ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ РЕФРАКТОМЕТРОМ

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ. Луч (cветовой луч) — геометрическая линия, вдоль которой распространяется энергия, переносимая электромагнитными волна­ми.

Законы геометрической оптики можно использовать в том слу­чае, когда площадь фронта волны значительно больше произведения bl (b — расстояние от линзы до точки наблюдения, l — длина волны).

Закон прямолинейного распространения света в однородной среде:в однородной среде лучи являются прямыми линиями.

Углом падения называется угол между на­правлением падающего луча и перпендикуляром к границе раздела в точке падения. Угол между этим перпендикуляром и направлением отраженного луча называется углом отражения.

Закон отражения. Падающий и отраженный лучи и перпендикуляр к поверхности в точке падения лежат в одной плос­кости. При падении луча на границу раздела двух изотропных сред угол отражения равен углу падения.

В зависимости от свойств границы раздела различают два вида отражения света. Если поверхность раздела имеет неровности, раз­меры которых значительно меньше длины волны света, то происхо­дит зеркальное отражение. В этом случае падающие параллельные лучи света после отражения остаются параллельными. Если неровности расположены на отражающей поверхности хаотич­но и имеют размеры, сравнимые с длиной волны, то происходит диффузное отражение. В этом случае параллельные лучи света после отражения перестают быть параллельными, однако при усло­вии h cos i<<l (h — размеры неровностей; i — угол падения лучей) отраженные лучи становятся почти параллельными, т. е. отражение можно считать зеркальным.

Угол между перпендикуляром к границе раздела сред в точке падения луча и направлением преломленного луча называется углом преломления.

Закон преломления(для изотропных сред). Падающий и преломленный лучи, перпендикуляр в точке падения лежат в одной плоскости.

При преломлении светового луча на границе раздела двух дан­ных изотропных сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данной длины волны:

,

где n – относительный показатель преломления второй среды относительно первой – физическая величина, равная отношению скоростей света в соответствующих средах:

. (1)

Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления среды.

Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления среды. Показатель преломления среды зависит от длины волны падающего света (или его частоты). Среда, в которой скорость света больше называется оптически менее плотной, иначе – оптически более плотной.

При переходе из среды, оптически более плотной, в среду, оптически менее плотную, луч может полностью отражаться. Это явление называется полным отражением. Угол падения i_пр, начиная с которого свет полностью отражается от границы раздела, называется предельным угломполного отражения. Он определяется из соотношения:

,

где n определяется формулой (1). c₂ – скорость света в оптически более плотной среде.

Оптические приборы, предназначенные для измерения показателя преломления, называ­ются рефрактометрами.

Определение показателя преломления можно проводить различ­ными способами: по измерению углов падения и преломления, по измерению наименьшего угла отклонения призмы и её преломляющего угла, интерференционными методами (по смещению интерференционных полос), по смещению изображения предмета, рассматриваемого через плоскопараллельную пластинку с помощью микроскопа, иммерсионными методами и методами, основанными на полном отражении. В работе применяется рефрактометр Аббэ. Исследуемая среда (обычно жидкость) помещается в зазоре (око­ло 0,1 мм) между гранями двух стеклянных прямоугольных призм (рис. 1).

При измерениях используются два метода: метод скользящего луча и метод полного отражения.

Метод скользящего луча. Свет направляется через грань АВ призмы Р₁, проходит через матовую поверхность АС и далее че­рез слой жидкости проникает в призму P₂. Для лучей, которые скользят вдоль грани, можно записать закон преломления в виде:

, (1)

где равен предельному углу отражения для границы стекло - исследуемое вещество, - показатель преломления исследуемой среды в зазоpe; - показатель преломления стекла призмы ( ).Для грани ЕF закон преломления записывается в виде:

. (2)

Преломляющий угол призмы

P = r + r₁ (3)

Учитывая (1), (2), (3), найдем:

. (4)

Угол выхода лучей будет иметь наименьшее значение для скользящих лучей. Лучи, проходящие через грань EF , будут выходить под углами от 90° до , определяемыми соотношением (4). Если на пути этих лучей поставить собирающую линзу О₁, то в её фокальной плоскости получается изображение, на котором будет видна резкая граница между светом и тенью. Граница раздела соответствует направлению выхода лучей под наименьшим углом i_m. Положение её будет зависеть от величины показателя преломления среды для данной призмы.

