Исследование явления дифракции света на компакт-диске

2. С помощью поворотной планки установите угол падения луча лазера  10° , а затем  20°

Измерьте дифракционные углы j1 и j2 в этих случаях. При этом на экране наблюдается нулевой максимум, который не следует включать в расчёты.

3. По формуле (3) вычислите период дифракционной решетки d и число дорожек n на 1 мм CD-диска. В выводе сравните результат измерений с результатом, полученным в задании 1.

Часть II.  Поляризация света и экспериментальная установка

   В электромагнитной световой волне электрический вектор  и магнитный вектор перпендикулярны друг другу и направлению распространения  светового луча, т. е. световая волна является поперечной.

  Если ориентация векторов или в любой точке на луче меняется хаотически, т. е. все направления этих векторов равноправны, то свет считается неполяризованным или  естественным (рис. 3. а).

   Свет может быть поляризован частично, тогда доля присутствующего в нем поляризованного света оценивается в процентах и степень поляризации Р определяется по  формуле:

                                                                          (4)

где     Iполяриз – интенсивность поляризованного света,   I полн – полная интенсивность света.                       

   Практически все источники света испускают не поляризованный, т. е. естественный свет.

   Существует несколько способов получения плоско поляризованного света.

1. При отражении света от диэлектрической пластины (стекло, пластмассы) наблюдается как отраженный, так и преломленный луч (рис. 4). При этом  тот и другой луч оказываются частично поляризованными. Максимальная степень поляризации лучей достигается при определенном угле падения, определяемого законом Брюстера

,                                       (5)

где n – показатель преломления данного диэлектрика.

2. Некоторые кристаллы обладают способностью при преломлении разделять падающий луч на два луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. Эти два луча носят названия: обыкновенный – о, необыкновенный – е и характеризуются показателями преломления no и ne , причем  no ¹ ne. Отклоняя один из лучей в сторону, можно выделить второй, т.е. получить плоско поляризованный свет. Устройства, действующие таким образом, называются поляризаторами (рис. 5).

3. У некоторых двупреломляющих кристаллов, например, турмалина, коэффициенты поглощения света обыкновенного и необыкновенного луча отличаются настолько, что уже при небольшой толщине один из них полностью гасится, и из кристалла выходит один плоско поляризованный луч. Это явления носит название дихроизма. Полученные на основе этого явления пластинки называются поляроидами. Аналогичным свойством обладают тонкие полимерные пленки, содержащие одинаково ориентированные игольчатые микрокристаллы йодистого хинина. Поляроидные пленки в комбинации с жидкокристаллическими структурами являются физической основой для изготовления ЖК-экранов.

   Интенсивность света, прошедшего два поляризатора, прямо пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора (закон Малюса)

                                                                (6)

Задание 3. Проверка закона Малюса

Цель. Доказать, что при прохождении света через поляризатор и анализатор, выполняется закон Малюса, т. е. отношение I/I0 = cos2a

1. Для выполнения задания используется прибор №2.

2. В комплект прибора входят два кусочка поляроидной пленки. Наложите одну пленку на другую и посмотрите их на просвет. При вращении одной из пленок вследствие явления поляризации наблюдаться периодическое ослабление и усиление проходящего света.

3. Закрепите щупы мультиметра в клеммах прибора, используя отверстия  в клеммах. Переключатель мультиметра установите в положение  DCA , 200m или V-, 200m - измерение постоянного напряжения.

4. Включите источник естественного света – лампочку накаливания.

5. Установите указатель поворота поляризатора в крайнее левое положение – 0°. Запишите показание прибора

6. Поворачивая поляризатор на каждый раз на 10°  от 0° до 180°, записывайте показания мультиметра. При этом можно считать показания целыми числами (таблица 3 отчета).

7. Найдите среди измеренных значений наименьшее Imin. Оно соответствует такому положению положения поляризатора и анализатора, когда угол a = 90° . Выпишите в таблицу 4 все значения в сторону их увеличения вплоть до угла a = 0° .

