Методические указания

Форма Ф СО ПГУ 7.18.2/05

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

С.Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеті
Жалпы және теориялық физика кафедрасы

«Оптика» пәнінен

5В060400- «Физика» мамандығының студенттеріне арналған

Зертханалық сабақтарға

ӘДІСТЕМЕЛІК НҰСҚАУЛАР

Павлодар

Лист утверждения методических указании к лабораторным занятиям

Форма Ф СО ПГУ 7.18.2/05

БЕКІТЕМІН ФМжАТФ деканы ___________ Н.А. Испулов «___»____________2012ж.

Құрастырған: аға оқытушы Искакова А.Б._____________________­­­_________
Физика және аспап жасау кафедрасы
5В060400- «Физика» мамандығының студенттеріне
«Оптика» пәні бойынша
Зертханалық сабақтарға

арналған

ӘДІСТЕМЕЛІК НҰСҚАУЛАР

Кафедра отырысында ұсынылған « » ___ __ 2012 ж.

№ _ хаттама.

Кафедра меңгерушісі ___________ М.К.Жукенов

Физика, математика және ақпараттық технологиялар факультетінің әдістемелік кеңесі мақұлданған 200__ж. _____________ «____» №_____хаттама

ОӘК төрайымы _______________________А.Б.Искакова

Зертханалық жұмыс №2
Микроскоптың ұлғайтуын және шынының сыну коэффициентін анықтау
Жұмыс мақсаты: микроскоптың құрылысымен, микроскопта бейнені құру принциптерімен танысу; микроскоптың көмегімен шынының сыну коэффициентін анықтау.

Құрал-жабдықтар: дөңгелек индикаторы бар микроскрп, микрометр, екі жақ бетінде де штихтары бар шыны пластинка.
Қысқаша теория

Әртүрлі оптикалық құралдардың ішінде көзді қаруландыруға арналған құралдар кең қолданыс табуда. Мұндай құралдарға көзілдірік, лупа, дүрбі, микроскопты жатқызуға болады.

Заттарды визуалды бақылауға арналған оптикалық құралдардың маңызды сипаттамасы болып көрінетін ұлғайту саналады.

Көрінетін ұлғайту көру бұрыштары арқылы анықталады. Оптикалық оське перпендикуляр орналасқан затты немесе оның бейнесін көруге болатын бұрышты көру бұрышы деп атайды.

Оптикалық құралдың Г көрінетін ұлғайтуы деп затты құрал арқылы бақылағандағы көру бұрышының тангенсінің көзден ең жақсы көрінетін қашықтықта (лупа мен микроскоптың ұлғайтуын есептегенде; сур.1) немесе құрал арқылы қарағандағы қашықтықта (бақылағыш дүрбілер үшін) орналасатын затты қаруланбаған көз арқылы бақылағандағы көру бұрышының тангенсіне қатынасын айтады.

Осылайша

. (1)

Ең алдымен лупа арқылы берілетін бұрыштық ұлғаюды анықтайық. Сәулелердің жолы 2-ші суретте көрсетілген.

У₁

L_ж.к.

Сурет 1

Сурет 2

АВ заты Ғ фокалдық жазықтықта орналассын. Заттың бір нүктесінен шығатын сәулелер(мысалы 1 және 2) лупадан кейін параллель жүреді. Заттың бейнесін көз торында алу үшін көз шексіздікке аккомодацияланады. Көздің аккомодациясы деп көзден әртүрлі қашықтықтарда орналасқан затты анық көруге бейімделуді айтады. Заттың фокус пен линза арасында да орналасуы мүмкін (А₂В₂); бұл жағдайда көз торындағы бейне көз аккомодациясы кезінде көзден көруге ең ыңғайлы қашықтықта L_ж.к. орналасқан АВ жалған бейне болып келеді.

Онда келесіні аламыз:

(2) (3)

және бұрыштық ұлғаю

, (4)

яғни Г бұрыштық ұлғаю берілген жағдайда көлденең ұлғаюға тең.

Көз лупаның артқы фокусының жанында орналасқан, сондықтан . Бұл жағдайда:

; (5)

f – метрмен өлшегендегі фокустық арақашықтық, L_ж.к.=0,25м.

Микроскоп
Оптикалық микроскоптардың көмегімен үлкен ұлғайту мен жақын орналасқан заттар немсе олардың жеке бөліктері қарастырылады. Микроскоптағы сәулелер жолы 3-ші суретте көрсетілген.

АВ заты объективтің алдыңғы фокалдық жазықтығының жанында орналасқан. Объектив үлкейтілген нақты кері бейнесін береді, ол окуляр арқылы қарастырылады. бейнесі окулярдың F₂ алдыңғы фокусының жанында орналасу керек, сондықтан деп санауға болады, мұндағы - объективтің артқы фокусынан Ғ₂ алдыңғы фокусына дейінгі қашықтық.

