Oświetlenie ma zastosowanie z detektorem

Ćwiczenie nr 6
BADANIE WŁASNOŚCI FAL ELEKTOMAGNETYCZNYCH
Aparatura
Komputer, laser półprzewodnikowy (λem = 650 nm) z obrotowym analizatorem, światłowody o różnej
długości, aparat pomiarowy prędkości światła, ława optyczna, luksomierz, źródło światła z ruchomym
filtrem czerwonym.
Przebieg ćwiczenia
W ramach ćwiczenia przeprowadzone zostaną następujące badania:
A. Rejestrowanie oraz analiza krzywej obrazującej prawo Malusa.
B. Pomiar prędkości światła.
C. Prawo Lamberta.
A. Rejestrowanie oraz analiza krzywej obrazującej prawo Malusa
UWAGA! Nie dotykać głowicy lasera!
Nie wprowadzać oczu w bieg promienia laserowego!
1. Włączyć komputer.
2. Włączyć laser i zdjąć z kątomierza zewnętrzny polaryzator.
3. Uruchomić program „Prawo Malusa” przez kliknięcie ikony z białą strzałką w lewym górnym
rogu monitora.
4. Następuje automatyczne uruchomienie silnika, który sprowadzi położenie analizatora do wartości
początkowej. Wykonanie tej czynności zostanie zasygnalizowanie poprzez zaświecenie się
diody z napisem „Gotowość”.
5. Po około trzech sekundach program automatycznie rozpocznie pomiary i rejestrację danych.
Podczas pomiarów powinna świecić się dioda z napisem „Pomiar”.
6. W lewej dolnej części ekranu można obserwować aktualne położenie kątowe analizatora. Pomiar
rozpoczyna się w okolicach – 5°, a kończy w okolicach 365°. Po prawej stronie ekranu znajduje
się okno wykresu, w którym będzie na bieżąco wykreślana (kolorem czarnym) zależność
napięcia na fotoogniwie (będącego miarą natężenia światła rejestrowanego przez czujnik) od
położenia kątowego analizatora. Po zakończeniu pomiarów w zakładce „Tabela pomiarowa”
będzie dostępna uproszczona tabela z punktami pomiarowymi.
7. Po zakończeniu pomiarów na wykresie pojawi się dodatkowa krzywa (kolor czerwony), która
obrazuje teoretyczny przebieg prawa Malusa:
I (Θ ) = I 0 cos 2Θ
gdzie I0 ~ U0 (maksymalna wartość pokazywana przez woltomierz).
Tymczasem zgaśnie dioda „Pomiar”, a zaświeci się dioda „Zerowanie”. Następnie program
szybko sprowadza analizator do położenia początkowego. Po zakończeniu ”zerowania” program
automatycznie się wyłączy.
8. Wstawić w bieg promienia laserowego polaryzator zewnętrzny pod dowolnym kątem z przedziału
1
[20°, 70°]. Polaryzator zewnętrzny położyć tak, aby był on „wpisany” w okrąg narysowany
na tarczy analizatora.
9. Powtórzyć czynności od punktu 3 do 7 włącznie.
10. Odczytać z wykresu przesunięcie kątowe maksimów wykresu doświadczalnego (z polaryzatorem
zewnętrznym) i teoretycznego (wykreślonego w przypadku braku polaryzatora zewnętrznego), a
następnie porównać odczytaną wartość z kątem zmierzonym za pomocą kątomierza obrotowego. Obie
wartości wpisać do formularza.
11. Gdy program zakończy „zerowanie” należy wyłączyć laser, a następnie wyłączyć komputer.
B.
