Лабораторная работа №2 (решеба, ответы) по физике 11 класс - Определение световой волны с помощью дифракционной решётки
2. Установите экран на расстоянии L ~ 45-50 см от дифракционной решётки. ИзмерьтеL не менее 5 раз, рассчитайте среднее значение
5. Рассчитайте средние значения. Данные занесите в таблицу.
6. Рассчитайте период d решётки, запишите его значение в таблицу.
7. По измеренному расстоянию
8. Вычислите длину волны, соответствующую красной границе воспринимаемого глазом спектра.
9. Определите длину волны для фиолетового края спектра.
10. Рассчитайте абсолютные погрешности измерений расстояний L и l.
L = 0.0005 м + 0.0005 м = 0.001 м
l = 0.0005 м + 0.0005 м = 0.001 м
11. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности измерения длин волн.
Ответы на контрольные вопросы
1. Объясните принцип действия дифракционной решётки.
Принцип действия такой же, как и призмы - отклонение проходящего света на определённый угол. Угол зависит от длины волны падающего света. Чем больше длина волны, тем больше угол. Представляет собой систему из одинаковых параллельных щелей в плоском непрозрачном экране.
Нажмите, чтобы увеличить
2. Укажите порядок следования основных цветов в дифракционном спектре?
В дифракционном спектре: фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый и красный.
3. Как изменится дифракционный спектр, если использовать решётку с периодом, в 2 раза большим, чем в вашем опыте? В 2 раза меньшим?
Спектр в общем случае есть частотное распределение. Пространственная частота - величина, обратная периоду. Отсюда очевидно, что увеличение периода вдвое приводит к сжатию спектра, а уменьшение спектра приведёт к растяжению спектра вдвое.
Выводы: дифракционная решётка позволяет очень точно измерить длину световой волны.
Дифракционной решетки
Цель работы
С помощью дифракционной решетки получить спектр, изучить его. Определить длину волны фиолетовых, зеленых и красных лучей
Теоретическая часть работы
Параллельный пучок света, проходя через дифракционную решетку, вследствие дифракции за решеткой распространяется по все возможным направлениям и интерферирует. На экране, установленном на пути интерферирующего света, можно наблюдать интерференционную картину. В точке О поставленного за решеткой экрана разность хода лучей любой цветности будет равна нулю, здесь будет центральный нулевой максимум – белая полоса. В точке экрана, для которой разность хода фиолетовых лучей будет равна длине волны этих лучей, лучи будут иметь одинаковые фазы; здесь будет максимум – фиолетовая полоса – Ф. В точке экрана, для которой разность хода красных лучей будет равна длине их волны, будет максимум для лучей красного света – К. Между точками Ф и К расположатся максимумы всех остальных составляющих белого цвета в порядке возрастания длины волны. Образуется дифракционный спектр. Сразу за первым спектром расположен спектр второго порядка. Длину волны можно определить по формуле:
Где λ- длина волны, м
φ – угол, под которым наблюдается максимум для данной длины волны,
d – период дифракционной решетки d= 10 -5 м,
k – порядок спектра.
Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы первого и второго порядков не превышают 5 0 , можно вместо синусов углов использовать их тангенсы:
где a – расстояние от центра окна до середины лучей спектра, м;
ℓ - расстояние от дифракционной решетки до экрана, м
Тогда длина волны может быть определена по формуле:
Оборудование
Прибор для определения длины световой волны, дифракционная решетка, лампа накаливания.
Ход работы
1. Установите экран на расстоянии 40-50 см от решетки (ℓ).
2. Глядя сквозь решетку и щель в экране на источник света, добейтесь, чтобы по обе стороны от щели были четко видны дифракционные спектры.
3. По шкале на экране, определите расстояние от центра окна до середины фиолетовых, зеленых и красных лучей (a), вычислить длину световой волны по формуле: ,
4. Изменив расстояние от решетки до экрана (ℓ), опыт повторите для спектра второго порядка для лучей того же цвета.
5. Найдите среднее значение длины волны для каждого из монохроматических лучей и сравните с табличными данными.
