Физика (стр. 25 )

4) повторите материал по дифракции света на щели, двух щелях, дифракционной решетке.

Источники когерентного излучения – оптические квантовые генераторы или лазеры созданы давно. В этих приборах для создания потока направленного излучения в активной среде используются процессы испускания квантов электромагнитного излучения атомами или молекулами, обладающими набором дискретных значений энергии.

Рассмотрим принципиальное устройство и действие гелий-неонового лазера (рис. 1).

Рис. 1

Газоразрядная стеклянная трубка 1 заполнена смесью гелия Не (парциальное давление 133 Па) и неона Ne (парциальное давление 13.3 Па) и помещена между полупрозрачными зеркалами 2. Между накаливаемым катодом 3 и анодом 4 подается напряжение порядка нескольких киловольт. Ток разряда составляет несколько десятков миллиампер. За счет соударения с электронами атомы гелия переходят в возбужденное состояние с энергией Е3 (рис. 2). Возбужденные атомы гелия, сталкиваясь с атомами неона, передают им свою энергию и переводят на уровень, близкий к уровню Е3 гелия, минуя уровень 2, соответствующий меньшей энергии. Создается инверсная населенность уровней 2 и 3. Переход атомов неона с уровня 3 на уровень 2 сопровождается лазерным излучением.

Рис. 2

Излучение лазеров отличается рядом особенностей: временной и пространственной когерентностью, строгой монохроматичностью, узостью пучка, которые определили их широкое применение в технике, медицине и промышленности.

В данной лабораторной работе определяется длина волны лазерного излучения следующим методом. Дифракционную решетку с постоянной решетки d = 10−2 мм устанавливают посередине между лазером и экраном на расстоянии L от экрана. Измеряют расстояние между серединами дифракционных максимумов 1-го, 2-го и 3-го порядков, наблюдаемых на экране. Угол дифракции максимума m-го порядка определяется из соотношения

.

Используя формулу дифракционной решетки , вычисляют длину волны .

Наблюдение поляризации лазерного излучения проводится с помощью поляроида. Вращая его вокруг луча, наблюдают изменение освещенности экрана в соответствии с законом Малюса.

Изучение дифракции излучения лазера на одной щели, на двух щелях, на пространственных неоднородностях позволяет определить:

1) ширину щели . Для малых углов , где − расстояние между максимумами m-го порядка в дифракционном спектре на щели, L – расстояние от щели до экрана;

2) расстояние между серединами двух щелей b по интерференционной картине из условия добавочных минимумов: , где , , − расстояние между добавочными минимумами.

Выполнение работы

1. Познакомьтесь с целью работы и методами измерения длины волны, наблюдения поляризации лазерного излучения, определения ширины щели и расстояния между двумя щелями.

2. Составьте перечень приборов и принадлежностей, необходимых для выполнения работы. Запишите последовательность операций, необходимых для выполнения работы.

3. Проведите необходимые измерения и обработайте результаты опыта.

Контрольные вопросы и задания

1. Каковы различия в механизмах образования и свойствах спонтанного и индуцированного излучения?

2. Объясните, почему при дифракции излучения лазера на мелких частицах наблюдается система концентрических колец.

Рекомендуемая литература [28, 30].

Работа № 5. Определение концентрации сахара в растворе

Цели: 1) изучить явление вращения плоскости поляризации; 2) научиться измерять концентрацию растворенного вещества с помощью кругового поляриметра.

Оборудование: поляриметр круговой СМ-3, кюветы с раствором глюкозы.

При подготовке к работе выполните следующие задания:

1) усвойте содержание понятий «естественный и поляризованный свет», «вращение плоскости поляризации», «фазовые пластинки»;

2) выясните способы получения поляризованного света;

3) ознакомьтесь с устройством поляриметра СМ-3 по инструкции.

Некоторые кристаллы и растворы органических соединений обладают свойством поворачивать плоскость поляризации луча света, проходящего через тела. Вещества, поворачивающие плоскость поляризации, называются оптически активными. К ним относятся, например, кварц, сахар, скипидар.

Установлено, что вещества, оптически активные в жидком состоянии, обладают таким же свойством и в твердом состоянии. Однако, если вещества оптически активны в твердом состоянии, то не всегда активны в жидком (например, расплавленный кварц). Следовательно, это свойство обусловлено как строением молекул, так и особенностями кристаллической структуры.

Оптически активные вещества подразделяются на право - и левовращающие. В первом случае плоскость поляризации, если смотреть навстречу лучу, вращается по часовой стрелке, во втором – против. Угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей определяется выражением:

. (1)

Для растворов оптически активных веществ (растворитель не активен):

, (2)

где L – расстояние, пройденное светом в активном веществе, – удельное вращение, равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (и единичной концентрации для растворов) (удельное вращение зависит от рода вещества, длины волны света, температуры), C – концентрация оптически активного вещества в растворе.

Измерение угла поворота плоскости поляризации проводится следующим образом. Известно, что скрещенные поляризатор и анализатор не пропускают свет; если между ними поместить кювету с активным веществом, то блокировка света нарушается и анализатор пропускает часть излучения. Повернув анализатор на определенный контролируемый угол, мы восстановим блокировку. Этот угол равен углу поворота плоскости поляризации исследуемым веществом.

Однако на практике такой способ неудобен, поскольку момент полного затмения определяется не точно. Применяется так называемый полутеневой метод, когда поляризатор и анализатор не совсем скрещены и уравниваются яркости полей сравнения при слабом пропускании света. Обычно поляриметрию производят с помощью натровой лампы . В настоящей работе для измерений используется круговой поляриметр СМ-3.

Задание 1. Определение концентрации глюкозы в растворе.

По техническому описанию познакомьтесь с устройством и порядком работы с круговым поляриметром СМ-3. В отсутствие в камере кюветы с раствором глюкозы вращением рукоятки кремальерной передачи добейтесь полной однородности обеих половинок поля зрения и при помощи нониуса произведите отсчет опорного угла. Затем в камеру прибора положите кювету с испытуемым раствором. При этом изменится однородность освещенности обеих половинок поля зрения. Вращением рукоятки кремальерной передачи уравняйте их освещенность и произведите новый отсчет угла. Угол поворота плоскости поляризации будет равен разности двух указанных угловых отсчетов.

Измерив для растворов различной концентрации, определите эти концентрации.

Контрольные вопросы и задания

1. Какая электромагнитная волна называется линейно поляризованной?

2. Какими методами получают линейно поляризованный свет?

3. Что означает выражение «скрещенные поляризатор и анализатор»?

4. Как читается закон Малюса?

5. Объясните оптическую схему прибора СМ-3.

6. В чем преимущество полутеневого метода?

4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

4.1. Механика

Основные формулы

– мгновенная скорость.

– средняя скорость.

− модуль мгновенной скорости.

– средняя скорость неравномерного движения.

– ускорение.

– ускорение при равнопеременном движении.

– путь при прямолинейном равнопеременном движении.

– скорость при прямолинейном равнопеременном движении.