Физика (стр. 6 )

Рис. 4

Луч гелий – неонового лазера 1 направляется на рассеивающую линзу 2, в центре которой наклеен стальной шарик 3 диаметром 3 мм. На экран 4 отбрасывается тень в виде круга, обрамленного темными и светлыми кольцами (дифракционными кольцами). Подбирая расстояния между лазером и линзой и линзой и экраном, добиваются четкого видения светлой точки в центре темного круга. На рис. 4 представлено качественное распределение интенсивности I на экране.

Опыт № 5. Рассеяние света мутными средами.

Оборудование: гелий – неоновый лазер, поляризатор, стеклянная кювета, зеркало, спирт, канифоль, вода.

На рис. 5 представлена схема демонстрации рассеяния поляризованного света. Поляризованный свет проходит через кювету 3 с плоскопараллельными стенками, наполненную слабо концентрированной эмульсией. Над кюветой под углом 45º к горизонту устанавливается зеркало 4. При вращении плоскости поляризации поляризованного света световой луч, проходящий через кювету, виден поочередно то в зеркале, то непосредственно сквозь боковую стенку кюветы.

Рис. 5

Кювету можно изготовить из обычного стекла. Склейка граней производится эпоксидным клеем. Эмульсию можно получить путем добавления в воду нескольких капель раствора канифоли в спирте.

В качестве источника света можно использовать обычный осветитель. Но, чтобы не возникли сложности с получением узкого пучка параллельных лучей света, удобнее в качестве источника света использовать гелий – неоновый лазер 1. Поскольку луч лазера поляризован не линейно, а по эллипсу, его следует дополнительно пропустить через поляризатор 2, получив плоскополяризованный свет. Подобрав положение поляризатора относительно лазерного луча, лазер вращают вместе с поляризатором.

Опыт № 6. Рассеяние света мутными средами.

Оборудование: осветитель, поляризатор, стеклянный цилиндрический сосуд, зеркало, спирт, канифоль, вода.

Не менее наглядную демонстрацию рассеяния света мутными средами можно поставить следующим образом. Стеклянный цилиндрический сосуд 1 высотой примерно 1.2 м устанавливается на табурет 2 с круглой прорезью диаметром 80 мм, и в него наливается слабо концентрированная эмульсия того же состава, что и в предыдущем опыте. Снизу через дно с помощью зеркала 3 в цилиндр вертикально вверх направляется пучок света от обычного осветителя 4 (рис. 6).

Рис. 6

Добиваться строгой параллельности лучей в пучке нет необходимости, т. к. в силу полного внутреннего отражения все лучи имеют общее направление вдоль оси цилиндра.

Интенсивность рассеянного света возрастает с уменьшением длины волны, поэтому нижняя часть сосуда кажется окрашенной в голубой цвет. Выше столб эмульсии приобретает желтый и оранжевый оттенки, потому что синяя часть спектра белого света уже рассеяна нижними слоями. На потолок проецируется красноватое пятно от проходящего света.

Если между зеркалом и дном сосуда установить поляризатор 5, то в сосуд будет направлен пучок плоскополяризованного света. При вращении поляризатора плоскость поляризации прошедшего света будет меняться, и сосуд сбоку будет казаться поочередно то светлым, то темным.

3. ЦИКЛ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

3.1. Механика

Работы, выполняемые на отдельных стендах

Работа № 1. Измерение ускорения свободного падения в условиях
со случайными погрешностями измерений

Цели: 1) овладеть методикой статистической обработки результатов измерений; 2) определить ускорение свободного падения.

При выполнении данной работы исследования проводятся в условиях, когда случайные погрешности измерений значительно превышают систематические. В таких случаях измерения необходимо проводить столько раз, чтобы после статистической обработки результатов наблюдений случайная погрешность была меньше систематической.

В работе измеряется время падения шарика с некоторой высоты.