Таблица Значения длин волн для некоторых цветов спектра
Таблица Результаты измерений и вычислений
Вычисления
1. Для спектра первого порядка: k=1 , d= , ℓ 1 =
а ф1 = , а з1 = , а кр1 =
Длина волны для спектра первого порядка:
- фиолетового цвета: , λ ф1 =
- зеленого цвета: , λ з1 =
- красного цвета:
, λ кр1 =
2. Для спектра второго порядка: k=2 , d= , ℓ 2 =
а ф2 = , а з2 = , а кр2 =
Длина волны для спектра второго порядка:
- фиолетового цвета:
, λ ф2 =
- зеленого цвета: , λ з2 =
- красного цвета:
, λ кр2 =
3. Среднее значение длин волн:
- фиолетового цвета:
, λ фср =
- зеленого цвета: , λ зср =
- красного цвета:
, λ крср =
Вывод
Записать ответы на вопросы полными предложениями
1. Что называется дифракцией света?
2. Что называется дифракционной решеткой?
3. Что называется периодом решетки?
4. Записать формулу периода решетки и комментарии к ней
Лабораторная работа №6.
Измерение световой волны.
Оборудование: дифракционная решетка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм.
Схема установки:
Держатель.
Черный экран.
Узкая вертикальная щель.
Цель работы: экспериментальное определение световой волны с помощью дифракционной решетки.
Теоретическая часть:
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными помежутками.
Источник
Длина волны определяется по формуле:
Где d – период решетки
k – порядок спектра
Угол, под котором наблюдается максимум света
Уравнение дифракционной решетки:
Поскольку углы, под которыми наблюдается максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5 , можно вместо синусов углов использовать их тангенсы.
Следовательно,
Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние b – по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.
Окончательная формула для определения длины волны имеет вид
В этой работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за некоторой неопределенности выбора середины части спектра.
Примерный ход работы:
b=8 см, a=1 м; k=1; d=10 -5 м
(красный цвет)
d – период решетки
Вывод: Измерив экспериментально длину волн красного света с помощью дифракционной решетки, мы пришли к выводу, что она позволяет очень точно измерить длины световых волн.
Лабораторная работа №5
Лабораторная работа №5
Определение оптической силы и фокусного расстояния собирающей линзы .
Оборудование: линейка, два прямоугольных треугольника, длиннофокусная собирающая линза, лампочка на подставке с колпачком, источник тока, выключатель, соединительные провода, экран, направляющая рейка.
Теоретическая часть:
Простейший способ измерения оптической силы и фокусного расстояния линзы основан на использовании формулы линзы
d – расстояние от предмета до линзы
f – расстояние от линзы до изображения
F – фокусное расстояние
Оптической силой линзы называют величину
В качестве предмета используется светящаяся рассеянным светом буква в колпачке осветителя. Действительное изображение этой буквы получают на экране.
Изображение действительное перевернутое увеличенное:
Изображение мнимое прямое увеличенное:
Примерный ход работы:
F = 8 см = 0,08 м
F = 7 см = 0,07 м
F = 9 см = 0,09 м
Лабораторная работа № 4
Лабораторная работа № 4
Измерение показателя преломления стекла
ученицы 11 класса «Б» Алексеевой Марии.
Цель работы: измерение показателя преломления стеклянной пластины, имеющей форму трапеции.
Теоретическая часть: показатель преломления стекла относительно воздуха определяется по формуле:
Таблица вычислений:
Вычисления:
n пр1=AE 1 / DC 1 =34мм/22мм=1,5
n пр2=AE 2 / DC 2 =22мм/14мм=1,55
Вывод: Определив показатель преломления стекла, можно доказать что это величина не зависит от угла падения.
Лабораторная работа по физике №3
Лабораторная работа по физике №3
ученицы 11 класса «Б»
Алексеевой Марии
Определение ускорения свободного падения при помощи маятника.
Оборудование:
Теоретическая часть:
Для измерения ускорения свободного падения применяются разнообразные гравиметры, в частности маятниковые приборы. С их помощью удается измерить ускорение свободного падения с абсолютной погрешностью порядка 10 -5 м/с 2 .
В работе используется простейший маятниковый прибор – шарик на нити. При малых размерах шарика по сравнению с длиной нити и небольших отклонениях от положения равновесия период колебания равен
Для увеличения точности измерения периода нужно измерить время t остаточно большого числа N полных колебаний маятника. Тогда период
И ускорение свободного падения может быть вычислено по формуле
Проведение эксперимента:
Установить на краю стола штатив.
У его верхнего конца укрепить с помощью муфты кольцо и повесить к нему шарик на нити. Шарик должен висеть на расстоянии 1-2 см от пола.
Измерить лентой длину l маятника.
