аблица 2. Определение сопротивления лампы. 3 страница

2.Установите аналогичным образом фокусное расстояние окуляра F2 и запишите эти значения в табл. 2.

4. С помощью миллиметровой линейки измерьте расстояния d1, d2, f1, f2 и запишите их в таблицу 2.

5. По формулам (6) и (7) и (8) рассчитайте kоб, kок и Г и запишите эти значения в табл. 2.

4.Рассчитайте по формуле (9) теоретическое значение оптического интервала Dт по параметрам, указанным в нижней части окна.

6.Определите масштаб шкалы окна оптической схемы микроскопа. Для этого измерьте с помощью миллиметровой линейки на экране монитора фокусное расстояние F1 и сопоставьте его со значением, указанным в левом нижнем прямоугольнике окна оптической схемы.

7.Измерьте с помощью миллиметровой линейки на экране монитора оптический интервал микроскопа, приведите его в соответствие с масштабом шкалы окна и запишите полученное значение интервала в табл. 2 (графа Dэ).

8.Сопоставьте полученные экспериментальные значения оптического интервала и увеличения микроскопа с указанными в окошке опыта значениями и сделайте анализ опыта.

9. Сделайте оценку погрешности измерений.

ТАБЛИЦА 1.

 

Бригада
F1 мм
F2 мм

 

ТАБЛИЦА 2.

 

 

F1 мм	F2 мм	d1 мм	d2 мм	f1 мм	f2 мм	kоб	kок	Г	∆э мм

 

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Что называется линзой?

2. Какая линза называется тонкой?

3. Что такое главная и побочная оптические оси?

4. Что называется фокусом линзы?

5. Как можно построить изображение произвольной точки в любой линзе?

6. Можно ли с помощью рассеивающей линзы получить увеличенное изображение?

7. Можно ли с помощью собирающей линзы получить уменьшенное изображение предмета?

8. Сформулируйте принцип Ферма.

9. Что называется оптической силой линзы, в каких единицах эта сила измеряется?

10. Запишите формулу тонкой линзы.

11. Назовите аберрации оптических систем.

12. Постройте ход лучей в микроскопе, зрительной трубе Кеплера и фотоаппарате.

13. Какая оптическая система называется телескопической?

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.11

 

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА ОТ ОДНОЙ ЩЕЛИ

 

 

Ознакомьтесь с теорией в конспекте лекций и в учебниках: 1.Трофимова Т.И. Курс физики. § 179; 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Гл. 32, § 32.3.

Запустите программы: «Оптика» и «Дифракция света». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте и запишите краткие теоретические сведения в свой конспект.

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

· Знакомство со схемой дифракции Фраунгофера от одной щели в когерентном свете.

· Определение углов дифракции в параллельных лучах.

 

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Дифракция Фраунгофера наблюдается в том случае, когда источник света и точка наблюдения бесконечно удалены от препятствия, вызвавшего дифракцию. Схема наблюдения дифракции Фраунгофера от одной щели показана на рис. 1.

3

а₂

а₁

 

 

L

 

 

ис. 1.

 

 

Параллельный монохроматический пучок света 1 падает нормально на щель 2, длина которой много больше её ширины d. Согласно принципу Гюйгенса, каждая точка плоскости щели, до которой дошло световое колебание, становится источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны под углами дифракции j₁, j₂,…, т.е. свет дифрагирует при прохождении через щель. Дифрагированные пучки являются когерентными и могут интерферировать при наложении. Результат интерференции в виде полос с периодическим распределением интенсивности наблюдается на экране 3, находящемся на расстоянии L. Условие дифракционного максимума на основе метода зон Френеля определяется формулой

d sin j = ± (2m +1) (m = 1,2,…).

Более точный расчёт интерференционной картины от одной щели даёт следующие формулы, определяющие углы дифракции, соответствующие дифракционным максимумам:

первого порядка d sin j₁ = ± 1,43l;

второго порядка d sin j₂ = ± 2,46l; (1)

третьего порядка d sin j₃ = ± 3,47l.