8. Используемая в приборе поляроидная пленка не является идеальной, т. е. не поляризует свет на 100 %. Это приводит к тому, что даже при скрещенном положении поляризатора и анализатора  сигнал прибора не равен нулю. Поэтому при обработке результатов измерений можно вначале вычесть из всех полученных значений минимальное значение: (I0 –Imin), а затем найти отношение (I0 –Imin)/I0. Причем в последнем вычислении в качестве I0 следует брать максимальное значение из ряда (I0 –Imin).

9. Постройте график зависимости (I0 –Imin)/I0. от cos2a . Сделайте вывод о выполнении закона Малюса.

Задание 4. Проверка закона Брюстера и определение показателя преломления

                    диэлектрика

Цель.  Следует проверить, что при отражении от диэлектрика свет действительно оказывается частично поляризованным. При отражении же света от проводника (металла), явление поляризации не наблюдается. При выполнении данного  задания используется прибор №1.

1. Вставьте один кусочек поляроидной пленки в держатель для нее.

2. Установите лазер в нулевое положение.

3. В зажиме укрепите препарат c диэлектрической пластинкой (пластмассой).

4. Медленно поворачивая поворотную планку, наблюдайте на экране за уменьшением интенсивности отраженного луча.

5. Найдите и измерьте такой угол падения, при котором интенсивность окажется наименьшей.

6. По измеренному углу Брюстера, вычислите показатель преломления данной пластмассы.

7. Рассчитайте погрешность измерения показателя преломления.

8. Замените препарат с диэлектриком на препарат с металлической пластинкой. Повторите предыдущие наблюдения. В выводе отметьте, наблюдается ли поляризация света при отражении от металла.

Цель работы: Углубить представления о взаимодействии света с веществом; ознакомиться с элементарными представлениями и законами поглощения света; пронаблюдать экспериментально поглощение света в твердых средах и в растворах.

Оборудование:  фотоэлектрический колориметр, набор кювет, окрашенные полимерные пленки, концентрированные растворы различных веществ, шприц.

  Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии.

   Поглощение света в веществе описывается законом Бугера:         

,                                             (1)

где I0 и I интенсивность плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной  x,  a - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны света, химической природы и состояния вещества.

     Коэффициент поглощения не зависит от интенсивности падающего света (закон Ламберта).

    При толщине слоя х = 1/a интенсивность света I по сравнению с I0 уменьшается в е» 2,72 раз. Размерность коэффициента поглощения м-1 или см-1.

  Коэффициент поглощения зависит от длины волны света и для различных веществ различен. Например, одноатомные газы и пары металлов обладают близким к нулю коэффициентом поглощения и лишь для очень узких спектральных областей наблюдаются резкие максимумы поглощения (так называемый линейчатый спектр поглощения). Коэффициент поглощения для металлов имеет большие значения (103 – 105 см-1) и поэтому металлы являются непрозрачными для света. Коэффициент поглощения диэлектриков обычно невелик (10-3 – 10-5 см-1). Стекла, прозрачные полимерные пленки,  жидкости и растворы имеют селективное (избирательное) поглощение света в определенных интервалах длин волн, когда a  резко возрастает, и наблюдаются сравнительно широкие полосы поглощения.

   Для характеристики поглощающей способности образца используется или коэффициент пропускания Т, который обычно измеряется в процентах

,                                                        (2)

или оптическая плотность образца D:

                                                      (3)

   Согласно закону Бугера коэффициент пропускания экспоненциально уменьшается в зависимости от толщины образца (слоя вещества):

                                                                 (4)

   В то же время оптическая плотность зависит от толщины образца линейно:

 ,                                             (5)

т.е. оптическая плотность вещества прямо пропорциональна толщине слоя. Поэтому для оценки поглощающей способности образца применение оптической плотности более удобно, чем применение коэффициента поглощения.

