Ćwiczenie 101
Temat: Wyznaczanie prędkości światła w powietrzu i materiałach przezroczystych
LITERATURA:
1. T. Dryński – Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki.
2. H. Szydłowski – Pracownia fizyczna, Wydawnictwo Naukowe PWN
CEL ĆWICZENIA:
1. Praktyczne zapoznanie się z metodą pomiaru prędkości światła. 2. Zapoznanie się z miernikiem prędkości światła.
ZAGADNIENIA KOLOKWIALNE:
1. Metody pomiaru prędkości światła.
2. Ruch falowy, wielkości fizyczne określające fale: prędkość, okres, długość fali, faza w ruchu falowym.
3. Związek współczynnika załamania z prędkością fali świetlnej. 4. Metoda przeprowadzania dyskusji błędów.
PRZEBIEG ĆWICZENIA:
1. Kalibracja przyrządu i tryby pomiarowe
Rys. 1. Przyrząd firmy Phywe do pomiaru prędkości światła.
Przycisk „Calibration” służy do kalibracji pomiarów.
Przycisk „Mode” pozwala wybrać rodzaj pomiaru:
„deg” – pomiar kąta przesunięcia fazy, „µs” – pomiar czasu (jednostka to ns), „m” – pomiar odległości (przy założeniu że pomiaru dokonujemy w powietrzu).
Miejsce emisji wiązki laserowej i jednocześnie miejsce czujnika pomiarowego znajduje się z na prawej ścianie bocznej przyrządu.
UWAGA:
1. Proszę nie patrzeć bezpośrednio w wiązkę światła laserowego.
2. Po włączeniu przyrządu proszę odczekać 10 minut przed rozpoczęciem pomiarów. 2. Pomiar prędkości światła w powietrzu.
Proszę zmontować układ pomiarowy według schematu na rysunku 2.
Rys. 2 Układ pomiarowy.
Miernik
Lusterko Odległość 𝑙 zmierzona na ławie
optycznej Odległość 𝑥
Odległość jaką przebywa światło w powietrzu wynosi . Odległość powinna być wyeliminowana drogą kalibracji, tj. po umieszczeniu lusterka w położeniu K i naciśnięciu przycisku kalibracji odległość ta nie jest brana pod uwagę w pomiarach przeprowadzanych przez przyrząd.
Proszę wyznaczyć:
Prędkość światła w powietrzu dokonując pomiarów odległości oraz czasu (wskazanego przez przyrząd),
Proszę wyznaczyć czas poprzez wykorzystanie przesunięcia fazowego odczytanego z przyrządu oraz wiedząc, że częstotliwość modulacji fali świetlnej wynosi 50 MHz (kąt odpowiada czasowi równemu okresowi ). Dla tak wyznaczonego czasu i zmierzonej odległości proszę wyznaczyć prędkość światła.
Dla każdego z pomiarów proszę wyznaczyć błędy. Błąd proszę wyznaczyć ze wzoru ( ( ) ). Błąd pomiaru odległości proszę przyjąć za równy dokładności przymiaru, a błąd odczytu czasu jest równy .
3. Pomiar prędkości światła w szkle akrylowym Proszę zmontować układ pomiarowy jak na rysunku 3
Rys. 3 Układ pomiarowy.
Proszę wyznaczyć:
Prędkość światła w szkle akrylowym korzystając z pomiaru czasu (odczytanego z przyrządu) oraz pomiaru odległości oraz . Przy obliczeniach proszę uwzględnić, że czas jest potrzebny, by światło przebyło w powietrzu drogę ( ) oraz w szkle drogę . Czas w jaki światło pokonuje drogę w powietrzu możemy wyznaczyć korzystając ze zmierzonej w punkcie 1 prędkości światła w tym ośrodku.
Współczynnik załamania światła w szkle akrylowym dla używanego promieniowania laserowego. Prędkość światła w próżni proszę przyjąć za równą m/s.
Proszę obliczyć błąd pomiaru prędkości światła laserowego oraz błąd pomiaru współczynnika załamania.
4. Pomiar prędkości światła w wodzie.
Proszę zmontować układ pomiarowy jak na rysunku 3 zastępując pręt tubą napełnioną wodą. Proszę wyznaczyć prędkość światła w wodzie oraz współczynnik załamania światła w tym ośrodku korzystając ze wskazówek zawartych w części dotyczącej pomiarów w szkle akrylowym.
UWAGA: Proszę szczelnie zakręcać tubę, aby woda z niej nie wyciekła.
Miernik
Lusterko Odległość 𝑙 zmierzona na ławie
optycznej Odległość 𝑥
K