Возбудить колебания маятника, отклонив шарик в сторону на 5-8 см и отпустив его.
Измерить в нескольких экспериментах время t 50 колебаний маятника и вычислить t ср:
Вычислить среднюю абсолютную погрешность измерения времени и результаты занести в таблицу.
Вычислить ускорение свободного падения по формуле
Определить относительную погрешность измерения времени.
Определить относительную погрешность измерения длины маятника
Вычислить относительную погрешность измерения g по формуле
Вывод: Получается, что ускорение свободного падения, измеренное при помощи маятника, приблизительно равно табличному ускорению свободного падения (g=9,81 м/с 2) при длине нити 1 метр.
Алексеева Мария, ученица 11 “Б” класса гимназии № 201 , г. Москва
Учитель физики гимназии № 201 Львовский М.Б.
Лабораторная работа по физике №7
Ученицы 11 класса «Б» Садыковой Марии
Наблюдение сплошного и линейчатого спектров.
О
борудование:
проекционный аппарат, спектральные трубки с водородом, неоном или гелием, высоковольтный индуктор, источник питания, штатив, соединительные провода, стеклянная пластина со скошенными гранями.
Цель работы: с помощью необходимого оборудования наблюдать (экспериментально) сплошной спектр, неоновый, гелиевый или водородный.
Ход работы:
Располагаем пластину горизонтально перед глазом. Сквозь грани наблюдаем на экране изображение раздвижной щели проекционного аппарата. Мы видим основные цвета полученного сплошного спектра в следующем порядке: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный.
Данный спектр непрерывен. Это означает, что в спектре представлены волны всех длин. Таким образом, мы выяснили, что сплошные спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы.
Мы видим множество цветных линий, разделенных широкими темными полосами. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенной длины волны.
Водородный спектр: фиолетовый, голубой, зеленый, оранжевый.
Наиболее яркой является оранжевая линия спектра.
Спектр гелия: голубой, зеленый, желтый, красный.
Наиболее яркой является желтая линия.
Основываясь на нашем опыте, мы можем сделать вывод, что линейчатые спектры дают все вещества в газообразном состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Изолированные атомы излучают строго определенные длины волн.
Цель работы : Определить длину световой волны, используя дифракционную решетку .
Оборудование:
1. Прибор для определения длины световой волны, состоящий из линейки, пластины с дифракционной решеткой и движка со щелью.
2. Штатив.
3. Электрическая лампочка на напряжение 42 В в патроне.
Как известно, свет представляет собой электромагнитные волны , которые характеризуются длиной световой волны. Дифракционная решетка служит для выделения из света с разными длинами волн света с определенной длиной волны или, как говорят, разложения света на его спектральные компоненты . Основой работы дифракционной решетки служат явления дифракции и интерференции света, и именно волновая природа света приводит к возникновению указанных выше двух явлений.
Дифракцией называется отклонение распространения света от прямолинейного в область, где при прямолинейном распространении света должна бы была быть тень.
Интерференцией называется сложение световых пучков, ведущее к образованию светлых и темных полос.
Дифракция. Дифракция наблюдается в случаях, когда свет проходит сквозь прозрачный материал, в котором есть непрозрачные небольшие препятствия, либо через небольшие отверстия в непрозрачном материале.
Различают два типа дифракции: дифракция в параллельных пучках света или дифракция Фраунгофера и дифракция в расходящемся пучке света – дифракция Френеля . В первом случае для наблюдения дифракционной картины используют либо солнечные лучи, которые являются параллельными, либо создают параллельный пучок света, используя простейшую оптическую систему – выпуклую линзу. Во втором случае используется точечный источник света, например, лампа с малыми размерами спирали.
Схема наблюдения дифракции Фраунгофера приведена на рис. 1.
Рис.1. Дифракция Фраунгофера.
В случае прямолинейного распространения света параллельный пучок лучей, сформированный линзой 1, пройдя через круглое отверстие в непрозрачном экране 1 и через фокусирующую линзу 2, должен был бы собраться в точку. Однако, из-за дифракции на экране 2 получается сложная дифракционная картина, состоящая из чередования светлых и темных колец.
Интерференция. При интерференции волны света с одинаковыми длинами волн максимально усиливают друг друга, когда приходят в точку наблюдения в одинаковой фазе , и ослабляют друг друга, когда приходят в противофазе . Суть явления интерференции поясняет рис.2.
Рис. 2. Интерференция от 2-х источников.