Из этих формул, зная ширину щели d и длину волны света l, можно теоретически рассчитать направления на точки экрана, в которых амплитуда, а, следовательно, и интенсивность света максимальна. Аналогичные расчеты можно сделать из экспериментальных данных по измеренным на опыте значениям а₁, а₂, и а₃ и заданному расстоянию между щелью и экраном L:

(для малых углов допускаем: sin a» tg a). Тогда:

 

sin j ₁» ; sin » ; sinj₃ . (2)

 

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Закройте окно теории. Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все регуляторы и другие элементы эксперимента и зарисуйте их в конспект. Получите у преподавателя допуск для выполнения лабораторной работы.

 

ИЗМЕРЕНИЯ:

1. Подведите маркер мыши к движку регулятора вблизи картинки спектра, нажмите левую кнопку мыши и, удерживая её в нажатом состоянии, двигайте движок до установки значения длины волны l₁, взятого из таблицы 1 для вашей бригады.

 

2. Аналогичным образом, зацепив мышью движок регулятора расстояния между щелями, установите минимальное расстояние d = 2 мм. Измерьте, используя шкалу на экране, расстояние а₁ между нулевым и первым максимумами, а₂ – между нулевым и вторым максимумами и т. д., до четвёртого максимума. Запишите эти значения в таблицу 2. Увеличивая d на 0,5 мм, проведите эти измерения ещё 4 раза.

 

3. Согласно таблице 1,устанавливая новые числовые значения длины волны l для вашей бригады, повторите измерения по п.2, записывая результаты измерения в таблицы 3,4,5.

 

 

ТАБЛИЦА 1. Значения длины волны l(в нм)

 

Бригада
l1	400	405	410	415	420	425	430	435
l2	500	505	510	515	520	525	530	540
l3	580	585	590	595	600	605	610	615
l4	630	635	640	645	650	655	660	665

 

 

ТАБЛИЦЫ 2-5 Результаты измерений при l = ______нм

 

 

d, мм	2,0	2,5	3,0	3,5	4,0
а1, мм
а2, мм
а3, мм
а4, мм
sin j1´103
sin j2´103
sin j3´103
sin j4´103

 

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА:

1.Измерьте по шкале экрана и внесите в таблицы значения а₁, а₂, а₃, а₄.

2. Рассчитайте по формулам (2) и внесите в таблицы значения синусов углов дифракции.

3. Сравните полученные результаты с теоретическими, рассчитанными по формулам (1).

4. Оцените абсолютную ошибку измерений углов дифракции.

5. Проведите качественные наблюдения изменения дифракционной картины при увеличении размера щели от минимального до его максимального значения при неизменной длине волны и запишите результаты этих наблюдений в свой отчёт.

 

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Что называется дифракцией Фраунгофера?

2. Что называется дифракцией Френеля?

3. Что такое световая волна?

4. Что такое зона Френеля?

5. Что такое пятно Пуассона и почему оно возникает?

6. Запишите условия максимумов и минимумов при дифракции Френеля и дифракции Фраунгофера.

7. Решите задачу, предложенную в работе под знаком вопроса в верхней части экрана.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.12

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ С ПОМОЩЬЮ КОЛЕЦ НЬЮТОНА

 

 

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и в учебниках: 1. Трофимова Т.И. Курс физики. Гл. 22, §174; 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Гл. 31,§ 31.3. Запустите программу «Открытая физика 1.1». Выберите «Оптика» и «Кольца Ньютона». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ стр.5 еще раз).

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

· Знакомство с моделированием явления интерференции света в тонких плёнках.

· Изучение интерференции полос равной толщины в схеме колец Ньютона.

· Определение радиуса кривизны линзы.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

Классическим примером полос равной толщины являются кольца Ньютона. Они наблюдаются при отражении света от воздушного зазора, образованного плоскопараллельной пластинкой и соприкасающейся с ней плосковыпуклой линзой с большим радиусом кривизны (рис.1).

Рис.1

 

Если на линзу падает пучок монохроматического света, то световые волны, отражённые от верхней и нижней поверхностей воздушной прослойки, будут интерферировать между собой. При этом образуются интерференционные полосы, имеющие форму концентрических светлых и тёмных колец, убывающей ширины.

