Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Цель работы
Определение показателя преломления прозрачных сред в процессе опыта.
2. Разделы теории
Основные законы оптики. Полное отражение.
3. Приборы и принадлежности
Рефрактометр, микроскоп, микрометр, набор пробирок с исследуемыми жидкостями, набор стеклянных пластин.
4. Теоретическое введение
Геометрическая оптика - предельный случай волновой оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных средах и условия получения изображений в систе мах, в которых длину волны света можно считать бесконечно малой (более строгое определение будет дано при изучении яв ления дифракции света). Для описания оптических явлений вво дится понятие светового луча, под которым понимается направ ление, по которому световой волной переносится энергия Ос новные законы геометрической оптики, установленные опыт ным путем, следующие.
1.Закон прямолинейного распространения света: в однородной среде свет распространяется прямолинейно.
2.Закон независимого распространения лучей: отдельные лучи распространяются независимо. Если в какой-либо точке лучи сходятся, то освещенности, создаваемые ими, складыва ются.
3.Закон отражения, который устанавливает изменение направления луча в результате падения на отражающую (зеркальную) поверхность: падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхно сти в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части (рис. 501.1) т.е. угол отражения (а') равен углу падения (а).
4.Закон преломления, который устанавливает изменение направления луча при переходе из одной однородной среды в другую: падающий и преломленный лучи лежат в одной плоско сти с нормалью к преломляющей поверхности в точке падения луча (рис. 501.1), а направления этих лучей связаны соотноше нием:
(501.1)
Величина n21 называется относительным показателем преломления (второй среды по отношению к первой). Относи тельный показатель преломления определяется через абсолют ные показатели преломления сред n1 и п2 как
или
Абсолютный показатель преломления среды равен отно шению скорости распространения света (с) в вакууме к скорости распространения света в данной среде (v)
п = c/v.
Вещество с большим показателем преломления называется оп тически более плотным.
Используя выражение (501.1), закон преломления света можно записать следующим образом:
Из этой формулы видно, что при переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (n1>n2) преломленный луч отклоняется от направления падающего луча к границе раздела двух сред. Увеличение угла падения а сопровождается более быстрым ростом угла пре ломления β, и по достижении углом а значения угол β становится равным π/2. Угол апред называется предель ным углом (рис. 501.2).
Энергия, которую несет с собой падающий луч, распре деляется между отраженным и преломленным лучами. По мере увеличения угла падения интенсивность отраженного луча рас тет, интенсивность же преломленного убывает, обращаясь в ноль при предельном угле. При углах падения от апред до π/2 свет во вторую среду не проникает, интенсивность отраженного луча равна интенсивности падающего. Это явление называется полным внутренним отражением.
5. Описание установки и вывод расчетных формул
Рефрактометр (рис. 501.3) предназначается для непосред ственного измерения показателя преломления жидких и твердых тел.
Прибор может быть использован для быстрого установ ления концентраций водных, спиртовых, эфирных и других рас творов по показателю преломления п.
Принцип действия прибора основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раз дела двух сред с разными показателями преломления.
На приборе можно исследовать вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления измери тельной призмы.
Все измерения на приборе проводятся в белом свете.
Определение показателя преломления прозрачных жид костей производится в проходящем свете. Несколько капель ис следуемой жидкости помещают между двумя гипотенузными гранями призм I и II (рис. 501.4). Призма I с хорошо отполиро ванной плоской гранью АВ является измерительной, а призма II с матовой гранью A1B1 - осветительной.
От источника света лучи падают на грань С1В1, прелом ляются и попадают на матовую поверхность A1B1. Вследствие рассеивания света матовой поверхностью в исследуемую жид кость входят лучи различных направлений. Далее они проходят слой исследуемой жидкости и падают на поверхность АВ приз мы I. Так как показатель преломления исследуемой жидкости меньше показателя преломления измерительной призмы I, то лучи всех направлений, преломившись на границе жидкости и стекла, войдут в призму I.
По закону преломления имеем
(501.2)
где п - показатель преломления исследуемой жидкости; i'-угол падения луча; пс - показатель преломления измерительной призмы; i - угол преломления луча.
Из уравнения (501.2) следует:
(501.3)
Из выражения (501.3) видно, что с увеличением угла i' угол i также увеличивается, достигая максимального значения при угле падения i' - 90°, т.е. когда падающий луч скользит по поверхности АВ.
