Реферат: Исследование явления дифракции света на компакт диске

--PAGE_BREAK--                  на решетку
Цель. С помощью явления дифракции света определить число штрихов, т.е. число дорожек    на 1 мм в CD и DVD-компакт-диске. (При выполнении этого задания используется прибор №1 – рисунок 2).
1. Укрепите в зажиме прибора препарат с кусочком CD- диска. Он должен быть расположен строго перпендикулярно к направлению луча лазера, установленного в нулевое положение.
2. Нажав на кнопку включателя лазера, проверьте точность  установки препарата (дифракционной решетки) и лазера. Она считается нормальной, если  падающий луч идет строго по оси поворотной планки, а отраженный луч возвращается  в выходное окошко лазера. Проверить это можно с помощью листочка белой бумаги, помещенной немного выше окошка лазера. Если необходимо, слегка подрегулируйте положение лазера и препарата.
3. Включив лазер,  измерьте углы дифракции для максимумов первого (k =1 ) j1 и второго (k =2) j2  порядка. Максимумы более высоких порядков в данном опыте не наблюдаются.
4. По полученным значениям углов дифракции определите  период dдифракционной структуры  компакт-диска и число дорожек n на 1 мм
<shape id="_x0000_i1034" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image018.wmz» o:><img width=«154» height=«51» src=«dopb67784.zip» v:shapes="_x0000_i1034">                                                                (2)
Длина волны  света, излучаемого  лазером, занимает диапазон 620-680 нм.  Для расчетов можно воспользоваться средним значением длины волны  λ=650 нм=0,00065 мм.
5. По результатам двух измерений вычислите среднее значение числа дорожек на 1 мм на CD-диске.
6. Замените препарат с кусочком CD-диска на препарат с кусочком DVD-диска.
7. Повторите измерения и вычисления пунктов 2-4. Особенность данного опыта состоит в том, что даже максимум второго порядка вряд ли удаться наблюдать.
8. В выводе отметьте, насколько больше, по крайней мере, информации можно записать на DVD-диске, чем СD.
Задание 2. Компакт диск – дифракционная решетка. Наклонное падение света
                   на решетку
 При наклонном падении света на дифракционную решетку дифракционная картина «растягивается», так что период дифракционной решетки определяется из соотношения
<shape id="_x0000_i1035" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image020.wmz» o:><img width=«204» height=«53» src=«dopb67785.zip» v:shapes="_x0000_i1035">                                                          (3)
где q — угол падения лучей света на решетку.
1. Установите в зажиме препарат с кусочком CD-диска. Отюстируйте прибор.
2. С помощью поворотной планки установите угол падения луча лазера  10° , а затем  20°
Измерьте дифракционные углы j1и 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 <shape id="_x0000_i1036" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image022.wmz» o:><img width=«20» height=«26» src=«dopb67786.zip» v:shapes="_x0000_i1036"> и магнитный вектор <shape id="_x0000_i1037" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image024.wmz» o:><img width=«23» height=«25» src=«dopb67787.zip» v:shapes="_x0000_i1037">перпендикулярны друг другу и направлению распространения <shape id="_x0000_i1038" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image026.wmz» o:><img width=«17» height=«23» src=«dopb67788.zip» v:shapes="_x0000_i1038"> светового луча, т. е. световая волна является поперечной.   Если ориентация векторов<shape id="_x0000_i1039" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image022.wmz» o:><img width=«16» height=«21» src=«dopb67789.zip» v:shapes="_x0000_i1039"> или <shape id="_x0000_i1040" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image024.wmz» o:><img width=«20» height=«21» src=«dopb67790.zip» v:shapes="_x0000_i1040">в любой точке на луче меняется хаотически, т. е. все направления этих векторов равноправны, то свет считается неполяризованным или  естественным (рис. 3. а).
<group id="_x0000_s1087" coordorigin=«1339,3487» coordsize=«9593,3258» o:allowincell=«f»><img width=«643» height=«239» src=«dopb67791.zip» v:shapes="_x0000_s1087 _x0000_s1088 _x0000_s1089 _x0000_s1090 _x0000_s1091 _x0000_s1092 _x0000_s1093 _x0000_s1094 _x0000_s1095 _x0000_s1096 _x0000_s1097 _x0000_s1098 _x0000_s1099 _x0000_s1100 _x0000_s1101 _x0000_s1102 _x0000_s1103 _x0000_s1104 _x0000_s1105 _x0000_s1106 _x0000_s1107 _x0000_s1108 _x0000_s1109 _x0000_s1110 _x0000_s1111 _x0000_s1112 _x0000_s1113 _x0000_s1114 _x0000_s1115 _x0000_s1116 _x0000_s1117">
   Свет считается плоско (линейно) поляризованным, если при его распространении в любой заданной точке конец векторов <shape id="_x0000_i1041" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image022.wmz» o:><img width=«19» height=«25» src=«dopb67792.zip» v:shapes="_x0000_i1041"> и <shape id="_x0000_i1042" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image024.wmz» o:><img width=«23» height=«25» src=«dopb67787.zip» v:shapes="_x0000_i1042">описывает прямую линию. Плоскость, в которой располагаются векторы  <shape id="_x0000_i1043" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image022.wmz» o:><img width=«20» height=«26» src=«dopb67786.zip» v:shapes="_x0000_i1043"> и <shape id="_x0000_i1044" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image026.wmz» o:><img width=«17» height=«25» src=«dopb67793.zip» v:shapes="_x0000_i1044">называется плоскостью колебаний, а перпендикулярная к ней – плоскостью поляризации (рис. 3. б).