Объективтің беретін көлденең ұлғайтуы келесіге тең:

(6)

Осыдан бейнесінің өлшемін анықтаймыз:

(7)

бейнесі бұрышынан көрінеді.

(8)

Анықтама бойынша (9)

Микроскоптың бұрыштық ұлғайтуын анықтайық:

(10)

яғни микроскоптың ұлғайтуы объектив пен окулярдың ұлғайтуларының көбейтіндісіне тең. Олардың мәндері окуляр мен объективтің жақтауларында келесі түрде көрсетіледі: 8^х, 20^х және т.с.с. (8-еселік, 20-еселік ұлғайту)

Микроскоптың сипаттамасы

Микроскоп төменгі бөлігінде объектив, ал үстінгі бөлігінде окуляр орналасқан тубустан тұрады. Объектив бір жақтауға бекітілген линзалар жүйесі болып келеді. Окуляр кішкентай түтікшеге бекітілген екі жинағыш линзадан тұрады. Олардың бірі - өрістік, екіншісі – көздік деп аталады.

Үстелдің үстінде микроскоптың тубусы, ал астында айна орналасқан. Айна қандай да бір жарық көзінен шыққан сәулелердің затқа бағытталуын қамтамасыз етеді. Тубус бұранданың көмегімен АВ заты объективтің негізгі фокусынан аз ғана алыс орналасатындай етіліп бекітіледі. АВ затының шын бейнесі объективтің басқа жағындағы объективте алынады. Бұл бейнені окулярдың көздік линзасы арқылы бақылауға болады. Ол линза осы жағдайда АВ жалған бейнені беретінлупа секілді жұмыс істейді.

Микроскоп әр түрлі оптикалық күштерге ие бірнеше объективтен тұрады. Тубустың осындай үлгілемелік орын ауыстыруы сәйкес бөліктері бар микрометрлік винт арқылы іске асады.

Тапсырма №1

Микроскоптың үстеліне бөліктері бар сызғыш орналастыру керек (бір бөліктің құны 1мм). Окулярдың 25см қашықтықта койылған үстел үстіне таза қағаз парағы орналастырылады. Осыдан кейін окуляр арқылы микроскоп үстеліндегі сызғыш шкаласын бақылай отырып көршілес штрихтардың жуық орналасуын қағазға белгілеу керек. Микроскоптың ұлғайтуы қағаздағы штрихтар арақашықтығының сызғыштағы штрихтар арақашықтығына қатынасы арқылы анықталады.

1. 
   микроскоптың ұлғайтуын анықтау;
   
2. 
   микроскоптағы сәулелер жолын құру.
   

Тапсырма №2

Микроскоптың көмегімен шынының сыну коэффициентін анықтау.

Жарықтың оптикалық тығыздықтары әр түрлі екі мөлдір заттың тегіс және жазық шекарасынан өткен кезде жарықтың АО түскен сәулесі ОВ шағылған және ОД сынған сәулелерге бөлінеді.(сурет 4) Бұл сәулелердің бағыттары жарықтың сыну және шағылу заңдары арқылы анықталады.

1) АО түскен сәуле, түсу нүктесіне жүргізілген РОР нормалі, ОВ шағылған сәуле және ОД сынған сәуле бір жазықтықта жатады.

2) Шағылу бұрышы мен сыну бұрышы өзара тең.

3) i түсу бұрышының синусының r сыну бұрышының синусына қатынасы 1-ші ортадағы жарық жылдамдығының() 2-ші ортадағы жарық жылдамдығына() қатынасына тең:

.

Соңғы заңнан көретініміздей жарық әртүрлі орталарда әртүрлі жылдамдықпен таралады.

Берілген екі орта үшін және толқын ұзындығы берілген жарық сәулесі үшін 1-ші ортадағы жарық жылдамдығының 2-ші ортадағы жарық жылдамдығына қатынасы және түсу бұрышының синусының сыну бұрышының синусына қатынасы тұрақты шама болып келеді, яғни

; .

n₂₁ шамасы 2-ші ортаның 1-ші ортаға қатысты салыстырмалы сыну көрсеткіші деп аталады.

Егер 1-ші орта вакуум немесе ауа болса, онда 2-ші ортаның n₂ сыну көрсеткіші вакуумға қатысты абсолют сыну көрсеткіші немесе жай ғана сыну көрсеткіш деп аталады.