Описание установки. Первая часть работы выполняется на установке, изображенной на рис. 1; вторая часть – на установке, схематически представленной на рис. 2.

Установка состоит из штатива с укрепленным на нем электромагнитом (ЭМ), счетчика импульсов (СИ), предназначенного для измерения интервалов времени, фотодатчика (ФД) и металлического цилиндра (МЦ).

На первом этапе измерений необходим счетчик импульсов и электромагнит (рис. 1). После нажатия кнопки «Пуск» электромагнит отключается и запускается счетчик импульсов. При ударе шарика о поверхность цилиндра (МЦ) нажимается кнопка «Стоп»: счетчик импульсов покажет промежуток времени от начала падения шарика до нажатия кнопки «Стоп». Цена деления прибора 0.01 с. Так как человек реагирует на какое-либо событие (в данном случае на удар шарика о металлический цилиндр) с запаздыванием ≈ 0.01 с, то доминирующей в подобных измерениях будет случайная ошибка.

После проведения измерений с ручной остановкой отсчета времени подключается фотодатчик (ФД) и проводится более точное измерение времени падения шарика. Измерение времени падения шарика с помощью фотодатчика может быть заменено расчетом с использованием табличного значения ускорения свободного падения для широты Новосибирска.

Порядок выполнения

1. Ознакомьтесь с описанием прибора «счетчик импульсов».

2. Подготовьте установку к измерениям:

а) установите фотодатчик так, чтобы луч света проходил как можно ближе к поверхности цилиндра;

б) установите электромагнит так, чтобы расстояние H (см. рис. 1, 2) от нижней точки до поверхности цилиндра (МЦ) ≈1 м (расстояние задается преподавателем и одинаково для всех групп студентов);

в) уберите с установки фотодатчик и подключите к счетчику импульсов электромагнит. Установите шарик на электромагните.

3. Установите «0» на счетчике импульсов и нажмите кнопку «Пуск», после удара шарика о поверхность цилиндра нажмите кнопку «Стоп»: на счетчике высветится время падения шарика. Чему равна погрешность измерения времени падения в данном случае?

Примечание 1. Электромагнит отключен при нажатой кнопке «Пуск». Если нажать кнопку «Пуск» и быстро ее отпустить, то возможна задержка шарика электромагнитом, которая приведет к дополнительной ошибке в измерении времени. Отпускать кнопку «Пуск» следует в момент времени, когда шарик прошел пути.

Примечание 2. Измерив путь, пройденный шариком, и зная табличное значение ускорения свободного падения, рассчитайте время падения шарика и оцените погрешность. Сравните погрешность измеренного и рассчитанного времени падения шарика.

4. Запишите измеренное время падения шарика в табл. 1. Проведите измерения не менее 60 раз.

Таблица 1

Номер измерения	1	2	3	4	5
Время падения, с
Номер измерения	6	7	8	9	10
Время падения, с
Номер измерения	11	12	13	14	15
Время падения, с

5. По данным табл. 1 рассчитайте по формуле

среднее значение времени падения шарика.

6. Используя данные из табл. 1 и вычисленное значение , рассчитайте величины и . Заполните табл. 2.

Таблица 2

Номер измерения
1
2
…

7. Рассчитайте среднее квадратичное отклонение результатов отдельных измерений по формуле:

.

8. Рассчитайте среднее квадратичное отклонение среднего значения по формуле:

.

9. Используя таблицу коэффициентов Стьюдента (см. приложение), рассчитайте доверительную случайную погрешность измерения времени для доверительной вероятности, указанной преподавателем.

10. Постройте гистограмму результатов наблюдения, разбив промежуток на интервалы с. Для построения гистограммы удобно предварительно заполнить табл. 3.

Таблица 3

Границы j-того интервала
…
…

11. Измерьте высоту падения шарика Н. По формуле рассчитайте величину ускорения свободного падения. Оцените погрешность измерения g.