В отражённом свете оптическая разность хода с учётом потери полуволны будет равна

, (1)

где d- толщина воздушного зазора. Из рис.1 следует, что

. (2)

Учитывая, что d² является величиной второго порядка малости, то из (2) получим . (3)

Следовательно,

. (4)

В точках, для которых оптическая разность хода равна

, (5)

возникают тёмные кольца. Из формул (4) и (5) радиус k-ого тёмного кольца будет равен

(6)

Формула (6) позволяет определить радиус кривизны линзы

.

Вследствие деформации стекла, а также наличия на стекле пылинок невозможно добиться плотного примыкания линзы и пластины в одной точке. Поэтому при определении радиуса кривизны линзы пользуются другой формулой, в которую входит комбинация из двух значений радиусов интерференционных колец r_m и r_n, что позволяет исключить возможный зазор в точке контакта линзы и стеклянной пластины:

. (7)

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

1. Внимательно рассмотрите окно опыта, показанное на рисунке 2, и зарисуйте необходимое в свой конспект лабораторной работы.

2. Зацепите мышью движок регулятора длины волны монохроматического света и установите первое значение длины волны из таблицы 1 для вашей бригады. Аналогичным образом установите первое значение радиуса кривизны линзы R.

ВНИМАНИЕ! Цель работы - проверить соответствие установочного значения радиуса кривизны линзы и рассчитанного по формуле (7).

Рис.2

 

3. По формуле и указанному значению r ₁ в правом нижнем прямоугольнике окна опыта рассчитайте значения радиусов 3, 4, 5 и 6-ого тёмных колец Ньютона и запишите эти значения в таблицу 2.

4. По формуле (7) для m₁ = 3 и n₁ = 5 и m₂ = 4 и n₂ = 6 рассчитайте радиусы кривизны линзы R^*₁ и R^*₂ и запишите эти значения в табл.2.

5. Установите мышью вторые значения радиуса кривизны линзы и длины волны из таблицы 1 и выполните измерения п.п. 3 и 4.

6. Проанализируйте полученные результаты и оцените погрешность проведённых измерений.

 

 

Таблица 1. Значения длины волны и радиуса кривизны линзы.

 

Бригады	l1, нм	l2, нм	R1, см	R2, см
1,5
2,6
3,7
4,8

 

Таблица 2. Результаты измерений и расчетов.

l1= _____ R1 = _____	l2 = ____ R2 = _____
r3	r5	r4	r6	r3	r5	r4	r6
=	=	=	=

 

 

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Что такое полосы равной толщины и равного наклона? Где они локализованы?

2. Проведите расчёт интерференционной картины в тонкой плёнке.

3. Что называется временем когерентности немонохроматической волны?

4. Что называется длиной когерентности?

5. Почему для немонохроматического света число видимых интерференционных колец будет ограниченным? От чего будет зависеть это число?

6. Объясните, почему расстояние между кольцами изменяется с изменением радиуса кривизны линзы при неизменной длине волны?

7. Как изменится картина колец Ньютона, если воздушный зазор между линзой и пластиной заполнить водой?

8. Почему в отражённом свете в центре наблюдается тёмное кольцо?

9. Как изменится картина колец Ньютона, если наблюдение проводить в проходящем свете?

10. Почему масляное пятно на поверхности жидкости имеет радужную окраску?

11. Объясните, как явление интерференции света в тонких плёнках используется для просветления оптики?

 

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.13

 

ИССЛЕДОВНИЕ ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ И К.П.Д. ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ

 

Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебниках: 1. Трофимова Т.И. Курс физики. Гл. 12, §99. 2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Гл. 19, §19.2.Запустите программу «Электричество и магнетизм». Выберите: «Цепи постоянного тока». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ стр.5 еще раз).

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

· Знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока.

· Исследование зависимости мощности и к.п.д. источника постоянного тока от сопротивления внешней цепи.

 

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ:

, (1)

I- сила тока в цепи; Е- электродвижущая сила источника тока, включённого в цепь; R- сопротивление внешней цепи; r- внутреннее сопротивление источника тока.