   Для растворов веществ в не поглощающих растворителях   выполняется закон Бера:

   Монохроматический показатель поглощения раствора поглощающего вещества в непоглощающем растворителе пропорционален концентрации с раствора:

,                                                                   (6)

где al1 – коэффициент поглощения однопроцентного раствора данного вещества, с – концентрация раствора в процентах.

   Подставляя (6) в (1) и (5), получаем обобщенный закон Бугера – Ламберта – Бера, учитывающий как толщину слоя поглощающего вещества, так и концентрацию раствора. Этот закон может быть записан либо через интенсивность проходящего света, либо через оптическую плотность:

                                                          (7,8)                                                   

    То обстоятельство, что оптическая плотность раствора D пропорциональна концентрации с растворенного поглощающего вещества,  лежит в основе колориметрии (от лат. color - цвет)– метода определения концентрации растворенного вещества по оптической плотности раствора.

   В настоящей работе используется серийный фотоэлектрический колориметр КФК-2. Оптическая схема фотоколориметра представлена на рис. 1. При определении концентрации растворов в кюветное отделение помещаются две кюветы: кювета А с чистым растворителем и кювета В с раствором. Свет от источника S  (лампы накаливания)  проходит через светофильтр СФ,  длина волны пропускания которого подбирается таким образом, чтобы поглощение в растворе не было слишком большим или слишком малым. Прошедший через раствор или растворитель световой пучок с помощью полупрозрачной пластинки ПЛ делится на две части:  90 % прошедшего света направляется на  фотоэлемент Ф-26, отраженный пучок (10%) попадает на фотодиод ФД-24К. В зависимости от длины волны  света, выделяемого светофильтром, выбирается фотоэлемент, чувствительный к данной области световых волн.

   Кюветодержатель (рис. 2) находится под крышкой в кюветном отделении. Он представляет собой платформу с ручкой, с двух сторон от которой ставятся две одинаковые кюветы 2 и 3.  В комплекте каждого прибора есть кюветы разной толщины. Рабочая длина (толщина) кювет выгравирована на их стенке рядом с риской, отмечающий уровень ее заполнения.

   Схема размещения основных узлов фотоколориметра показана на рис. 3:

1 - показывающий прибор-микроамперметр с двойной шкалой: на верхней шкале нанесены значения коэффициента пропускания Т  от 0 до 100%, а на нижней - соответствующие значения оптической плотности D;  2 - блок осветителя;  3 - переключатель светофильтров;    4 - ручка переключения кювет;  5 - ручка переключения фотоприемников («Чувствительность»);  6 – ручка «Установка 100 %  грубо»;  7 - ручка «Установка 100 % точно»;  8 - крышка кюветного отделения.

   Каждый светоприемник рассчитан на три степени усиления тока. Чувствительности фотоприемников обозначены  на ручке «Чувствительность» номерами 1, 2, 3.  Чем выше номер, тем больше чувствительность фотоприемника (усиление).

  Светофильтры, выделяющие определенный участок спектра в световом пучке, устанавливаются поворотом ручки 3. Напротив каждого фиксированного положения ручки указана длина волны пропускания светофильтра в нанометрах (1нм = 10-9м). Длина волны и ширина полосы пропускания каждого фильтра приведена в табл. 1.

Таблица 1

   Светофильтры в области спектра 315-540 нм маркированы на ручке 3 черным цветом. Фотоприемником в этой области служит фотоэлемент Ф-26. Ручка 5  "Чувствительность" в таких измерениях  также должна находиться на делениях черного цвета.

   Светофильтры в области спектра 590-980 нм маркированы на ручке 3 красным цветом. Светоприемник здесь - фотодиод ФД-24К.  Ручка 5 должна быть на делениях красного цвета.

   Двух светофильтров с длиной волны пропускания (870 и 980 нм - инфракрасная область (ИК) - область) в приборе нет. Соответствующие отверстия заглушены пробками. Когда переключатель 3 стоит в положении "870" или "980", световой поток перекрыт, стрелка прибора 1 уходит в положение Т = 0.

