МУ-О-80 (Дисперсия и разрешающая способность призмы и дифракционного спектроскопа)

Московский государственный технический университетимени Н. Э. БауманаФакультет «Фундаментальные науки»Кафедра «Физика»В.О. Гладышев, В.Л. Кауц, Т.М. Гладышева, А.А. ТерешинДИСПЕРСИЯ И РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРИЗМЫИ ДИФРАКЦИОННОГО СПЕКТРОСКОПАЛабораторный практикум по курсу физикиЛабораторная работа О-80Москва2015УДК535.015Гладышев В. О., Кауц В. Л., Гладышева Т. М., Терешин А. АДисперсияиразрешающаяспособностьпризмыидифракционногоспектроскопа, М.: МГТУ имени Н. Э.

Баумана, 2015, 34 с.Издание содержит материалы для изучения явления дисперсии света,экспериментального определения показателя преломления треугольной призмы,построения дисперсионной кривой для исследуемой призмы на основании полученныхэкспериментальных данных, определение разрешающей способности призмы идифракционной решетки.При выполнении лабораторной работы студенты проводят самостоятельныеисследования, позволяющие более глубоко изучить процесс переноса излучения вразличных средах, получить навыки экспериментальной работы и освоить методыстатистической обработки результатов, предлагаются вопросы для самопроверки.Данные методические указания выполнены в соответствии с ФГОС третьегопоколения.Для студентов второго курса и всех факультетов МГТУ им. Н. Э.

Баумана,изучающих курс общей физики.Гладышев Владимир ОлеговичКауц Владимир ЛеонидовичГладышева Татьяна МихайловнаТерешин Александр АндреевичДИСПЕРСИЯ И РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРИЗМЫ ИДИФРАКЦИОННОГО СПЕКТРОСКОПА.©2015 МГТУ имени Н. Э. Баумана2ОглавлениеПРЕДИСЛОВИЕ…………………………………………………………………………………….5ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................................

8ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ............................................................................................................. 9СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЭЛЕКТРОНЫ ......................................................................... 9УРАВНЕНИЕ ДИСПЕРСИИ ...................................................................................................... 11ДИСПЕРСИОННЫЕ КРИВЫЕ ................................................................................................. 15РАЗРЕШАЮЩАЯ СИЛА ПРИЗМЕННОГО СПЕКТРОСКОПА ...........................................

17РАЗРЕШАЮЩАЯ СИЛА СПЕКТРОСКОПА С ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ ..... 177ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ............................................................................................. 188ИНСТРУКЦИЯ ПО РАБОТЕ С НОНИУСОМ ..................................................................... 199ПРИМЕР РАБОТЫ С НОНИУСОМ ......................................................................................... 21ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ ...................................................... 22КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ......................................................................................................

298ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................................................. 30303ПРЕДИСЛОВИЕМетодические указания к лабораторной работе О-80 «Дисперсия иразрешающая способность призмы и дифракционного спектроскопа»лабораторного практикума по курсу физики имеют цель содействоватьформированию следующих компетенций:• способность самостоятельно применять методы и средства познания,обучения и самоконтроля;• способность к целенаправленному применению базовых знаний вобласти естественных наук в профессиональной деятельности;что реализуется путем ознакомления студентов с основными законамифизики и возможностями их применения для решения современныхинженерных и научных задач.После освоения дисциплины студент должен знать: основныефизические явления и основные законы физики, включая границы ихприменимости, применение в важнейших практических приложениях;основные физические величины и физические константы, их определение,смысл, способы и единицы их измерения; фундаментальные физическиеопыты и их роль в развитии науки; назначение и принципы действияважнейших физических приборов;уметь: объяснить основные наблюдаемые природные и техногенныеявленияиэффектыспозицийфундаментальныхфизическихвзаимодействий; указать, какие законы описывают данное явление илиэффект; истолковывать смысл физических величин и понятий; работать сприборами и оборудованием современной физической лаборатории;использовать различные методики физических измерений и обработкиэкспериментальных данных;иметьнавыкиправильнойэксплуатацииосновныхприборовиоборудования современной физической лаборатории, в том числе4методиками обработки и интерпретирования результатов физическогоэксперимента.Лабораторный практикум кафедры физики МГТУ им.

Н.Э. Бауманапредполагаетсамостоятельное(подруководствомпреподавателя)выполнение экспериментов, обработку снятых данных, обсуждениеполученных результатов.При подготовке к текущей лабораторной работе, в соответствии спланом-графикомпроведенияфизическогопрактикума,студентыиспользуют методические указания к лабораторной работе, изданныеиздательством МГТУ им. Н.Э. Баумана, которые также имеются также вэлектронном виде на сайте кафедры http://fn.bmstu.ru/phys.Студент, обучающийся в физическом практикуме должен иметь:тетрадь для лабораторных работ объемом не менее 48 страниц, чертежныеинструменты и калькулятор; допуск по технике безопасности; конспектлабораторной работы и допуск к работе от преподавателя.Конспект работы должен содержать: номер и название работы; цельработы; тезисное изложение теоретической части; экспериментальнуючасть, включающую схему установки и порядок работы на ней,наименование заданий, таблицы для записи результатов измерений и местодля проведения расчетов; контрольные вопросы и письменные ответы наних.Обработка результатов экспериментов проводится во время занятия, арезультаты представляются преподавателю, который делает отметку овыполнении работы в карточке-журнале.Расчеты проводятся в системе СИ и заносятся в тетрадь.