2-ші ортаның абсолют сыну көрсеткіші(сурет1):

; ;

мұндағы с – вакуумдағы жарық жылдамдығы,

- 2-ші ортадағы жарық жылдамдығы,

басқаша айтқанда ортаның сыну көрсеткіші дегеніміз вакуумдағы жарық жылдамдығының берілген ортадағы жарық жылдамдығына қатынасы:

Сыну көрсеткіші жарықтың толқын ұзындығы мен ортаның қасиеттеріне тәуелді. Абсолют сыну көрсеткіш 1-ден үлкен шама болып келеді. Бұл берілген ортадағы жарық жылдамдығы вакуумдағы жарық жылдамдығынан әрқашанда кем болатынын білдіреді.

Екі ортаның салыстырмалы сыну көрсеткіші n₂₁ орталардың n₁ және n₂ абсолют сыну көрсеткіштерімен келесі түрде байланысты:

Заттардың сыну көрсеткіштерін анықтау үшін көптеген әдістер қолданылады. Осылардың біріне шынының сыну көрсеткішін микроскоп арқылы анықтау әдісі жатады.

Бұл әдістің негізінде жарық сәулелерінің сынуы салдарынан шыны пластинканың қалыңдығының жалған кему құбылысы жатыр. Шыны пластинка арқылы сәулелердің өту сызбасы 5-ші суретте келтірілген.

Шыны пластинканың төменгі бетіндегі А нүктесіне 1 және 2 сәулелері түссін. 1 сәулесі пластинка бетіне нормаль түскендіктен сынуға ұшырамай пластинка арқылы өтіп В нүктесінен шығады. 2 сәулесі орталардың шекарасындағы С нүктесіне I бұрышпен түседі және пластинкадан шыққан соң Д нүктесіне қарай rсыну бұрышымен бағытталады. r сыну бұрышы i түсу бұрышынан үлкен. Егер ДС бағыты бойынша Д нүктесінен қараса, онда бақылаушы СД сәулесінің жалғасы мен АВ сәулесімен қиылысу нүктесі болатынын көреді. Бақылаушы үшін А нүктесі нүктесіне ығысады. Пластинканың қалыңдығы -ға ығысады. 5-ші суреттен пластинканың жалған қалыңдығы оның AB=H шын қалыңдығынан артық болатынын көреміз.

Нормаль түсетін сәулелерге жақын сәулелер үшін түсу және сыну бұрыштары аз болып келеді. Бұл жағдайда синустарды тангенстермен айырбастауға болады және жарықтың сыну заңы бойынша келесіні жазуға болады (сәулелердің кері жүрісін қарастырғанда, яғни Д нүктесінен А нүктесіне):

.

Суретті қарап сәйкес түрлендірулер жасаған соң келесіні аламыз:

; ; .

Сондықтан шынының сыну көрсеткішінің шыны пластинканың H шын қалыңдығының оның h жалған қалыңдығына қатынасы арқылы анықтауға болады. Пластинканың шын қалыңдығын микрометрмен, ал жалған қалыңдығын микрометрлік бұрандасы (немесе дөңгелек индикаторы) бар микроскоп көмегімен өлшейді.

Тубустың орын ауыстыруын дөңгелек индикатор(ДИ) арқылы өлшеуге болады. Индикатордың үлкен тілінің бір толық айналуы кіші тілдің 1мм-ге ығысуына сәйкес келеді. Индикатор шкаласындағы бөлік құны 0,01мм-ге тең. Кіші тілі бар шкаладағы бөлік құны үлкен тілдің бір айналып өтуіне сәйкес келеді.
Өлшеулер және нәтижелерді өңдеу

1. 
   Шыны пластинканың шын қалыңдығы микрометрмен штрихтар бар жерде өлшенеді және оның мәні миллиметрмен алынады.
   
2. 
   Шыны пластинканың h жалған қалыңдығы анықталады, ол үшін:
   
   • 
     Штрихтардың қиылысу жері құралдың оптикалық осінде жататындай етіп объектив астындағы микроскоп үстеліне пластинка қойылады;
     
   • 
     Тубусты қозғау арқылы пластинканың үстінгі(астынғы) бетіндегі штрихтың митроскоптағы анық бейнесі алынады. Осыдан кейін индикатор шкаласы 0-ге келтіріледі. Кіші тілдің көрсеткіші жазалып алынады;
     
   • 
     Пластинканың төменгі(жоғарғы) бетіндегі штрих бейнесі анық көрінгенге дейін микроскоп тубусы төмен қарай(жоғары қарай) қозғалтылады;
     

Индикатор шкаласының жаңа санағы пластинканың жалған қалыңдығын береді:

Мұндағы N – үлкен тілдің толық айналуларының саны. Ол кіші тілдің көрсеткіштерінің өзгерісіне тең (бүтін сандармен алғанда);

k – үлкен тілдің көрсеткіші.

3. 
   Шынының сыну көрсеткіші есептеледі:
   

.