 

МОЩНОСТЬ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ ВО ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ:

. (2)

Из формулы (2) видно, что при коротком замыкании цепи (R ®0) и при R ® эта мощность равна нулю. При всех других конечных значениях R мощность Р ₁> 0. Следовательно, функция Р ₁ имеет максимум. Значение R ₀, соответствующее максимальной мощности, можно получить, дифференцируя Р₁ по R и приравнивая первую производную к нулю:

. (3)

Из формулы (3), с учётом того, что R и r всегда положительны, а Е ¹ 0, после несложных алгебраических преобразований получим:

R₀ = r. (4)

Следовательно, мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения при сопротивлении внешней цепи равном внутреннему сопротивлению источника тока.

При этом сила тока в цепи (5)

равна половине тока короткого замыкания. При этом мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает своего максимального значения, равного

. (6)

Когда источник замкнут на внешнее сопротивление, то ток протекает и внутри источника и при этом на внутреннем сопротивлении источника выделяется некоторое количество тепла. Мощность, затрачиваемая на выделение этого тепла равна

. (7)

Следовательно, полная мощность, выделяемая во всей цепи, определится формулой

= I² (R+r) = IE (8)

 

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ источника тока равен

. (9)

Из формулы (8) следует, что

, (10)

т.е. Р ₁ изменяется с изменением силы тока в цепи по параболическому закону и принимает нулевые значения при I = 0 и при . Первое значение соответствует разомкнутой цепи (R>> r), второе – короткому замыканию (R<< r). Зависимость к.п.д. от силы тока в цепи с учётом формул (8), (9), (10) примет вид

(11)

Таким образом, к.п.д. достигает наибольшего значения h =1 в случае разомкнутой цепи (I = 0), а затем уменьшается по линейному закону, обращаясь в нуль при коротком замыкании.

Зависимость мощностей Р₁, Р_полн = EI и к.п.д. источника тока от силы тока в цепи показаны на рис.1.

 

Рис.1. I ₀ E/r

 

Из графиков видно, что получить одновременно полезную мощность и к.п.д. невозможно. Когда мощность, выделяемая на внешнем участке цепи Р₁, достигает наибольшего значения, к.п.д. в этот момент равен 50%.

 

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

Рис. 2.

Соберите на экране цепь, показанную на рис. 2. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен источник э.д.с.

Разместите далее последовательно с источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку в нижней части экрана) и амперметр (кнопка там же). Затем расположите аналогичным образом резисторы нагрузки и вольтметр , измеряющий напряжение на нагрузке.

Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в местах рабочей зоны экрана, где должны находиться соединительные провода.

 

4. Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой . Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, обозначенное в таблице 1 для вашей бригады.

 

 

Таблица 1. Исходные параметры электрической цепи

 

Номер бригады
Е, В	10,0	9,5	9,0	8,5	8,0	8,5	9,0	9,5
r, Ом	4,8	5,7	6,6	7,5	6,4	7,3	8,2	9,1

 

 

5. Установите сопротивление внешней цепи 2 Ом, нажмите кнопку «Счёт» и запишите показания электроизмерительных приборов в соответствующие строки таблицы 2.

6. Последовательно увеличивайте с помощью движка регулятора сопротивление внешней цепи на 0,5 Ом от 2 Ом до 20 Ом и, нажимая кнопку «Счёт», записывайте показания электроизмерительных приборов в таблицу 2.

7. Вычислите по формулам (2), (7), (8), (9) Р₁, Р₂, Р_полн и h для каждой пары показаний вольтметра и амперметра и запишите рассчитанные значения в табл.2.

8. Постройте на одном листе миллиметровой бумаге графики зависимости P₁ = f(R), P₂ = f(R), P_полн=f(R), h = f (R) и U = f(R).

9. Рассчитайте погрешности измерений и сделайте выводы по результатам проведённых опытов.

 

Таблица 2. Результаты измерений и расчётов

 

 

R, Ом	2,0	2,5	3,0	…
U, В
I, А
P1, Вт
P2, ВТ
Pполн, ВТ
h

 

 

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Запишите закон Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах.

2. Что такое ток короткого замыкания?

3. Что такое полная мощность?

4. Как вычисляется к.п.д. источника тока?

5. Докажите, что наибольшая полезная мощность выделяется при равенстве внешнего и внутреннего сопротивлений цепи.

6. Верно ли утверждение, что мощность, выделяемая во внутренней части цепи, постоянна для данного источника?

7. К зажимам батарейки карманного фонаря присоединили вольтметр, который показал 3,5 В.