Оптика

Министерство образования и науки российской Федерации 

уральский Федеральный университет  
иМени первого президента россии б. н. ельцина

оптика

практикум

рекомендовано методическим советом урФу 
в качестве учебно-методического пособия для студентов, обучающихся 
по программе бакалавриата по направлениям подготовки 
04.03.01 «Химия», 04.03.02 «Химия, физика и механика материалов», 
06.03.01 «биология», 05.03.06 «Экология и природопользование», 
по программе специалитета по направлениям подготовки 
04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия», 
30.05.01 «Медицинская биохимия», 
30.05.02 «Медицинская биофизика»

екатеринбург 
издательство уральского университета 
2016

удк 535(076.5)
 
о-627

а в т о р ы:
и. а. лыков, л. с. витюкова, в. н. Мальцев, л. л. нугаева

р е ц е н з е н т ы:
кафедра физики и математического моделирования
уральского государственного педагогического университета
(заведующий кафедрой доктор физико-математических наук,
профессор в. е. сидоров);

в. п. коверда, доктор физико-математических наук,
член-корреспондент ран, заведующий лабораторией
фазовых переходов и неравновесных процессов
института теплофизики уро ран

н ау ч н ы й  р е д а к т о р
в. г. Черняк, доктор физико-математических наук, профессор,
заведующий кафедрой общей и молекулярной физики урФу

о-627
  
Оптика : практикум : [учеб.-метод. пособие] / [и. а. лыков, 
л. с. витюкова, 
в. н. Мальцев, 
л. л. нугаева 
; 
науч. 
ред. 
в. г. Черняк] ; М-во образования и науки рос. Федерации, урал. 
федер. ун-т. — екатеринбург : изд-во урал. ун-та, 2016. — 63 с. 

ISBN 978-5-7996-1666-3

лабораторный практикум нацелен на более глубокое понимание и 
лучшее усвоение студентами фундаментальных физических явлений, лежащих в основе законов оптики, атомной и ядерной физики. показана возможность измеримости некоторых базовых оптических величин, несмотря 
на малость их значений.
адресовано студентам младших курсов, получающим навыки использования физических приборов и установок для повышения информативности и точности научных исследований.

удк 535(076.5)

© уральский федеральный университет, 2016
ISBN 978-5-7996-1666-3

Оглавление

От авторов ..................................................................................................... 4

Лабораторная работа 1. определение спектра излучения газов ........... 7

Лабораторная работа 2. исследование дифракционных явлений  
с помощью лазера ................................................................................ 14

Лабораторная работа 3. определение показателя преломления 
жидкостей ............................................................................................. 22

Лабораторная работа 4. определение фокусных расстояний линз ..... 30

Лабораторная работа 5. изучение дифракционной решетки  
с помощью гониометра ........................................................................ 41

Лабораторная работа 6. поляризация света. закон Малюса ................ 51

Список рекомендуемой литературы ....................................................... 61

от авторов

существует лишь то,  
что можно измерить.

М. Планк

в этом семестре вы продолжаете изучение одной из важнейших естественно-научных дисциплин — физики. в рамках повышения вашего уровня обучения в высшей школе вам предлагается 
выполнить цикл экспериментальных работ по исследованию оптических явлений. за время прохождения практикума вы должны 
освоить теоретические методы современной физики и научиться 
применять их для описания различных природных явлений. 
но самое главное, вы должны научиться создавать новые знания. 
для этого необходимо как можно полнее овладеть экспериментальными методами точных наук, основанными на измерениях.
для понимания важной роли лабораторного практикума по 
оптике при изучении физики в высшей школе, его необходимости для завершения формирования современного грамотного 
естествоиспытателя, способного к самостоятельной творческой 
работе, мы также можем проанализировать ваш процесс обучения физике.
в раннем детстве все вы усваиваете достаточно солидный 
«курс физики», привыкая к различным простым вещам и явлениям окружающего мира, большинство из которых вы наблюдаете зрительно в оптическим диапазоне длин волн. Хорошо 
известен факт появления у человека в первые недели его жизни 
способности мысленно восстанавливать изображение, проецируемое на сетчатку глаза естественной линзой (хрусталиком) изначально в перевернутом виде. однако, как ни важны подобные 

