. Цель работы Определение показателя преломления прозрачных сред в процессе опыта.



Бесплатно
Узнать стоимость работы
Рассчитаем за 1 минуту, онлайн
Работа добавлена на сайт TXTRef.ru: 2019-10-29

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 системах, в которых длину волны света можно считать бесконечно малой (более строгое определение будет дано при изучении явления дифракции света). Для описания оптических явлений вводится понятие светового луча, под которым понимается направление, по которому световой волной переносится энергия Основные законы геометрической оптики, установленные опытным 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, складываются.

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 поверхности 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 плоскости с нормалью к преломляющей поверхности в точке падения луча (рис. 501.1), а направления этих лучей связаны соотношением:

(501.1)

Величина   n21 называется   относительным   показателем преломления (второй среды по отношению к первой). Относительный показатель преломления определяется через абсолютные показатели преломления сред n1 и п2 как

или

Абсолютный показатель преломления среды равен отношению скорости распространения света (с) в вакууме к скорости распространения света в данной среде (v)

п = c/v.

Вещество с большим показателем преломления называется оптически 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 преломления     β,     и     по     достижении     углом     а  значения угол β становится равным π/2. Угол апред называется предельным углом (рис. 501.2).

Энергия, которую несет с собой падающий луч, распределяется между отраженным и преломленным лучами. По мере увеличения угла падения интенсивность отраженного луча растет, 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 непосредственного измерения показателя преломления жидких и твердых тел.

Прибор может быть использован для быстрого установления концентраций водных, спиртовых, эфирных и других растворов по показателю преломления п.

Принцип действия прибора основан на явлении полного внутреннего отражения при прохождении светом границы раздела двух сред с разными показателями преломления.

На приборе можно исследовать вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления измерительной призмы.

Все измерения на приборе проводятся в белом свете.

Определение показателя преломления прозрачных жидкостей производится в проходящем свете. Несколько капель исследуемой жидкости помещают между двумя гипотенузными гранями призм I и II (рис. 501.4). Призма I с хорошо отполированной плоской гранью АВ является измерительной, а призма II с матовой гранью A1B1 - осветительной.

От источника света лучи падают на грань С1В1, преломляются и попадают на матовую поверхность A1B1. Вследствие рассеивания света матовой поверхностью в исследуемую жидкость входят лучи различных направлений. Далее они проходят слой исследуемой жидкости и падают на поверхность АВ призмы 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, соответствующее углу падения 90°, называется предельным углом преломления.

Так как зазор между призмами I и II мал, то можно приблизительно считать, что лучи с наибольшим углом падения являются скользящими. Тогда, подставляя значение i'=90° в формулу (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 освещена, а нижняя останется темной. Получающаяся граница света и тени определяется лучом, выходящим из призмы под минимальным углом φ.

Наблюдая в зрительную трубу, совмещают границу раздела с перекрестием зрительной трубы и непосредственно по шкале прибора снимают отсчеты величины показателя преломления.

Показатель преломления прозрачных твердых тел, если он меньше показателя преломления призм пс, можно было бы измерять рефрактометром, поместив образец в виде тонкой пластинки между призмами. Однако удобнее его измерять другими методами, например при помощи микроскопа Этот способ применим 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 расположена 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 лучом 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 преломления 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 относительно п находим:

(501.6)

Формула (501.6) является расчетной при измерении показателя преломления прозрачных твердых тел с помощью микроскопа.

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 микрометра.

Опускают тубус микроскопа до получения четкого изображения штриха на нижней поверхности пластинки и опять берут отсчет по шкале h2. Разность полученных отсчетов равна кажущейся толщине пластинки:

Действительную толщину пластинки Н измеряют микрометром. Подставляя измеренные значения Н и (h2 - h1) в формулу (501.6), находят неизвестный показатель преломления:

(501.7)

6. Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Измерение показателя преломления прозрачных твердых тел

  1.  Положить на предметный столик лист бумаги и подстроить зеркало микроскопа так, чтобы на листе бумаги было видно светлое пятно (зайчик).
  2.  Получить четкое изображение структуры бумаги, вращая винт перемещения зрительной трубы микроскопа и наблюдая изображение в окуляр.