Точечные источники света В 1 и В 2 расположены друг от друга на расстоянии t. Колебания электромагнитного поля совершаются в этих точках в одной и той же фазе. Интерференция (т.е. сложение или вычитание колебаний) наблюдается в точках А и С на экране, находящемся на большом расстоянии L по сравнению t и l. В оптике установлено, что для максимального усиления волн разность хода (т.е. разность расстояний от источников до точки наблюдения) должно выполняться условие:
,
а для максимального ослабления волн:
, где n
– целое число.
Из Рис. 2 можно определить разность хода . Тогда, используя предыдущие равенства, можно получить, что светлые полосы располагаются на расстоянии от точки А, расстояние между светлыми полосами , а темные полосы располагаются между светлыми. Очевидно, что в точке А разность хода равна нулю и в этой точке наблюдается сложение колебаний от источников света В 1 и В 2
Дифракционная решетка . Ряд прозрачных щелей, разделенных непрозрачными полосами, называется дифракционной решеткой . Дифракционная картина, которая имела место на одной щели при использовании дифракционной решетки, усложняется, так как кроме дифракции на каждой щели происходит еще и интерференция световых волн от щелей, которые можно рассматривать как источники света. На экране возникают максимумы и минимумы света, причем главные максимумы возникают при значении угла j , удовлетворяющих соотношению , где - период решетки равный сумме ширины щели и полосы. Положение 1-го максимума при определяется выражением
Из (1) видно, что для данной дифракционной решетки положения 1-го максимума для различных длин волн разное: чем больше длина волны света, тем больше угол отклонения наблюдаемого максимума от направления падающего пучка света.
Программа работы
Схема прибора приведена на рис.3.
Рис.3. Прибор для определения длины волны.
1. Включить электрическую лампочку.
2. Глядя через дифракционную решетку, направить прибор на лампочку так, чтобы через щель в движке была видна нить накала лампы. На черном фоне движка по обе стороны от нуля должны быть видны дифракционные спектры, состоящие из полос разного цвета. Если полосы располагаются не параллельно шкале, то это означает, что нить накала не параллельна штрихам на решетке. В этом случае надо повернуть немного либо дифракционную решетку, либо лампочку. Закрепить прибор.
3. Определить расстояние от щели на движке (нуля) до красной полосы слева на шкале.
4. Определить расстояние от щели на движке (нуля) до красной полосы справа на шкале. Записать это значение в таблицу.
5. Определить среднее значение расстояния до красной полосы по формуле:
Записать это значение в таблицу.
6. Определить расстояние от щели на движке (нуля) до фиолетовой полосы слева на шкале. Записать это значение в таблицу.
7. Определить расстояние от щели на движке (нуля) до фиолетовой полосы справа на шкале. Записать это значение в таблицу.
8. Определить среднее значение расстояния до фиолетовой полосы по формуле:
Записать это значение в таблицу.
9. Определить расстояние от дифракционной решетки до движка. Записать это значение в таблицу.
Тема: « Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки».
Цели урока: экспериментально получить дифракционный спектр и определить длину световой волны с помощью дифракционной решетки;
воспитывать внимательность, доброжилательность, толерантность в процессе работи в малых группах;
развивать интерес к изучению физики.
Тип урока: урок формирования умений и навыков.
Оборудование: длины световой волны, инструкция по ОТ, инструкции по выполнению лабораторной работы, компьютеры.
Методы проведения: лабораторная работа, работа в группах.
Межпредметные связи: математика, информатика ИКТ.
Все познание реального мира
исходит из опыта и завершается им
А. Эйнштейн.
Ход урока
І. Организационный момент.
Сообщение темы и цели урока.
ІІ. 1. Актуализация опорных знаний. Опрос обучающихся (Дополнение 1).
Выполнение лабораторной работы.
Обучающимся предлагается измерять длину световой волны с помощью дифракционной решетки.
Обучающиеся объединяются в малые группы (по 4-5 человек) и вместе выполняют лабораторную работу согласно инструкции. С помощью компьютерной программы Excel делают вычисления и результаты работы заносят в таблицу (в программе Word).
Критерии оценивания:
Команда, выполнившая задание первой, получает – оценку 5;
второй – оценку 4;
третьей – оценку 3
Правила безопасности жизнедеятельности во время выполнения работы.
Работа в группах под руководством преподавателя.
Обобщение и систематизация обучающимися результатов работы.