знания, это лишь частные правила, касающиеся течения отдельных событий. 
сознательное, рассудочное понимание вещей и явлений вы 
начинаете осваивать в средней школе в курсе естествознания. 
в рамках школьного курса вы знакомитесь с простейшими моделями и законами сложных оптических и квантовых явлений, описание которых зачастую лежит даже за рамками классического 
курса высшей школы большинства естественно-научных направлений, исключая фундаментальную физику. в результате у вас 
формируются первые представления о понятиях оптических 
величин и основных простейших законах оптики. однако, только 
в рамках курса физики высшей школы, выполняя лабораторный 
практикум по оптике, можно уяснить некоторые причины возникновения тех или иных оптических явлений, а также наличия видимых противоречий между опытом и теорией.
вам предстоит понять важнейшую роль и плодотворность 
разрешения этих противоречий в развитии физических воззрений 
и тем самым расширить свое представление о том, что называется научным методом изучения природы. напомним, что практикум — необходимое, но недостаточное условие для формирования 
научного мировоззрения. не менее важным элементом подготовки 
является освоение приемов теоретического анализа результатов, 
полученных в оптической лаборатории, которое осуществляется 
на лекциях и семинарских занятиях.
данный лабораторный практикум адаптирован для студентов 
нефизических специальностей естественно-научного профиля 
подготовки и преследует цели формирования практических навыков проведения и обработки результатов измерения физических 
свойств и наблюдения процессов и явлений, лежащих в основе 
создания понятийного аппарата. поэтому в комплекс представленных в пособии работ входят работы практически по всем 
темам курса физики: механике, молекулярной физике, электрическим и магнитным явлениям, оптике. в этом семестре вы приступаете к выполнению работ по третьему разделу курса общей 
физики — оптике.

роль оптической части курса при этом является уникальной, 
поскольку именно в оптическом диапазоне был открыт корпускулярно-волновой дуализм электромагнитных волн. оптические 
методы являются наиболее тонкими и точными.
в лаборатории представлены работы по различным разделам 
курса «оптика»: «геометрическая оптика» — работы 3, 4; «интерференция и дифракция световых волн» — работы 2, 5; «поляризация света и кристаллооптические явления» — работа 6; «основы 
спектрального анализа» — работа 1.
практикум по оптике преследует следующие цели:
 – формирование навыков измерения оптических величин 
и постоянных;
 – закрепление знания основных законов физики;
 – овладение практическими навыками проведения исследований, методами обработки и анализа результатов измерений;
 – получение навыков работы с точными измерительными 
приборами;
 – знакомство с методами исследования и подтверждения 
основных законов оптики;
 – развитие умения правильно представлять результаты эксперимента и делать из них самостоятельные выводы;
 – опытное обоснование изучаемых физических явлений.
представленная в лаборатории обширная тематика успешно 
сочетается с достаточно неплохим подбором лабораторных работ, 
в которых изучаются оптические явления, связанные с протеканием физических процессов в химии и биологии, что в дальнейшем позволит вам успешно применять полученные знания 
о точных оптических (спектральных) методах исследования при 
проведении научных исследований и экспериментов.
лаборатория оснащена современными измерительными установками, позволяющими студентам на практике овладеть основными методами исследования, применяемыми в физике.
в прошлые годы в создании лабораторных работ и подготовке 
их описаний принимали активное участие доцент с. и. князев, 
профессор л. я. кобелев, доценты в. Э. скроцкая, в. М. константинова, н. п. зырянова, н. п. погорелов, а. а. беляев.

лабораторная работа 1

Определение спектра излучения газов

Цель работы — изучение теории метода качественного спектрального анализа, знакомство с принципом действия монохроматора уМ-2, градуировка монохроматора, определение состава 
неизвестного газа по его спектру излучения.

спектральный анализ является физическим методом определения качественного и количественного состава вещества на 
основе изучения его спектра. спектр вещества показывает распределение энергии исследуемого излучения по частотам (длинам 
волн). спектром излучения, или эмиссионным спектром, называется совокупность монохроматических волн, на которые может 
быть разложено исследуемое излучение. различают сплошные, 
полосатые и линейчатые спектры излучения. сплошной спектр 
получается при свечении раскаленных твердых и жидких тел; 
полосатые спектры испускаются возбужденными молекулами 
газа, поэтому их называют молекулярными спектрами; линейчатые спектры наблюдаются при свечении изолированных атомов, 
например атомов разреженных газов или паров металла. 
каждый химический элемент испускает характерный для него 
спектр. линейчатые спектры состоят из отдельных спектральных 
линий, соответствующих различным длинам волн. Молекулярные 
спектры состоят из отдельных групп, полос, каждая из которых 
включает в себя большое число тесно расположенных линий, сбегающихся к определенной границе, называемой кантом полосы. 
спектром поглощения называется распределение по частотам 
(длинам волн) интенсивности поглощаемого телом электромагнитного излучения. спектры поглощения наблюдаются в том 
случае, когда на пути излучения источника, дающего сплошной 
спектр, оказывается поглощающее вещество.
в прошедшем через вещество излучении имеются темные полосы или линии в тех местах, которые соответствуют 
поглощенному излучению. Характер поглощения определяется