Всеграфические работы выполняются на масштабно-координатной бумаге ссоблюдением ГОСТов.Защита лабораторной работы происходит в часы текущего занятия ( ввиде собеседования с преподавателем), либо на следующем занятии.5Студент, не имеющий конспекта лабораторной работы, к выполнениюработы не допускается, а готовит конспект во время занятия.Оценказалабораторнуюработувыставляетсявкарточкупреподавателем следующим образом:3 балла – Лабораторная работа выполнена и защищена в соответствии сграфиком; хорошее качество конспекта и итогового отчёта; полный иправильный ответ на вопросы, задаваемые на защите лабораторнойработы.2 балла – Лабораторная работа выполнена и защищена с нарушениемграфика;и/иликачествоконспектаиитоговогоотчётаудовлетворительные; неполные, но, по сути, правильные ответы навопросы, задаваемые на защите лабораторной работы.1 балл – Лабораторная работа выполнена со значительным нарушениемграфика; конспект и итоговый отчёт не являются полными; неполныеответы на вопросы, задаваемые на защите, работа не защищена.0 баллов – Лабораторная работа не выполнена и не защищена.Лабораторная работа О-80 «Дисперсия и разрешающая способностьпризмы и дифракционного спектроскопа» выполняется в III семестре, вМодуле №2 по тематике лабораторных работ «Волновая оптика» (8 часов):Экспериментальное изучение явлений дифракции и поглощения света.Изучение спектральных приборов и их характеристик.

Применениерефрактометрического анализа.Послевыполнениялабораторнойработыстудентысмогут:самостоятельно проводить эксперименты с использованием гониометра;определять показатель преломления призмы; строить дисперсионнуюкривуюдлярассмотреннойпризмы;определятьразрешающуюспособность стеклянной призмы и дифракционных решёток при помощидисперсионных кривых; определять величину дисперсии дифракционнойрешётки.6ВВЕДЕНИЕЛюбые среды в той или иной степени обладают дисперсией(исключение-вакуум)–зависимостьюпоказателяпреломленияэлектромагнитных волн от их частоты.

Иногда под дисперсией могутпонимать процесс разложения широкополосного сигнала в спектр,например, при помощи дифракционной решётки.Данное явление экспериментально было обнаружено Ньютоном в1672 году, но теоретическое обоснование получило гораздо позже.Самым наглядным примером дисперсии можно назвать разложениебелого света при прохождении его через призму. В основе этого явлениялежит различие фазовых скоростей распространения лучей света сразличной длиной волны в оптической среде.

Чем выше частота колебанийсветовой волны, тем больше становится показатель преломления среды длянее и тем меньше фазовая скорость волны в среде.7Лабораторная работа О-80ДИСПЕРСИЯ И РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ПРИЗМЫИ ДИФРАКЦИОННОГО СПЕКТРОСКОПАЦель лабораторной работы:Изучитьявлениеотклоненияраспространениясветаотгеометрических законов оптики, а также ознакомиться с явлениемдисперсии.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬДисперсиясветаобусловленавынужденнымиколебаниямизаряженных частиц (электронов и ионов) в результате действия на нихпеременногополяэлектромагнитнойволны.Будемрассматриватьдисперсию в газах, поскольку в этом случае в первом приближении можнопренебречь сложным взаимодействием атомов и молекул среды.Все электроны, входящие в атом, можно разделить на две группы:оптические(периферийные)иэлектронывнутреннихоболочек.Оптические электроны – те частицы, которые совершают вынужденныеколебания под действием переменного электромагнитного поля волны(частота колебаний ~10 Гц).

В оптической области спектра наизлучение и поглощение света оказывают влияние практически однитолькооптическиеэлектроны.Собственныечастотыэлектроноввнутренних оболочек достаточно велики, поэтому их колебания в полесветовой волны практически не возбуждаются.СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЭЛЕКТРОНЫа) Возвращающая силаОпытным путем было установлено, что изолированные атомы любыхвеществ могут испускать практически монохроматические волны схарактерными для каждого вещества частотами. Данные частоты остаютсянеизменными при нагревании вещества (при увеличении средней энергии,8приходящейся на атом). Тогда силу, удерживающую электрон вположении равновесия, можно охарактеризовать как квазиупругую силу F = −,(1)где k – константа упругой связи.