   Свет может быть поляризован частично, тогда доля присутствующего в нем поляризованного света оценивается в процентах и степень поляризации Р определяется по  формуле:
<shape id="_x0000_i1045" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image033.wmz» o:><img width=«135» height=«56» src=«dopb67794.zip» v:shapes="_x0000_i1045">                                                                          (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.
<group id="_x0000_s1118" coordorigin=«1701,10386» coordsize=«2706,3056» o:allowincell=«f»><path o:connectlocs=«0,0;21085,26291;0,21600»><img width=«184» height=«208» src=«dopb67795.zip» v:shapes="_x0000_s1118 _x0000_s1119 _x0000_s1120 _x0000_s1121 _x0000_s1122 _x0000_s1123 _x0000_s1124 _x0000_s1125 _x0000_s1126">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
<shape id="_x0000_i1046" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image036.wmz» o:><img width=«63» height=«23» src=«dopb67796.zip» v:shapes="_x0000_i1046">,                                       (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 иne , причем  no¹ ne. Отклоняя один из лучей в сторону, можно выделить второй, т.е. получить плоско поляризованный свет. Устройства, действующие таким образом, называются поляризаторами (рис. 5).
<group id="_x0000_s1127" coordorigin=«6769,13080» coordsize=«4344,2715» o:allowincell=«f»><shapetype id="_x0000_t6" coordsize=«21600,21600» o:spt=«6» path=«m,l,21600r21600,xe»><path gradientshapeok=«t» o:connecttype=«custom» o:connectlocs=«0,0;0,10800;0,21600;10800,21600;21600,21600;10800,10800» textboxrect=«1800,12600,12600,19800»><img width=«261» height=«169» src=«dopb67797.zip» v:shapes="_x0000_s1127 _x0000_s1128 _x0000_s1129 _x0000_s1130 _x0000_s1131 _x0000_s1132 _x0000_s1133 _x0000_s1134 _x0000_s1135">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.
<group id="_x0000_s1136" coordorigin=«2736,9504» coordsize=«5904,3024» o:allowincell=«f»><imagedata src=«14835.files/image039.wmz» o:><img width=«355» height=«165» src=«dopb67798.zip» v:shapes="_x0000_s1136 _x0000_s1137 _x0000_s1138">
   Если пропустить естественный свет через поляризатор, то из него выйдет плоскополяризованный свет (рис 6).Если теперь этот плоскополяризованный свет пропустить еще через один поляризатор, который обычно называется «анализатором», то интенсивность прошедшего света будет определятся углом между плоскостями их поляризации.
   Интенсивность света, прошедшего два поляризатора, прямо пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора (закон Малюса)
<shape id="_x0000_i1049" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image041.wmz» o:><img width=«115» height=«30» src=«dopb67799.zip» v:shapes="_x0000_i1049">                                                                (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 – °. Запишите показание прибора
6. Поворачивая поляризатор на каждый раз на 10°  от ° 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 на100 %. 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 I0следует 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.

<line id="_x0000_s1141" from=".2pt,56.6pt" to=«468.8pt,56.6pt» o:allowincell=«f» strokeweight=«2.25pt»><shape id="_x0000_s1139" type="#_x0000_t202" o:allowincell=«f» stroked=«f»><line id="_x0000_s1140" from=".2pt,125.6pt" to=«468.8pt,125.6pt» o:allowincell=«f» strokeweight=«4.5pt»><img width=«632» height=«77» src=«dopb67800.zip» v:shapes="_x0000_s1141 _x0000_s1139 _x0000_s1140">
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:         
<shape id="_x0000_i1050" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image044.wmz» o:><img width=«232» height=«32» src=«dopb67801.zip» v:shapes="_x0000_i1050">,                                             (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
<shape id="_x0000_i1051" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image046.wmz» o:><img width=«109» height=«50» src=«dopb67802.zip» v:shapes="_x0000_i1051">,                                                        (2)
или оптическая плотность образца D:
<shape id="_x0000_i1052" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image048.wmz» o:><img width=«141» height=«49» src=«dopb67803.zip» v:shapes="_x0000_i1052">                                                      (3)
   Согласно закону Бугера коэффициент пропускания экспоненциально уменьшается в зависимости от толщины образца (слоя вещества):
<shape id="_x0000_i1053" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image050.wmz» o:><img width=«119» height=«26» src=«dopb67804.zip» v:shapes="_x0000_i1053">                                                                 (4)
   В то же время оптическая плотность зависит от толщины образца линейно:
<shape id="_x0000_i1054" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image052.wmz» o:><img width=«222» height=«28» src=«dopb67805.zip» v:shapes="_x0000_i1054"> ,                                             (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:
<shape id="_x0000_i1055" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image054.wmz» o:><img width=«99» height=«29» src=«dopb67806.zip» v:shapes="_x0000_i1055">,                                                                   (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:
<shape id="_x0000_i1056" type="#_x0000_t75" o:ole="" fillcolor=«window»><imagedata src=«14835.files/image056.wmz» o:><img width=«137» height=«52» src=«dopb67807.zip» v:shapes="_x0000_i1056">                                                          (7,8)                                                   
<group id="_x0000_s1142" coordorigin=«994,12780» coordsize=«4681,3124» o:allowincell=«f»><img width=«326» height=«185» src=«dopb67808.zip» v:shapes="_x0000_s1142 _x0000_s1143 _x0000_s1144">    То обстоятельство, что оптическая плотность раствора D пропорциональна концентрациис 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 светофильтрСФ,  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.
    продолжение
--PAGE_BREAK--