Внимание: при настройке резкости следите за тем, чтобы объективом не раздавить исследуемый образец!

При передвижении образца помните, что микроскоп переворачивает изображение.

  1.  Установить показание микрометра на ноль с помощью винта перемещения тубуса (зрительной трубы) микроскопа, при этом щуп микрометра касается предметного столика.
  2.  Приподнять шток микрометра и положить исследуемый образец под датчик микрометра. Микрометр покажет действительную толщину образца. Измерить толщину образца в трех различных точках. Полученные результаты занести в таблицу.
  3.  Положить исследуемый образец на поверхность предметного столика микроскопа так,  чтобы точка пересечения верхней и нижней рисок находилась под объективом. Получить
    четкое изображение нижней риски. (Датчик микрометра должен упираться в столик микроскопа). Записать показание микрометра в таблицу.
  4.  Поднять тубус микроскопа вверх и получить четкое изображение верхней риски. Изображение верхней риски будет проходить перпендикулярно изображению нижней риски. Записать показание микрометра в таблицу.
  5.  Выполнить пп. 5 и 6 в двух других точках (перекрестиях) этого же образца. Полученные результаты занести в таблицу.
  6.  Рассчитать среднее арифметическое значение величин h1, h2, H и, подставив их в формулу (501.7), рассчитать показатель преломления. Результат вычислений занести в таблицу.
  7.  Выполнить пп. 4-8 для других образцов.

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

  1.  Открыть верхнюю часть измерительной головки 1 рефрактометра (см.  рис.  501.3).  На поверхность измерительной призмы 2 нанести пипеткой 2-3 капли исследуемой жидкости и
    осторожно закрыть головку.
  2.  Настроить окуляр 3 вращением кольца с насечкой. Зеркалом 4 подсветить шкалу рефрактометра. Найти границу раздела света и тени и совместить ее с перекрестием визирной сетки,
    вращая маховичок 5. Скомпенсировать спектральную окраску границы раздела света и тени, вращая маховичок 6. Скорректировать положение границы светотени. Взять значение показателя преломления по шкале рефрактометра.
  3.  Открыть измерительную головку. Убрать остатки исследуемой жидкости. Тщательно протереть призмы.
  4.  Произвести указанные измерения по пп.1 и 2 для других растворов, число которых взять по указанию преподавателя. Для каждого раствора произвести измерение показателя преломления не менее 3 раз и результаты записать в таблицу.
  5.  По  полученным  результатам  измерений  рассчитать среднее значение показателя преломления для каждого раствора.
  6.  Проанализировать полученные результаты измерения показателя преломления растворов, сравнить их с табличными значениями.
  7.  Оценить погрешность измерений.

Вещество

Номер замера

Среднее

значение

1

2

3

H2O

1

2

3

4

Другие работы

Лиза из Ламбета впервые публикуемый на русско...


История трагедии в которой Лиза бесхитростно отдается своим чувствам безропотно принимая выпавший ей жребий.of Lmbeth Сомерсет Моэм Лиза из Ламб...

Подробнее ...

ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА


2 ЛИНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Цель работы: 1) исследование режимов работы линии электропередачи; 2) анализ влияния величин передаваемо...

Подробнее ...

Лабораторная работа 3 Анализ ликвидности Вып...


Рассчитать финансовые коэффициенты платежеспособности. Оценить их динамику сравнить каждый коэффициент с нормативным значением. Выполнить фактор...

Подробнее ...

Тема- Ознайомлення з приладами для формування...


В одній схемі можна застосовувати декілька таких приладів одночасно спостерігаючи струми в різних гілках і напруги на різних елементах. 1 Вольтм...

Подробнее ...