     На фотоколориметре вместо заводского стрелочного прибора может быть установлен цифровой мультиметр, включенный для измерения постоянного напряжения. В этом случае можно не устанавливать определенную начальную I0, а для вычисления T и D всегда пользоваться формулами (2) и (3). Более того, измерения можно проводить на любом фотоэлементе и при любом усилении т.е. ручки 5, 6, 7 могут находиться в произвольном положении.

    В данной работе фотоколориметр используется для трех видов исследований:

·        Изучение зависимости поглощения света окрашенного стекла и (или) полимерной пленки от длины волны. Эта зависимость представляет собой спектр поглощения пленки.

·        Изучение закона Бугера – проверка прямой пропорциональной зависимости оптической плотности вещества (полимерной пленки) от ее толщины.

·        Изучение закона  Бера – проверки прямой пропорциональной зависимости оптической плотности раствора от его концентрации.

Задания к лабораторной работе

    Осмотрите колориметр.  Изучите назначение его ручек.

    Откройте крышку кюветного отделения. Осмотрите кюветное отделение. Слева и справа видны окна для прохождения светового пучка. Правое окно при открытой крышке автоматически закрывается пластинкой для защиты фотоэлемента от засветки.

  Подключите прибор к сети. На задней стенке с левой стороны колориметра включите сетевой тумблер. В блоке осветителя должна загореться лампа. (Рядом с сетевым может располагаться также тумблер для регулирования яркости свечения лампы). Если справа от кювет вставить вертикально лист белой бумаги, то на листе появляется круглое окрашенное пятно. Цвет его меняется в зависимости от положения переключателя светофильтров.

Задание 1.  Изучение зависимости поглощения света от длины волны

   В качестве поглощающего образца здесь используется одна или две  окрашенные прозрачные  пленки из набора, выданного для проведения опытов. Пленки  должны быть хорошо протерты от посторонних загрязнений.

1. Из набора кювет возьмите две одинаковые кюветы толщиной » 3 мм.  Установите их в кюветодержатель. В одну из кювет вставьте исследуемую пленку (или пленки). Закройте крышку кюветодержателя.
2. Ручкой 4 переведите кюветодержатель в положение, когда световой пучок проходит через пустую кювету.
3. Начните с первого светофильтра 315 нм, который вводится в световой пучок ручкой  3.
4. Ступенчато увеличивая чувствительность ручкой вначале ручкой 5, а затем ручками  6, 7 выведите стрелку прибора на 100 %.  Если это не удается сделать, просто запишите показание прибора I0 при максимальной чувствительности.
5. Ручкой  4 переведите кюветодержатель в положение, кода свет проходит через кювету с пленками. Стрелка прибора покажет уменьшения интенсивности света.
6. Если вначале удалось установить стрелку на 100 % пропускания, то следующее показание по верхней шкале сразу дает коэффициент пропускания Т, а показание по нижней шкале – оптическую плотность образца D на данной длине волны. Если вначале стрелка не устанавливается на 100 %, то коэффициент пропускания, а затем и оптическую плотность необходимо вычислить по формулам (2) и  (3).
7. Аналогичные измерения проведите для остальных длин волн, даваемых данным набором светофильтров  (п. п. 3-6). Данные измерений занесите в таблицу 1 отчета.
8. Постройте график зависимости оптической плотности полимерной пленки от длины волны света. При этом экспериментальные точки соедините плавной линией. График представляет собой утрированный спектр поглощения пленки.
9. В выводе отметьте, на каких длинах волн образец сильнее всего поглощает свет, а на каких меньше всего.

Задание 2.  Изучение зависимости поглощения света от толщины образца

   В качестве поглощающих образцов здесь используются несколько кусочков окрашенной прозрачной пленки. Испытание лучше всего проводить на длине волны, указанной на пленке.

