждаются ли в данной работе законы фотоэффекта?

13. Запишите формулу Эйнштейна для внешнего фотоэффекта и проанализируйте ее. Какие составляющие формулы Эйнштейна подтверждаются выполненной лабораторной работой?

14. Какое напряжение называется зажигающим, от чего оно зависит?

Лабораторная работа № 5

Изучение поляризации света

5.1. Цели и задачи работы

Цели работы:

– Ознакомление студентов с явлением поляризации света.

Задачи работы:

– Определить показатель преломления стекла при помощи угла Брюстера.

– Экспериментально проверить справедливость закона Малюса.

– Определить закономерности при наблюдении двойного лучепреломления на кристалле исландского шпата.

5.2. Теоретическая часть

5.2.1. Поляризация света

Как известно, плоская электромагнитная световая волна является поперечной и представляет собой распространение взаимно перпендикулярных колебаний: вектора напряженности электрического поля и вектора напряженности магнитного поля (рис. 12, а)..gif" width="24" height="25 src="> подразумевается.

Световой пучок, в котором различные направления вектора в поперечной к направлению распространения волны плоскости равновероятны, называется естественным. В естественном свете колебания различных направлений быстро и беспорядочно сменяют друг друга (рис. 12, б).

Свет, в котором направления колебаний вектора упорядочены каким-либо образом и подчиняются некоторой закономерности, называется поляризованным..gif" width="20" height="25"> совершаются так, что его конец описывает круг или эллипс, то свет называется соответственно поляризованным по кругу или эллиптически поляризованным (рис. 13, б , в ). При линейной поляризации плоскость, содержащая луч и вектор , называется плоскостью колебаний или плоскостью поляризации волны.

Для получения линейно поляризованного света применяются специальные оптические приспособления – поляризаторы. Плоскость колебаний электрического вектора в волне, прошедшей через поляризатор, называется плоскостью поляризатора.

Всякий поляризатор может быть использован для исследования поляризованного света, т. е. в качестве анализатора. В этом случае плоскость колебаний прошедшего света будет совпадать с плоскостью анализатора. Интенсивность I линейно поляризованного света после прохождения через анализатор зависит от угла a, образованного плоскостью колебаний падающего на анализатор луча с плоскостью анализатора, соответственно закону Малюса

,

где https://pandia.ru/text/78/242/images/image070_2.gif" width="20" height="25">, перпендикулярным плоскости падения, черточки – колебаниям в плоскости падения. Степень поляризации отраженного луча зависит от относительного показателя преломления и от угла падения i . При падении луча на плоскость М N под углом Брюстера отраженный луч полностью поляризован. Преломленный луч поляризован частично. Соотношение

называется законом Брюстера. Плоскость колебаний электрического вектора в отраженном свете перпендикулярна плоскости падения (рис. 14).

Поскольку отраженный от диэлектрической пластинки свет частично (или даже полностью) поляризован, проходящий свет также частично поляризуется и становится смешанным светом. Преимущественные колебания электрического вектора в прошедшем свете будут совершаться в плоскости падения. Максимальная, но не полная поляризация проходящего света достигается при падении под углом Брюстера. Для увеличения степени поляризации проходящего света используют стопу стеклянных пластинок, расположенных под углом Брюстера к падающему свету. В этом случае можно получить практически полностью поляризованный проходящий свет, так как каждое отражение ослабляет пропущенные колебания, перпендикулярные плоскости падения в определенном отношении.

5.2.3. Преломление света в двояковыпуклых кристаллах

Некоторые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления. Преломляясь в таком кристалле, световой луч разделяется на два линейно поляризованных луча с взаимно перпендикулярными направлениями колебаний. Один из лучей называется обыкновенным и обозначается буквой о , второй - необыкновенным и обозначается буквой е .

Обыкновенный луч удовлетворяет обычному закону преломления и лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью. Для необыкновенного луча отношение синусов углов падения и преломления не остается постоянным при изменении угла падения. Кроме того, необыкновенный луч, как правило, не лежит в плоскости падения и отклоняется от луча о даже при нормальном падении света.

Отклоняя один из лучей в сторону, можно получить плоскополяризованный луч. Так устроена, например, поляризационная призма Николя (рис. 15). Две естественные грани кристалла исландского шпата срезаются так, чтобы уменьшить угол между поверхностями до 68°. Затем кристалл распиливается на две части по плоскости BD под углом 90° к новым граням. После полировки поверхности распила склеиваются канадским бальзамом , имеющим показатель преломления удовлетворяющий условию , где и показатели преломления исландского шпата для обыкновенного и необыкновенного лучей.

Падая под углом, большим предельного, на плоскость BD , обыкновенный луч претерпевает полное внутреннее отражение на границе шпат-бальзам..gif" width="77 height=32" height="32">.gif" width="76" height="32 src=">, измерять величину освещенности. Построить график и сделать вывод.

https://pandia.ru/text/78/242/images/image089.jpg" width="406" height="223 src=">

Теперь вместо диапозитива с кристаллическими пластинами устанавливаются модели №1 (балка) и №2 (пластина). До установки моделей на пути световых лучей нужно поляризатор и анализатор установить на полное гашение света (плоскости пропускания П-П и А-А перпендикулярны). Закрепить в держателе модель 1 (с предварительно ослабленным зажимным винтом) и получить ее изображение на экране. Затем зажать модель винтом и проследить за изменениями в изображении на экране. Модель №2 (в держателе не закрепится) испытывается на изгиб аналогичным образом. Сделать необходимые рисунки и выводы по заданию.

Задание 3. Исследование явления двойного лучепреломления.

https://pandia.ru/text/78/242/images/image091_0.jpg" width="414" height="139 src=">

Установить плоскопараллельную стеклянную пластину на поворотном столике. Шкалу столика установить на нуль. Закрепить в одном из держателей съемную щель и с помощью имеющейся на щели пружины установить матовое стекло.

Теперь необходимо добиться, чтобы поверхность стеклянной пластины была перпендикулярна световому пучку (угол падения лучей тогда будет равен нулю). Для этого, глядя сверху со стороны щели и поворачивая предметный столик (не шкалу!) нужно добиться, чтобы щель, центр столика и изображение щели лежали на одной прямой. Затем, поворачивая пластину (не столик!) по часовой стрелке, исследовать отраженный свет на линейную поляризованность с помощью съемного поляроида (при этом глаз, центр столика и изображение щели должны быть на одной прямой!). При достижении некоторого предельного угла Х отраженный свет будет почти полностью гаситься поляроидом. Записать это значение угла. Сняв стеклянную пластину с поворотного столика, определите ее показатель преломления n. После этого нужно сопоставить с показателем преломления n и сделать выводы.

Контрольные вопросы

Какой свет называется поляризованным?

Выведите и объясните закон Малюса.

В чем состоит явление двойного лучепреломления?

Пластинки в полволны и в четверть волны.

Принцип действия призмы Николя.

Интерференция линейно поляризованных лучей.

Получить и проанализировать формулы Френеля.

Как Вы наблюдали внутреннее напряжение при растяжении и сжатии твердых тел? Как оно проявилось?

В чем заключается явление двойного лучепреломления, в каких веществах оно существует, как Вы наблюдали двойное лучепреломление в работе?

Что Вы наблюдали, когда поворачивали образец с многослойными кругами пленок, укрепленной между поляроидами? Объяснить свои наблюдения.