Физпрактикум.Оптика

Инструкция по эксплуатации и технике безопасности при работе с газовым лазером

ЛАЗЕР Ð точный электронно-оптический прибор, требующий аккуратного обращения.

1. Порядок включения лазера:

а) включить вилку сетевого шнура в сеть напряжением 220 В; б) повернуть ключ на задней панели лазера.

2.Запрещается направлять лазерный луч в сторону людей или на отражающие поверхности.

3.Запрещается эксплуатация лазера без заземления.

4.Включение и выключение лазера производится преподавателем или инженером.

Список литературы

1.Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1988. Т. 2, 3.

2.Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Физматлит, 2003.

3.Бутиков Е. И. Оптика. СПб.: Невский диалект, 2003.

4.Сивухин Д. В. Общий курс физики: Оптика. М.: Наука, 1980.

262

Благодарности

Авторы выражают благодарность доцентам кафедры общей физики ПетрГУ:

¥Людмиле Сауловне Вагнер за участие в подготовке методических указаний к работам ÒОпределение коэффициента преломленияÓ, ÒДифракция светаÓ, ÒИнтерференция светаÓ и за постановку работы ÒОпределение положения кардинальных элементов оптической системыÓ;

¥Валентине Сергеевне Кривченковой за участие в подготовке методических указаний к работе ÒОпределение оптических характеристик тонких линзÓ;

¥Иде Степановне Жуковой за участие в подготовке методических указаний к работам ÒИзучение роли дифракционных явлений в формировании оптического изображенияÓ, ÒИзучение явления естественного вращения плоскости поляризацииÓ, ÒИзучение законов внешнего фотоэффектаÓ;

¥Федору Семеновичу Платонову за участие в подготовке методических указаний к работе ÒИзучение законов внешнего фотоэффектаÓ;

¥Валентине Александровне Трухачевой за участие в подготовке методических указаний к работе ÒИзучение явлений дифракции лазерного излучения на простейших дифракционных структурахÓ.

Огромное спасибо рецензенту Людмиле Сауловне Вагнер за ценные замечания и предложения, а Маргарите Васильевне Мелех за компьютерный набор пособия. Особая признательность представителю фирмы Phywe доктору Андреасу Грюнемайеру за плодотворное обсуждение и содействие в комплектовании лаборатории.

263

C$6'.5)#/'

Тема 1. Геометрическая оптика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

1.1. Основные законы геометрической оптики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.2. Прохождение света через плоскопараллельную пластинку . . . . . . .5 1.3. Преломление света в призме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 1.4. Явление полного отражения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.5. Центрированные оптические системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

1.5.1. Преломление на сферической поверхности. . . . . . . . . . . . . . . . .9 1.5.2. Кардинальные элементы центрированной системы

сферических поверхностей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 1.5.3. Построение изображений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17 1.5.4. Расчет оптической силы и положения кардинальных

элементов сложных оптических систем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 1.6. Аберрации линз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.7. Оптические приборы. Глаз. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 1.8. Фотометрия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.8.1. Поток энергии и световой поток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 1.8.2. Фотометрические величины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 1.8.3. Закон освещенности для точечных источников . . . . . . . . . . . . 40 1.9. Задания физического практикума. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

1.9.1. Лабораторная работа № 1 ÒОсновные законы геометрической оптикиÓ . . . . . . . . . . . . . . 42

1.9.2. Лабораторная работа № 2 ÒОпределение оптических характеристик тонких линзÓ . . . . 45

1.9.3. Лабораторная работа № 3 ÒИзучение сложных оптических системÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

1.9.4. Лабораторная работа № 4 ÒОпределение коэффициента преломленияÓ. . . . . . . . . . . . . . .61

1.9.5. Лабораторная работа № 5 ÒОпределение положения кардинальных элементов

оптической системыÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 1.9.6. Лабораторная работа № 7

ÒОпределение оптических характеристик тонких линз и моделирование оптических приборовÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

264

1.9.7. Лабораторная работа № 9 ÒГлаз как оптическая система. Коррекция зрения.