Максимальное значение угла преломления луча, соответ ствующее углу падения 90°, называется предельным углом пре ломления.
Так как зазор между призмами I и II мал, то можно при близительно считать, что лучи с наибольшим углом падения яв ляются скользящими. Тогда, подставляя значение i'=90° в фор мулу (501.3), получим
откуда
В действительности формула для определения показателя преломления несколько сложнее, так как выходящие из призмы I лучи преломляются на границе.
Если на пути лучей, выходящих из призмы, поставить зрительную трубу, то верхняя часть её поля зрения будет осве щена, а нижняя останется темной. Получающаяся граница света и тени определяется лучом, выходящим из призмы под мини мальным углом φ.
Наблюдая в зрительную трубу, совмещают границу раз дела с перекрестием зрительной трубы и непосредственно по шкале прибора снимают отсчеты величины показателя прелом ления.
Показатель преломления прозрачных твердых тел, если он меньше показателя преломления призм пс, можно было бы измерять рефрактометром, поместив образец в виде тонкой пла стинки между призмами. Однако удобнее его измерять другими методами, например при помощи микроскопа Этот способ при меним для измерения показателей преломления любых твердых прозрачных тел.
В основе метода лежит явление кажущегося уменьшения толщины стеклянной пластины вследствие преломления лучей на границе раздела двух сред. Если светящаяся точка S распо ложена на нижней поверхности пластинки (рис. 501.5), то луч 1, падающий перпендикулярно к верхней поверхности, пройдет без преломления, а лучи 2 и 2' преломятся и выйдут в воздух над пластинкой под углом β.
На продолжении этих лучей в точке их пересечения с лу чом I получим мнимое изображение S' светящейся точки S.
Толщина пластинки как бы уменьшилась на величину h. Так как через верхнюю поверхность пластинки лучи выходят в среду оптически менее плотную (воздух), то, положив показатель пре ломления воздуха равным единице, закон преломления света запишется в виде
(501.4)
где п - показатель преломления пластинки.
Так как углы а и β малы, то их синусы можно приравнять к тангенсам. Тогда вместо равенства (501.4) получаем
(501.5)
После подстановки tg a = |OC|/H и tg β = |OC|/(H - h) в формулу (501.5) и решения полученного уравнения относитель но п находим:
(501.6)
Формула (501.6) является расчетной при измерении пока зателя преломления прозрачных твердых тел с помощью микро скопа.
Для измерения показателя преломления пластинки на ее верхнюю и нижнюю поверхности наносят штрихи друг против друга и кладут пластинку на предметный столик микроскопа так, чтобы оба штриха находились на оптической оси прибора. Затем перемещением тубуса микроскопа добиваются четкого изображения штриха, нанесенного на верхнюю поверхность пластинки, и берут соответствующий отсчет h1 по шкале микро метра.
Опускают тубус микроскопа до получения четкого изо бражения штриха на нижней поверхности пластинки и опять бе рут отсчет по шкале h2. Разность полученных отсчетов равна кажущейся толщине пластинки:
Действительную толщину пластинки Н измеряют микро метром. Подставляя измеренные значения Н и (h2 - h1) в форму лу (501.6), находят неизвестный показатель преломления:
(501.7)
6. Порядок выполнения работы
Упражнение 1. Измерение показателя преломления прозрачных твердых тел
Внимание: при настройке резкости следите за тем, чтобы объективом не раздавить исследуемый образец!
При передвижении образца помните, что микроскоп пе реворачивает изображение.
10. Оценить погрешности измерений.
|
Пластина №1 |
Пластина №2 |
Пластина №3 |
|
|
H1, м |
|||
|
H2, м |
|||
|
H3, м |
|||
|
Hср, м |
|||
|
h1,1, м |
|||
|
h1,2, м |
|||
|
h1,3, м |
|||
|
h1,ср, м |
|||
|
h2,1, м |
|||
|
h2,2, м |
|||
|
h2,3, м |
|||
|
h2,ср, м |
|||
|
n |
|||
|
n±Δn |
Упражнение 2. Измерение показателя преломления жидких сред
|
Вещество |
Номер замера |
Среднее значение |
||
|
1 |
2 |
3 |
||
|
H2O |
||||
|
1 |
||||
|
2 |
||||
|
3 |
||||
|
4 |