На рис. 2 представлен схематически ход лучей в рефрактометре Аббе: 1 - осветительное зеркало, 2 – откидная призма, 3 - основная призма, 4 – матовая грань, 5 - исследуемое вещество, 6 - призмы компенсатора, 7 - объектив трубы, 8 - оборотная призма, 9 - окуляр с отсчетной шкалой, расположенный в фокальной плоскости окуляра. Граница рассматривается через вторую линзу, которая совместно с О₁ образует зрительную трубу, установленную на бесконечность. С помощью такой трубы определяется угол и по известным значениям и рассчитывается показатель преломления.

Метод полного отражения. Свет вводится в рефрактометр через матовую грань DF призмы Р₂. Свет падает на эту грань под всевозможными углами. При углах падения будет наблюдаться полное отражение. Лучи, проходящие через грань EF и имеющие угол выхода , будут в фокальной плоскости давать изображение с большей освещенностью. Лучи с углами выхода меньше (что соответствует условию ) будут иметь большую освещенность. В этом случае в поле зрения трубы будет наблюдаться резкая граница между полутенью и светом. Если при использовании первого способа верхняя часть поля зрения будет темной, то во втором cпocoбе эта часть поля будет иметь большую освещенность. Положение границы раздела в обоих случаях определяется условием (4). Вторым способом можно измерять показатель преломления непрозрачных объектов.

При освещении призм белым светом граница раздела будет размыта и окрашена в различные цвета из-за дисперсии в призме Р₂. Чтобы получить резкое изображение, перед объективом зрительной трубы помещаются две призмы прямого зрения (призмы Амичи) (см. 6 на рис.2). Каждая призма состоит из трех склеенных призм с различными показателями преломления и дисперсией (например, крайние призмы изготовлены из кронгласа, средняя - из флинтгласа). Призмы рассчитаны так, чтобы монохроматический луч с длиной волны 5893 ангстрем не испытывал отклонения. Такое устройство называется компенсатором.При положении призм компенсатора, указанном на рис.2, их дисперсия равна нулю. При повороте одной из призм на 180° дисперсия будет равна удвоенному значению дисперсии одной призмы (при равных дисперсиях обоих призм). В зависимости от взаимной ориентации дисперсию можно изменять от нуля до максимального значения.

Поворотом призм компенсатора с помощью специального устройства (см.10 на рис.3) добиваются резкого изображения границы, положение которой соответствует значению показателя преломления желтой линии натрия (5893 ангстрем).

В простых конструкциях рефрактометров в качестве компенсатора используется одна призма. Общий вид рефрактометра показан на рис. 3. Обозначения те же, что на рис. 2. Для удобства измерений шкала отградуирована в значениях показателя

Преломления. В указанной конструкции рефрактометра имеется два окна, что позволяет вести измерения обоими способами. Для установки компенсатора служит барабан 10. В оправе призм сделана камера, через которую может прокачиваться жидкость для поддержания постоянной температуры. Подача термостатирующей жидкости осуществляется через штуцеры 11.

ЗАДАНИЕ.

1. Перед началом работы необходимо проверить установку прибора. С этой целью между призмами 2 и 3 помещается капля дистиллированной воды. Смещая окуляр в тубусе трубы, добиваются четко изображения шкалы и визирной линии. Поворотом компенсатора добиваются четкого изображения границы. Зрительную трубу перемещают до совпадения визирной линии с границей раздела. При правильной установке прибора показание на нем должно быть 1,333 (при 20°С).

2. Измерить показатели преломления раствора сахара в воде для трех различных концентраций. Измерения провести обоими способами, рассмотренными выше. Измерение каждого значения проводится 3 раза. Рассчитать среднее значение и оценить погрешность измерений.

РЕЗУЛЬТАТЫ

, где - среднее значение показателя преломления,

- отклонение данного измерения от среднего значения,

- среднее значения абсолютной погрешности измерений.