1.      Проведите измерение коэффициента пропускания и оптической плотности сначала для одного кусочка пленки.

2.      Затем увеличьте толщину образца, добавив к первому кусочку пленки еще один. Далее продолжайте увеличивать толщину образца, доведя его до 8-9 кусочков пленки.

3.      По результатом опыта следует построить графики зависимостей коэффициента пропускания Т и оптической плотности D пленки от его толщены. Поскольку толщины кусочков пленки одинаковы, то по горизонтальной оси можно откладывать просто их число.

4.      График Т =f(l)  должен иметь вид экспоненты, а график D =f(l) должен быть прямолинейным. Если это действительно так,  то можно сделать вывод о выполнении закона  Бугера.

Задание 3.  Изучение зависимости поглощения света от  концентрации раствора

   В качестве растворяемых веществ в работе используется распространенные соединения: марганцовка, медный купорос, двухромовокислый калий и т. п.

  Изучите устройство кюветодержателя. Рассмотрите кюветы, найдите на них риску, указывающую уровень раствора,  и значение рабочей длины.

  Для того чтобы избежать сложной процедуры приготовления растворов разной концентрации, в работе используется следующий прием: концентрация изменяется ступенчато путем последовательного добавления в чистую воду 1, 2, 3 и т. д. одинаковых капель концентрированного раствора выбранного вещества. Для дозирования одинакового размера капель можно использовать пипетку, капельницу  или шприц.

1.      По указанию преподавателя выберите исследуемое вещество. Вначале потренируйтесь в умении капать из шприца или капельницы отдельными и одинаковыми каплями.

2.      Выберите две одинаковые кюветы средней толщины. Рекомендуется выбрать кюветы толщиной » 30 мм. Заполните их до рисок чистой водой. Еще раз протрите их торцевые поверхности и, не касаясь их пальцами, вставьте кюветы в кюветодержатель.

3.      Для измерений выберите светофильтр, на котором оптическая плотность раствора имеет среднее значение. На сосудах с растворами указана рекомендуемая длина волны света.

4.       По кювете с чистой водой (ручка 4 влево до упора) установите стрелку на деление Т = 100 %.

5.      Осторожно переведите ручку 4 вправо до упора. Откройте крышку кюветодержателя. В рабочую кювету капните одну каплю концентрированного раствора вещества. Тщательно перемешайте раствор иглой шприца или стеклянной палочкой. Закройте крышку кюветного отделения. Запишите значения коэффициента пропускания Т и оптической плотности D этого раствора.

6.      Аналогичные измерения следуеит провести при постепенном увеличении концентрации раствора, добавлением 2, 3, 4  и т.д. капель. Необходимо получить 6-8 точек, но при этом не желательно проводить измерения, когда оптическая плотность раствора становится слешком большой. Перед каждым новым измерением  следует устанавливать прибор на Т= 100 % по чистой воде. Чтобы улучшить условия проведения опыта можно за один раз капать не по одной, а по две или даже по три капли.

7.      Если измерения не удались, все следует начать сначала, слив раствор и прополоскав рабочую кювету.

8.      Постройте зависимость оптической плотности раствора от числа капель (точный пересчет концентрации каждого раствора в данном опыте не производят).

9.      Если график имеет прямолинейный вид, то можно сделать вывод о выполнении закона Бера.

   После завершения измерениий приведите рабочее место в порядок: выключите колориметр, слейте использованные растворы, сполосните и протрите кюветы, промойте шпириц, протрите кюветное отделение прибора.

[1] Радиусы  зон определяются по формуле  Rk= {(nabλ/(a+b)}1/2,  где а  и  b -  расстояния от пластинки до источника и до точки наблюдения, n  - порядковый номер зоны, считая от центра пластинки, λ –длина волны. Для понимания этого материала следует изучить раздел «Дифракция света. Простейшие дифракционные явления» по вузовскому учебнику.

Страницы: 1, 2