Лазерный дальномер (ЛД, Рис. 2 и Рис. 3) состоит из источника (излучателя) и приемника. Источником является диодный лазер, излучение которого промодулировано с очень высокой частотой. Когда лазерный луч попадает на объект, он отражается во всевозможных направлениях. Часть света возвращается обратно и попадает в приемник дальномера, расположенный рядом с источником. Телескопическая оптика дальномера автоматически фокусируется на точку, которую лазерный луч формирует на объекте, и регистрирует рассеяный свет. Электроника дальномера измеряет время, которое требуется свету для преодоления расстояния от источника до приемника.
Измеренное время потом преобразуется в значение $y$ по формуле:\[y=\frac12ct+k.\]Это значение $y$ показывается на экране дальномера. Здесь $c=2.998\cdot10^8~\text{м}/\text{с}$ – скорость света. Постоянная $k$ зависит от настроек дальномера, которые позволяют измерять расстояние либо от верхней (см. Рис. 2), либо от нижней стороны (края) дальномера. Когда лазерный дальномер включают, по умолчанию действует настройка, при которой расстояние измеряется от нижней стороны дальномера. Эта настройка должна сохраняться в процессе всех измерений!!!
Из-за параллакса, дальномер не может измерять расстояния менeе $5~см$. Максимально возможное расстояние для измерений – примерно $25~м$.
Mощность диоднoго лазерa $< 1~мВт$, a длинa волны – $635~нм$. Погрешность определения расстояния дальномером, заявленная производителем, составляет $2~мм$.
Внимание: Диодный лазер дальномера может повредить ваши глаза. Не смотрите на лазерный луч и не направляйте его в глаза другим участникам олимпиады!
Настройки дальномера
Приведенный выше расчет расстояния $y$, естественно, делается в предположении, что свет распространяется со скоростью $c$. С учетом точности измерений нет никакой необходимости различать скорость распространения света в вакууме и в воздухе.
Для выполнения измерения нужно нажать кнопку D, Рис. 2.
Вам выдали оптическое волокно длиной примерно $1~м$ и диаметром примерно $2~мм$. Волокно состоит из двух оптических материалов. Сердцевина (диаметр примерно $1~мм$) делается из пластика с большим показателем преломления. Она окружена промежуточным слоем из пластика с немного меньшим показателем преломления, и все это покрыто защитным слоем из черного пластика. Сердцевина и промежуточный слой образуют волновод. На границе между сердцевиной и промежуточным слоем свет испытывает полное отражение (и не может покинуть сердцевину) до тех пор пока угол падения больше чем критический угол полного отражения. Таким образом, свет будет распространяться в сердцевине волокна, даже если волокно сгибать, конечно до тех пор, пока его не согнут слишком сильно.
Теперь вы должны перевести дальномер в режим непрерывного измерения (кнопка E, Рис. 2). В этом режиме показания прибора будут обновляться примерно раз в секунду. Дальномер автоматически перейдет в спящий режим через несколько минут. Его можно вернуть из спящего режима нажатием красной кнопки «Пуск».
Осторожно накройте линзу приемника дальномера одной небольшой черной войлочной прокладкой (другая прокладка – запасная), приложив ее клейкой стороной к линзе, и \underline{несильно} прижмите её до приклеивания. Вставьте конец оптического волокна в отверстие приклеенной прокладки, так чтобы конец волокна коснулся линзы (Рис. 1.5). Обозначьте длину волокна через $x$.
Другой конец оптического волокна следует удерживать рукой напротив источника так, чтобы он касался стекла в середине лазерного луча. Снимите показание $y$ с экрана прибора. Предоставленные ножницы следует использовать для резания волокна.
Внимание: тщательно подумайте перед тем, как разрезать оптическое волокно, так как дополнительное оптическое волокно не предоставляется.
В этой части задания вам потребуется оборудование, показанное на Рис. 6.
Снимите черную войлочную прокладку с линзы. Дальномер теперь следует разместить следующим образом:
Железный уголок с дальномером закрепите на черной коробке с помощью магнита, помещенного внутри коробки под металлическим уголком, как показано на Рис. 9. (Небольшой магнит изначально находится на железном уголке). Важно закрепить дальномер по отношению к коробке в точности так, как показано на Рис. 9. Верхняя сторона коробки, на которую установлен дальномер, будет наклонена примерно на $4^\circ$. Лазерный луч должен быть направлен под углом вниз безо всяких препятствий.
Когда дальномер включен и установлен, как описано выше, лазерный луч составляет угол с вертикалью. Этот угол должен оставаться одинаковым во всех измерениях. Определите этот угол. Оптический сосуд в этом эксперименте вам не понадобится, поэтому временно уберите его.
C1 0.20 Измерьте дальномером расстояние $y_1$ до точки, в которой лазерный луч попадает на поверхность стола. Затем сдвиньте коробку вместе с дальномером горизонтально до тех пор, пока лазерный луч не попадет на пол. Измерьте дальномером расстояние $y_2$ до точки попадания лазерного луча на пол. Приведите погрешности измерений.
Разместите оптический сосуд таким образом, чтобы лазерный луч попадал на его дно примерно посередине (Рис. 10). Налейте немного воды в сосуд. Глубина воды $x$. Снимите показание с экрана дальномера.
С помощью имеющегося оборудования определите показатель преломления неизвестной жидкости в закрытой кювете.
ВАЖНО! Запрещается переворачивать или наклонять кювету, открывать ее крышку.