Результат работы заносится в таблицу на компьютере (Дополнение 2) .
ІІІ.
Подведение итогов. Сравнить полученные результаты с табличными данными. Сделать выводы.
Рефлексия.
Всё ли получилось так, как я задумывал?
Что было сделано хорошо?
Что было сделано плохо?
Что было выполнить легко, а что оказалось неожиданно трудно?
Работа в малой группе мне помогла или создала дополнительные трудности?
VI. Домашнее задание.
Оформить работу.
Повторить теоретический материал по теме «Интерференция и дифракция света» .
Составить кроссворд по теме «Свойства электромагнитных волн».
Дополнение 1
1. Что такое свет?
2. Из чего состоит белый свет?
3. Почему свет называется видимым излучением?
4. Как разложить белый свет в цветной спектр?
5. Что такое дифракционная решетка?
6. Что можно измерить с помощью дифракционной решетки?
7. Могут ли две разноцветные световые волны, например красного и зеленого излучений, иметь одинаковые длины волн?
8. А в одной среде?
Дополнение 2
Красный10 -7 м
Оранжевый
10 -7 м
Желтый
10 -7 м
Зеленый
10 -7 м
Голубой
10 -7 м
Синий
10 -7 м
Фиолетовый
10 -7 м
Лабораторная работа
Тема: Измерение длины световой волны.
Цель работы: измерить длину волны красного и фиолетового цветов, сравнить полученные значения с табличными.
Оборудование: электрическая лампочка с прямой нитью накаливания, прибор для определения длины световой волны.
Теоретическая часть
В работе для определения длины световой волны используется дифракционная решетка с периодом 1/100 мм или 1/50 мм (период указан на решетке). Она является основной частью измерительной установки, показанной на рисунке. Решетка 1 устанавливается в держателе 2, который прикреплен к концу линейки 3. На линейке же располагается черный экран 4 с узкой вертикальной щелью 5 посредине. Экран может перемещаться вдоль линейки, что позволяет изменять расстояние между ним и дифракционной решеткой. На экране и линейке имеются миллиметровые шкалы. Вся установка крепится на штативе 6.
Если смотреть сквозь решетку и прорезь на источник света (лампу накаливания или свечу), то на черном фоне экрана молено наблюдать по обе стороны от щели дифракционные спектры 1-го, 2-го и т. д. порядков.
Рис. 1
Длина волны λ определяется по формуле λ = dsinφ/k , где d - период решетки; k - порядок спектра; φ - угол, под которым наблюдается максимум света соответствующего цвета.
Поскольку углы, под которыми наблюдаются максимумы 1-го и 2-го порядков, не превышают 5°, можно вместо синусов углов использовать их тангенсы. Из рисунка видно, что tgφ = b/a . Расстояние а отсчитывают по линейке от решетки до экрана, расстояние Ь - по шкале экрана от щели до выбранной линии спектра.
Рис. 2
Окончательная формула для определения длины волны имеет вид λ = db/ka
В этой работе погрешность измерений длин волн не оценивается из-за некоторой неопределенности выбора середины части спектра данного цвета.
Работу можно выполнять используя инструкции №2 или №2
Инструкция №1
Ход работы
1. Подготовьте бланк отчета с таблицей для записи результатов измерений и вычислений.
2. Соберите измерительную установку, установите экран на расстоянии 50 см от решетки.
3. Глядя сквозь дифракционную решетку и щель в экране на источник света и перемещая решетку в держателе, установите ее так, чтобы дифракционные спектры располагались параллельно шкале экрана.
4. Вычислите длину волны красного цвета в спектре 1-го порядка справа и слева от щели в экране, определите среднее значение результатов измерения.
5. Проделайте то же для других цвет ов .
6. Сравните полученные результаты с табличными длинами волн.
Инструкция № 2
Ход работы
Измерьте расстояние b до соответствующего цвета в спектре первого по строке влево и вправо от центрального максимума. Измерьте от-стань а от дифракционной решетки до экрана (см.рисунок 2).
Определите или рассчитайте период решетки d.
Вычислите длину света для каждого из семи цветов спектра.
Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:
b ,слева,м
b ,справа,м
b ,среднее,м
а ,м
Порядок
спектра k
Период решетки
d ,м
Измеренное λ , нм
Фи олетовый
Син ий
Голубой
Зелен ый
Жёлтый
Оранжев ый
Красный
4. Вычислите относительную погрешность эксперимента для каждого цвета по формуле