Pomiar prędkości światła
Wiązka światła laserowego (fala elektromagnetyczna o częstotliwości 2 MHz) wychodząca ze źródła
jest rozszczepiana na dwie wiązki (jedna wiązka kierowana jest bezpośrednio do detektora znajdującego się
obok źródła, natomiast druga poprzez światłowód do drugiego detektora). Dotarcie tych wiązek do
odpowiednich detektorów odbywa się z pewnym przesunięciem czasowym, które jest wyznaczane poprzez
pomiar różnicy faz czoła rejestrowanych fal. Mierzone przesunięcie czasowe jest większe od rzeczywistego,
a to ze względu na opóźnienia generowane przez aparaturę elektroniczną. Aby wyeliminować te opóźnienia,
pomiaru przesunięcia czasowego (będącego miarą czasu przejścia wiązki przez światłowód) dokonujemy
dwukrotnie: najpierw przy światłowodzie o długości 3 m, a następnie przy długości 5,35 m.
Różnica zmierzonych przesunięć czasowych jest czasem przejścia wiązki laserowej przez światłowód o
długości równej 5,35 m – 3 m = 2,35 m.
1. Poprosić prowadzącego o założenie pierwszego światłowodu.
2. Włączyć aparat pomiarowy przełącznikiem POWER.
3. Przełącznik F/L ustawić w pozycji F (fiber – światłowód).
4. Sprawdzić czy świeci się dioda O/K i w razie potrzeby włączyć ją przyciskiem RESET.
5. Zostawić aparaturę na okres około 10 min. w celu jej stabilizacji.
6. Po tym czasie wcisnąć klawisz RESET i trzymając go w tej pozycji od 10 do 15 sekund sprawdzić, czy
wyświetlacz wskazuje migający znak (+/-) i same zera. Jeśli tak, to po zwolnieniu przycisku odczytujemy
wartość przesunięcia czasowego wskazaną na wyświetlaczu w nanosekundach. Jeśli nie, to trzymając
nadal wciśnięty przycisk RESET sprowadzić za pomocą pokrętła ZERO wskazanie wyświetlacza
do +/- 0000 (cały czas ma świecić się dioda O/K). Po puszczeniu klawisza RESET odczytujemy
przesunięcie czasowe i wpisujemy je do formularza.
7. Poprosić prowadzącego o zmianę światłowodu.
8. Powtórzyć wszystkie czynności jak przy poprzednim światłowodzie. Wartość drugiego przesunięcia
czasowego wpisać do formularza.
9. Wyliczyć prędkość światła laserowego w światłowodzie wg wzoru:
V=
L2 − L1
K ⋅ (T2 − T1 )
gdzie: V – prędkość światła laserowego w światłowodzie, L1 – długość światłowodu pomarańczowego (3 m)
L2 – długość światłowodu niebieskiego (5,35 m), K – współczynnik wynikający z właściwości miernika
(K=2), T1 – czas potrzebny na przebycie przez światło odległości L1 , T2 – czas potrzebny na przebycie przez
światło odległości L2 .
2
C.
Prawo Lamberta
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Rys. 1 Schemat układu pomiarowego prawa Lamberta
Ława optyczna
Włącznik zasilania
Zasilacz
Źródło światła z filtrami
Przesłona
Detektor światła
Luksomierz
Wyświetlacz
Włącznik luksomierza (on)
Wyłącznik luksomierza (off)
Przełącznik zakresu luksomierza x1 (1 – 2000 lx
Przełącznik zakresu luksomierza x10 (10 – 20000 lx)
Celem tej części ćwiczenia jest doświadczalne sprawdzenie prawa Lamberta i obliczenie natężenia
źródła światła.
1. Włączyć źródło światła przyciskiem (2) i ustawić je w pozycji “A”.
2. Włączyć luksomierz przyciskiem (9).
3. Ustawić luksomierz na zakres (x1) przyciskiem (11).
4. Ustawić średnicę przesłony na 6 mm i ustawić detektor w odległości 5 cm od źródła światła.
5. Dokonać odczytu oświetlenia detektora (E) w funkcji odległości detektora od źródła (r) i wpisać wszystkie
zmierzone wartości do tabeli w formularzu ćwiczeniowym.