4. 
   Пластинканың шын және жалған қалыңдығын өлшеу кем дегенде 3 рет жүргізілу керек; шынының сыну көрсеткішінің орташа мәні анықталады.
   
5. 
   Барлық мәліметтерді кестеге енгізу керек:
   

№	H мм	h мм
1 2 3
Орташа мәндер

Бақылау сұрақтары

1. 
   Микроскоптың ұлғайтуы дегеніміз не?
   
2. 
   Микроскоптың сызықты ұлғайтуының формуласын қорытып шығару.
   
3. 
   Микроскоп құрылысы және оның қолданысы.
   
4. 
   Микроскоптағы және лупадағы сәулелердің жолын сызу.
   
5. 
   Микроскоп ұлғайтуының тәжірибелік анықталуы қалай жүргізіледі.
   
6. 
   Қарастырып отырған жағдай үшін шынының сыну коэффициентін анықтауға қажетті формуланы қорытып шығару.
   

ЗЕРТХАНАЛЫҚ ЖҰМЫС №9.

ЖАРЫҚ ПОЛЯРИЗАЦИЯСЫН АНЫҚТАУ.

ЖҰМЫС МАҚСАТЫ: поляроидтар көмегімен шағылу, сыну, дихроизм, жасанды анизотропия, екіленіп сәулесынушылық жағдайдағы жарық поляризациясын анықтау.

ҚҰРАЛ-ЖАБДЫҚТАР: проекциялық аппарат, екі поляроид, иілімді көрсететін пластинка, исланд шпатының кристалы, лазер, әйнек шынысының пластинкасы, экран, рельс моделімен берілген бұрандама.

ҚЫСҚАША ТЕОРИЯ.

Қандай да бір ток көзінен шығатын жарық сәулесін электромагниттік толқындар жиынтығы деп қарастыруға болады. Электромагниттік толқындар - көлденең толқындар, басқаша айтқанда, электрлік және магниттік өрістерінің кернеулік векторларының тербелісі сәулеге перпендикуляр бағытта болады. Ережеге сай, жарық сәулесінде электрлік және магниттік вектор тербелісінің бағыттары әр түрлі толқындар бар. Тербеліс бағытының артықшылығы жоқ (сурет 1).

Мұндай жарық табиғи жарық деп аталады.

Егер жарықтың тербеліс бағыттары қандай да бір үлгімен реттелген болса, онда жарық поляризацияланған деп аталады.

Егер электрлік және магниттік векторлар тербелістері бір жазықтықта ғана болса, онда жарық жазық- немесе сызықты поляризацияланған деп аталады (сур 2). Электрлік вектор және электромагниттік толқындардың таралу бағытымен өтетін жазықтығы тербеліс жазықтығы деп аталады.

Егер толқын бойындағы вектор (жарық векторы) уақыт бойынша айналып, яғни оның соңы эллипс жазса, онда мұндай жарықты эллипстік поляризацияланған деп атаймыз.

Эллипстік поляризация - көлденең толқын поляризациясының жалпы түрі, егер эллипстің осьтерінің біреуі нолге тең болса, онда сызықты поляризация эллипстік поляризацияның дербес жағдайы болып келеді. Ал эллипстің жарты осьтері тең болса, онда тағы дербес жағдай – дөңгелек (циркулярды) поляризация аламыз.

векторының айналу бағытына қарай оң және сол эллипстік және дөңгелек поляризация болып бөлінеді. Сәуле бағытына қарама-қарсы бағытқа қатысты вектор сағат тілі бойымен айналса, поляризация оң деп аталады, керісінше жағдайда сол деп аталады.

Табиғи жарықтан жазықполяризацияланған жарықты поляризатор деп аталатын құрал арқылы алуға болады. Мұндай құрал - жабдықтар жазыққа параллель тербелісті еркін өткізеді. Оны біз РР поляризатор жазықтығы деп атаймыз (сур 3) және ол бұл жазықтыққа перпендикуляр тербелістерді толық тежейді. Сәуле

Тербеліс жазықтығы

Сурет 1.

Поляризация жазық-

тығы

Сәуле
Сурет 2 а.

Сурет 2 б.

А I

Поляризатор жазықтығы d

Р

Анализатор жазықтығы

Р
Сурет 3.

Сонымен бірге, жарық поляризациясын поляризаторға тәріздес анализатор деген аспаппен де алуға болады.

Келесі тәжірибені қарастырайық. РР оптикалық ось деп аталатын турмалин кристалы бетіне перпендикулярға жарықты бағыттайық. кристалын сәуле бойымен айналдырып, сәуле арқылы өтетін жарық екпінділігінің өзгеруін бақылаймыз. Кристалл айналғанда жарық екпінділігі өзгермейді.

А

следующая страница>