ВОПРОСЫ К ЗАЩИТЕ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Лабораторная работа 4м

1. Кинематика прямолинейного равномерного движения. Радиус-вектор положения тела. Перемещение. Скорость. Ускорение. Материальная точка.

2. Вращательное движение. Угловое перемещение. Угловая скорость. Угловое ускорение.

3. Момент силы. Основной закон динамики вращательного движения. Момент инерции.

Лабораторная работа 8м

1. Динамика. Масса. Сила. Законы Ньютона.

2. Закон Паскаля. Выталкивающая сила (сила Архимеда). Закон Архимеда. Условие плавания тел.

3. Сила вязкости. Коэффициент динамической вязкости. Формула Стокса.

Лабораторная работа 11-Ам

1. Колебания. Виды колебаний. Гармонические колебания. Амплитуда. Частота. Период. Фаза колебаний.

2. Затухающие колебания. Уравнение затухающих колебаний. Коэффициент затухания. Декремент затухания. Логарифмический декремент затухания.

Лабораторная работа 11-Бм

1. Колебания. Виды колебаний. Гармонические колебания. Амплитуда. Частота. Период. Фаза колебаний.

2. Вынужденные колебания. Вынуждающая сила. Уравнение вынужденных колебаний. Фаза и амплитуда вынужденных колебаний. Резонанс.

Лабораторная работа 12м

1. Волны. Виды волн. Длина волны. Уравнение плоской волны. Волновое число.

2. Звук. Громкость и тон. Скорость звука.

Лабораторная работа 2т

1. Внутренняя энергия. Способы ее изменения. Работа в термодинамике. Количество теплоты. Первое начало термодинамики.

2. Изопроцессы. Газовые законы. Графическое представление изопроцессов: изотерма, изобара, изохора.

3. Адиабатический процесс. Уравнение Пуассона. Коэффициент Пуассона.

Лабораторная работа 7т

1. Идеальный газ. Уравнения состояния идеального газа: уравнение Клапейрона, уравнение Менделеева-Клапейрона.

2. Влажность воздуха. Абсолютная и относительная влажность. Дефицит влажности. Способы измерения относительной влажности.

Лабораторная работа 11т

1. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реальных газов.

2. Свободная поверхность жидкости. Силы поверхностного натяжения. Коэффициент поверхностного натяжения.

3. Смачивание, несмачивание. Капиллярные явления. Давление Лапласа.

Лабораторная работа 2э

1. Закон Ома для однородного участка электрической цепи. Сопротивление. Удельное сопротивление. Зависимость сопротивления проводника от температуры.

2. Соединение проводников. Сила тока, напряжение, сопротивления при последовательном, и параллельном соединении проводников.

3. Электролиз. Законы электролиза.

Лабораторная работа 3э

1. Точечный электрический заряд. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряженность и потенциал электрического поля. Связь между ними.

2. Электроемкость. Конденсаторы. Виды конденсаторов. Соединение конденсаторов. Энергия электрического поля.

3. Магнитное поле. Напряженность и вектор магнитной индукции. Магнитное поле Земли.

Лабораторная работа 4э

1. Сила и плотность электрического тока. Напряжение. ЭДС. Закон Ома для замкнутой цепи.

2. Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока.

3. Электрический ток в газах. Электрический разряд. Виды электрического разряда.

Лабораторная работа 2о

1. Интерференция света. Условия когерентности. Интерференция от двух источников. Условия минимума и максимума.

2. Дифракция. Дифракционная решетка. Условия минимума и максимума.

3. Кольца Ньютона. Интерференция в тонких пленках.

Лабораторная работа 4о

1. Преломление света на сферической поверхности. Линзы. Оптические оси. Фокус. Фокусное расстояние. Формула тонкой линзы.

2. Построение изображений в тонких линзах (собирающей и рассеивающей).

Лабораторная работа 5о

1. Глаз как оптический прибор. Недостатки зрения.

2. Оптические приборы: лупа, микроскоп, зрительная труба. Увеличение оптических приборов. Ход лучей в оптических приборах.

Лабораторная работа 6о

1. Геометрическая оптика. Законы геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света, закон отражения и закон преломления.

2. Абсолютный и относительный показатели преломления среды. Полное отражение света. Предельный угол полного отражения.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: