Ćwiczenie nr 6 BADANIE WŁASNOŚCI FAL ELEKTOMAGNETYCZNYCH Aparatura Komputer, laser półprzewodnikowy (λ em = 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!. Włączyć komputer.. 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 cos 0 Θ gdzie I 0 ~ U 0 (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
[0, 70 ]. Polaryzator zewnętrzny położyć tak, aby był on wpisany w okrąg narysowany na tarczy analizatora. 9. Powtórzyć czynności od punktu 3 do 7 włącznie. 0. 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.. Gdy program zakończy zerowanie należy wyłączyć laser, a następnie wyłączyć komputer. B. Pomiar prędkości światła Wiązka światła laserowego (fala elektromagnetyczna o częstotliwości 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 =,35 m.. Poprosić prowadzącego o założenie pierwszego światłowodu.. 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 0 min. w celu jej stabilizacji. 6. Po tym czasie wcisnąć klawisz RESET i trzymając go w tej pozycji od 0 do 5 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 = L K L ( T T ) gdzie: V prędkość światła laserowego w światłowodzie, L długość światłowodu pomarańczowego (3 m) L długość światłowodu niebieskiego (5,35 m), K współczynnik wynikający z właściwości miernika (K=), T czas potrzebny na przebycie przez światło odległości L, T czas potrzebny na przebycie przez światło odległości L.
C. Prawo Lamberta Rys. Schemat układu pomiarowego prawa Lamberta. Ława optyczna. Włącznik zasilania 3. Zasilacz 4. Źródło światła z filtrami 5. Przesłona 6. Detektor światła 7. Luksomierz 8. Wyświetlacz 9. Włącznik luksomierza (on) 0. Wyłącznik luksomierza (off). Przełącznik zakresu luksomierza x ( 000 lx. Przełącznik zakresu luksomierza x0 (0 0000 lx) Celem tej części ćwiczenia jest doświadczalne sprawdzenie prawa Lamberta i obliczenie natężenia źródła światła.. Włączyć źródło światła przyciskiem () i ustawić je w pozycji A.. Włączyć luksomierz przyciskiem (9). 3. Ustawić luksomierz na zakres (x) przyciskiem (). 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 w lewej części wyświetlacza) należy przycisnąć klawisz zakresu () spowoduje to pojawienie się małego czarnego trójkąta w dolnej części wyświetlacza. W tym zakresie pracy luksomierza wskazane wartości pomnożyć przez 0. Kiedy wyświetlane wartości spadną poniżej 000 można powrócić do normalnego zakresu naciskając klawisz (). 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 (/r ) w nieobecności oraz obecności filtra czerwonego. 9. Na podstawie prawa Lamberta obliczyć natężenie źródła światła (I), wyznaczając współczynnik kierunkowy wykreślonej prostej E = E(/r ). 3
Wymagane wiadomości teoretyczne. Natura światła.. 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). 0. Podstawowe wielkości i jednostki świetlne.. Prawo Lamberta. Literatura. M.A. Herman, A. Kalestyński, L. Widomski, Podstawy fizyki dla kandydatów na wyższe uczelnie i studentów, PWN, Warszawa 995.. F. Jaroszyk, Biofizyka, PZWL, Warszawa 008, wyd.. 3. Encyklopedia fizyki współczesnej, PWN, Warszawa 983. 4. Fizyczne metody diagnostyki medycznej i terapii, pod redakcją A. Z. Hryniewicz i E. Rokity, PWN, Warszawa 000. 5. Fotodynamiczna metoda rozpoznawania i leczenia nowotworów, pod redakcją A. Graczyk, Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa 999. 6. T. Dryński, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN, Warszawa 980. 4
Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu Katedra Biofizyki Zakład Biofizyki... Ćwiczenie 6 Badanie własności fal elektromagnetycznych Podpis prowadzącego ćwiczenia... Imiona i nazwiska studentów Wydział: Grupa studencka: Grupa ćwiczeniowa: Data Stopień zaliczenia. Dołączyć wydrukowany raport dotyczący sprawdzania słuszności prawa Malusa.. Wpisać odczytane wartości położenia kątowego polaryzatora zewnętrznego. Kąt odczytany z wykresu Kąt odczytany z kątomierza 3. Obliczenie prędkość światła w światłowodzie: V = L K L ( T T ) L [m] L [m] K T [s] T [s] V [m/s] 4. Obliczenie współczynnika załamania: C n = = V 5
5. Badanie zależności natężenia oświetlenia detektora E od jego odległości r od źródła światła. Odległość r [cm] 5 /r [/m ] Oświetlenie E [lx] (przesłona 6 mm) Oświetlenie E [lx] (przesłona 6 mm filtr czerwony) 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 0 3 4 6 8 0 5 30 40 50 6. Natężenie źródła światła (I przy przesłonie 6mm, I przy przesłonie 6mm + filtr czerwony). I = [cd] I = [cd] 6