Модель телескопаÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81 1.9.8. Лабораторная работа № 12

ÒПроверка закона освещенности для точечных источников светаÓ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Тема 2. Поляризация света. Распространение света в анизотропных средах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2.1. Световая волна. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.2. Виды поляризации световой волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91 2.3. Поляризаторы. Закон Малюса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.4. Распространение света в анизотропной среде. . . . . . . . . . . . . . . . . .94 2.5. Получение эллиптически и циркулярно поляризованного света. . 98 2.6. Анализ состояния поляризации света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.7. Поляризационные устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.8. Прохождение света через границу двух диэлектриков . . . . . . . . 103

2.8.1. Формулы Френеля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 2.8.2. Коэффициент отражения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 2.8.3. Поляризация при отражении и преломлении. . . . . . . . . . . . . 106

2.9. Вращение плоскости поляризации оптически активными веществами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

2.10. Задания физического практикума . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 2.10.1. Лабораторная работа № 19

ÒПоляризация света. Закон МалюсаÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 2.10.2. Лабораторная работа № 16

ÒОтражение линейно поляризованного света от поверхности диэлектрикаÓ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115

2.10.3. Лабораторная работа № 15 ÒПолучение и исследование поляризованного светаÓ. . . . . .119

2.10.4. Лабораторная работа № 14 ÒИзучение явления естественного вращения

плоскости поляризацииÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Тема 3. Интерференция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

3.1. Интерференция монохроматических волн . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 3.2. Временная когерентность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.3. Пространственная когерентность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

265

3.4. Способы получения когерентности по методу деления волнового фронта. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

3.5. Расчет интерференционной картины от двух точечных когерентных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

3.6. Интерференция по методу деления амплитуды . . . . . . . . . . . . . . . 139 3.7. Интерферометрия. Интерферометр Майкельсона. . . . . . . . . . . . . 142 3.8. Интерферометр Рэлея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 3.9. Задания физического практикума. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

3.9.1. Лабораторная работа № 18 ÒОпределение показателей преломления воздуха и углекислого газа с помощью

интерферометра МайкельсонаÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 3.9.2. Лабораторная работа № 6

ÒОпределение длины световой волны с помощью бипризмы ФренеляÓ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

3.9.3. Лабораторная работа № 21 ÒИзучение интерференции лазерного света в толстой стеклянной пластине.

Полосы равного наклонаÓ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

3.9.4.Лабораторная работа № 10 ÒИзучение показателей преломления растворов

с помощью интерферометра РэлеяÓ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 3.9.5. Компьютерная лабораторная работа № 13

ÒИнтерференция светаÓ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Тема 4. Дифракция света . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

4.1. Общие положения. Угол и длина дифракции . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 4.2. Дифракция Френеля. Метод зон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 4.2.1 Дифракция на круглом отверстии и диске . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.2.2. Дифракция на диске . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 4.2.3. Зонная пластинка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.2.4. Дифракция на прямолинейном крае экрана . . . . . . . . . . . . . 183 4.3. Дифракция Фраунгофера. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 4.3.1. Дифракция на круглом отверстии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 4.3.2. Дифракция на одной щели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

4.3.3. Дифракция на параллельных щелях.

Дифракционная решетка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Учебное издание

Березина Ольга Яковлевна Чудинова Светлана Алексеевна

Физический практикум Часть IV Оптика

Учебно-методическое пособие

Редактор И. И. Куроптева

Компьютерная верстка Е. В. Бобковой

Подписано в печать 10.02.11 . Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 15. Тираж 220 экз. Изд. № 180

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Березина, О. Я.

Б484 Физический практикум. Ч. IV. Оптика : учеб.-метод. пособие / О. Я. Березина, С. А. Чудинова. Ð Петрозаводск : Изд-во ПетрГУ, 2011. Ð 268 с.

ISBN 978-5-8021-0960-1

В предлагаемом учебном пособии представлено описание и задания физического практикума по разделу ÒОптикаÓ, реализованного с использованием оборудования фирмы Phywe (г. Гёттинген, Германия). Весь материал разбит на темы, по которым изложены основы теории вузовского курса общей физики, необходимые для выполнения лабораторных работ. По каждой теме предлагается цикл лабораторных заданий и рекомендуемая последовательность их выполнения. Задания вариативны. Их объем и качество преподаватель может устанавливать в зависимости от степени подготовки студента. В конце каждого лабораторного задания предлагаются вопросы для самоконтроля.

Учебное пособие предназначено для студентов младших курсов физических и инженерно-технических специальностей вузов. Оно будет полезно и для преподавателей, осваивающих новые формы и методы реализации физического практикума.

УДК 535

ББК 22.34