UWAGA! Jeśli zakres pomiarowy zostanie przekroczony (pojawi się 1 w lewej części wyświetlacza)
należy przycisnąć klawisz zakresu (12) – spowoduje to pojawienie się małego czarnego
trójkąta w dolnej części wyświetlacza. W tym zakresie pracy luksomierza wskazane wartości
pomnożyć przez 10. Kiedy wyświetlane wartości spadną poniżej 2000 można powrócić do
normalnego zakresu naciskając klawisz (11).
6. Przestawić źródło światła w pozycję “B” (filtr czerwony) i powtórzyć procedurę pomiarową identycznie
jak w punkcie 5.
7. Po zakończeniu pomiarów wyłączyć luksomierz i źródło światła.
8. Sporządzić wykresy zależności oświetlenia E od odwrotności kwadratu odległości (1/r2) w nieobecności
oraz obecności filtra czerwonego.
9. Na podstawie prawa Lamberta obliczyć natężenie źródła światła (I), wyznaczając współczynnik
kierunkowy wykreślonej prostej E = I(1/r2).
3
Wymagane wiadomości teoretyczne
1. Natura światła.
2. Teoria promieniowania laserowego i jego właściwości (pojęcia: inwersja obsadzeń, pompowanie
optyczne; charakterystyka pracy lasera).
3. Polaryzacja światła.
4. Prawo Malusa.
5. Zastosowanie promieniowania laserowego w medycynie i stomatologii.
6. Główne metody pomiaru prędkości światła.
7. Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia.
8. Zasada działania światłowodu.
9. Zastosowanie światłowodów w medycynie (endoskopia).
10. Podstawowe wielkości i jednostki świetlne.
11. Prawo Lamberta.
Literatura
1. M.A. Herman, A. Kalestyński, L. Widomski, „Podstawy fizyki dla kandydatów na wyższe uczelnie i
studentów”, PWN, Warszawa 1995.
2. F. Jaroszyk, „Biofizyka”, PZWL, Warszawa 2008, wyd. 2.
3. „Encyklopedia fizyki współczesnej”, PWN, Warszawa 1983.
4. „Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii”, pod redakcją A. Z. Hryniewicz i E. Rokity, PWN,
Warszawa 2000.
5. „Fotodynamiczna metoda rozpoznawania i leczenia nowotworów”, pod redakcją A. Graczyk, Dom
Wydawniczy Bellona, Warszawa 1999.
6. T. Dryński , „Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki”, PWN, Warszawa 1980.
4
Uniwersytet Medyczny
we Wrocławiu
Katedra Biofizyki
Zakład Biofizyki
Ćwiczenie 6
Badanie własności fal elektromagnetycznych
Podpis prowadzącego ćwiczenia
.........................................
.........................................
Imiona i nazwiska studentów
Wydział:
Data
Grupa studencka:
Grupa ćwiczeniowa:
Stopień zaliczenia
1. Dołączyć wydrukowany raport dotyczący sprawdzania słuszności prawa Malusa.
2. Wpisać odczytane wartości położenia kątowego polaryzatora zewnętrznego.
Kąt odczytany
z wykresu
Kąt odczytany
z kątomierza
3. Obliczenie prędkość światła w światłowodzie:
V =
L1 [m]
L2 [m]
L 2 − L1
K ⋅ (T 2 − T1 )
K
T1 [s]
T2 [s]
V [m/s]
4. Obliczenie współczynnika załamania:
n=
C
=
V
5
5. Badanie zależności natężenia oświetlenia detektora E od jego odległości r od źródła światła.
Odległość r
[cm]
2
1/r
[1/m2]
Oświetlenie
E1 [lx]
(przesłona 6 mm)
Oświetlenie
E2 [lx]
(przesłona 6 mm
filtr czerwony)
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
11
12
13
14
16
18
20
25
30
40
50
6. Natężenie źródła światła (I1 przy przesłonie 6mm, I2 przy przesłonie 6mm + filtr czerwony).
I1=
[cd] I2=
[cd]
6