И.А.КЛИМОВСКИХ,
школа № 97, г. Екатеринбург

school97i@narod.ru 

Лабораторные работы по оптике

С применением лазеров и обработкой данных на компьютере.
11-й класс

Учебный план по курсу В.А.Касьянова предусматривает проведение в 11-м классе лабораторных работ «Измерение показателя преломления стекла» [1]. Одновременно в курсе ИиКТ в 11-м классе предусмотрено изучение темы «Технология обработки данных в электронных таблицах» [2]. Мы объединили изучение данных тем и провели интегрированный урок физики и информатики.

В качестве источника излучения мы используем лазерные указки (длина волны 680 нм, мощность излучения 1 мкВт). Луч лазера направляют на преломляющую поверхность и измеряют углы падения и преломления. В качестве преломляющей поверхности используется модель полусферической плоско-выпуклой линзы из плексигласа.

Данные заносят в табличный редактор Excel, с помощью встроенных функций которого производится расчёт показателя преломления, оценивается погрешность измерения, строится график зависимости погрешности измерения от угла падения. Все полученные данные через буфер обмена передаются в текстовый редактор Word, в котором выполняется отчёт о лабораторной работе. Пример отчёта представлен ниже.

Лабораторная работа № 4. «Измерение показателя преломления плексигласа»

Цель: определить показатель преломления плексигласа.

Приборы: лазер, сферическая линза, линейка, планшет.

Необходимые для расчётов формулы:

sin = h/r; sin = b/r; n = sin /sin = h/b.

Относительная погрешность:

Абсолютная погрешность: n = _n • n.

R = 4 см; цена деления линейки 1 мм.

Результаты измерений

ВЫВОД. Чем больше угол падения, тем выше точность измерения.

Ответ. n = 1,5 ± 0,2.

Замечание редакции. Если цену деления взять 0,5 мм, что вполне разумно, то ошибка получится соответственно в два раза меньше. Непонятно также, зачем было вычислять угол в радинах, а не градусах, что нагляднее.

Учащимся, успешно справившимся с работой, предлагается дополнительная лабораторная работа, при проведении которой особый акцент делается на построение информационной модели процесса (расчётной, теоретической зависимости) и её сравнение с опытными данными.

Пример отчёта представлен ниже.

Дополнительная ЛР «Исследование зависимости величины отклонения светового луча плоскопараллельной пластинкой от угла падения луча»

Цель работы: исследовать зависимость отклонения светового луча плоскопараллельной пластинкой от угла падения луча экспериментально и теоретически путём компьютерного моделирования; сравнить результаты, сделать вывод.

Приборы и материалы: лазер, плоскопараллельная пластинка, линейка, транспортир, миллиметровая бумага, компьютер IBM PC, программа Excel, программа Word.

Теория: расчёт смещения луча h_теор.

Из представленной схемы эксперимента ясны обозначения всех входящих в расчётную формулу величин.

Из DBC: .

h = AD = DBsin( – ).

sin( – ) = sin • cos – cos • sin;

[Очевидно, что при 90° h_теор d. – Ред.]

Экспериментальные значения:

d = 20 мм, R = 50 мм, n = 1,43.

Ход работы

1. На прочный лист-планшет приклеивают миллиметровую бумагу. В центре планшета чертят окружность радиусом R, центр окружности помечают карандашом. Прикладывают к краю планшета лазер так, чтобы луч проходил через центр окружности и намеченную на окружности точку (задают удобное значение L), «прочерчивая» яркий красный след на бумаге. Помечают карандашом точку пересечения луча с окружностью.

2. Не меняя положения лазера, накладывают на планшет плоскопараллельную пластинку так, чтобы её край проходил через центр окружности. Помечают карандашом вторую точку пересечения луча с окружностью. Выключают лазер.

3. Измеряют расстояние h_эксп между точками (или точнее: чертят входящий и выходящий лучи и измеряют кратчайшее расстояние между ними).

4. Рассчитывают c помощью компьютерного моделирования теоретические значения h_теор, вычисляют h = h_эксп и h_теор, строят графики зависимостей h_эксп, h_теор и h/h_теор от [наверное, лучше было бы от sin. – Ред.]

Результаты измерений

Зависимость величины отклонения от угла падения

ВЫВОД. При увеличении угла падения смещение луча относительно падающего увеличивается, в пределе приближаясь к толщине пластинки.

Замечание редакции. К сожалению, результат сравнения теоретических и экспериментальных значений смещения не обсуждается. Почему при = 0,93 рад такая большая h? Непонятно также, почему бы не вычислять угол в градусах.

Литература

1. Касьянов В.А. Тематическое и поурочное планирование: Физика-11. – М.: Дрофа, 2003.

2. Угринович Н.Д. Информатика и информационные технологии: Программы общеобразовательных учреждений: Информатика. – М.: Просвещение, 2002.