Визначення показника заломлення прозорих твердих тіл
Прилади й приналежності. мікроскоп зі світлофільтром, плоскопаралельна пластинка з міткою АВ у вигляді хреста; рефрактометр марки «РЛ»; набір рідин.
Мета роботи: визначити показники заломлення скла і рідин.
Визначення показника заломлення скла за допомогою мікроскопа
Для визначення показника заломлення прозорого твердого тіла застосовується плоскопаралельна пластинка, виготовлена з цього матеріалу, з міткою. Мітка являє собою дві взаємно перпендикулярні подряпини, одна з яких (А) нанесена на нижню, а друга (В) - на верхню поверхню пластинки. Платівка висвітлюється монохроматическим світлом і розглядається в мікроскоп. на
Мал. 4.7 представлено перетин досліджуваної пластинки вертикальною площиною.
Промені АТ і АЕ після заломлення на кордоні скло - повітря йдуть за напрямками ДД1 і ЕЕ1 і потрапляють в об'єктив мікроскопа. Спостерігач, який дивиться на пластину зверху, бачить точку А на перетині продовження променів ДД1 і ЕЕ1. тобто в точці С.
Таким чином, точка А здається спостерігачеві розташованої в точці С. Знайдемо зв'язок між поки-ників заломлення n матеріалу пластинки, товщиною d і уявній товщиною d1 пластинки.
З рис. 4.7 видно, що ВД = ВСtgi, BD = АВtgr, звідки
де AB = d - товщина пластинки; ВС = d1 здається товщина пластинки.
Якщо кути i та r малі, то
Sini / Sinr = tgi / tgr, (4.5)
З огляду на закон заломлення світла, отримаємо
Вимірювання d / d1 проводиться за допомогою мікроскопа.
Оптична схема мікроскопа складається з двох систем: спостережної, в яку входять об'єктив і окуляр, вмонтовані в тубус, і освітлювальної, що складається з дзеркала і знімного світлофільтру. Фокусування зображення проводиться обертанням рукояток, розташованих по обидві сто-ку від тубуса. На осі правої рукоятки укріплений диск зі шкалою лімб.
Відлік b по лімбу щодо нерухомого покажчика визначає відстань h від об'єктива до предметного столика мікроскопа:
Коефіцієнт k вказує, на яку висоту зміщується тубус мікроскопа при повороті рукоятки на 1 °.
Діаметр об'єктива в даній установці малий у порівнянні з відстанню h, тому крайній промінь, який потрапляє в об'єктив, утворює малий кут i з оптичною віссю мікроскопа. Кут заломлення r світла в пластинці менше, ніж кут i, тобто. теж малий, що відповідає умові (4.5).
Порядок виконання роботи
1. Покласти пластинку на предметний столик мікроскопа так, щоб точка перетину штрихів А та В (див. Рис. 4.7) перебувала в полі зору.
2. Обертаючи рукоятку підйомного механізму, підняти тубус в верхнє положення.
3. Дивлячись в окуляр, обертанням рукоятки опускати тубус мікроскопа плавно до тих пір, поки в поле зору не вийде чітке зображення подряпини В, нанесеної на верхню поверхню пластинки. Записати показання b1 лімба, яке пропорційно відстані h1 від об'єктива мікроскопа до верхньої межі платівки: h1 = kb1 (рис. 4.8, а).
4. Продовжити опускання тубуса плавно до тих пір, поки не вийде чітке зображення подряпини А, яка здається спостерігачеві розташованої в точці С. Записати нове показання b2 лімба. Відстань h1 від об'єктива до верхньої поверхні пластинки пропорційно b2.
h2 = kb2 (рис. 4.8, б).
Відстані від точок В і С до об'єктива рівні, так як спостерігач бачить їх однаково чітко.
Зсув тубуса h1 -h2 одно уявній товщині пластинки (рис. 4.8, б)
5. Виміряти товщину пластинки d в місці перетину штрихів. Для цього під досліджувану пластинку 1 (рис. 4.9) помістити допоміжну скляну пластинку 2 і опускати тубус мікроскопа до тих пір, поки об'єктив не торкнеться (злегка) досліджуваної пластинки. Помітити показання лімба a1. Зняти дослі-дуємо пластинку і опускати тубус мікроскопа до тих пір, поки об'єктив не торкнеться пластинки 2. Помітити показання a2.
Об'єктив мікроскопа опуститься при цьому на висоту, рівну товщині досліджуваної пластинки, тобто
6. Обчислити показник заломлення матеріалу пластинки за формулою
7. Повторити всі зазначені вище вимірювання 3 - 5 разів, обчислити середнє значення n, абсолютну і відносну похибки rn і rn / n.
Визначення показника заломлення рідин за допомогою рефрактометра
Прилади, які служать для визначення показників заломлення, називаються рефрактометрами. Загальний вигляд і оптична схема рефрактометра РЛ показані на рис. 4.10 і 4.11.
Вимірювання показника заломлення рідин за допомогою рефрактометра РЛ засноване на явищі заломлення світла, що пройшло через кордон розділу двох середовищ з різними показниками заломлення.
Світловий пучок (рис. 4.11) від джерела 1 (лампа розжарювання або денної розсіяне світло) за допомогою дзеркала 2 прямує через віконце в корпусі приладу на подвійну призму, що складається з призм 3 і 4, які виготовлені зі скла з показником заломлення 1,540.
Поверхня АА верхньої освітлювальної призми 3 (рис. 4.12, а) матова і служить для освітлення розсіяним світлом рідини, нанесеним тонким шаром в зазорі між призмами 3 і 4. Світло, розсіяний матовою поверхнею 3, проходить плоскопараллельний шар досліджуваної рідини і падає на діагональну грань ВВ нижньої призми 4 під різними
кутами i в межах від нуля до 90 °. Щоб уникнути явища повного внутрішнього відбиття світла на поверхні ВВ, показник заломлення досліджуваної рідини повинен бути менше, ніж показник заломлення скла призми 4, тобто менше, ніж 1,540.
так як siniпр = 1.
На поверхні ВС призми 4 відбувається повторне переломлення світлових променів і тоді
де a -преломляющій промінь призми 4.
Вирішуючи спільно систему рівнянь (4.12), (4.13), (4.14), можна отримати формулу, яка пов'язує показник заломлення nж досліджуваної рідини з граничним кутом заломлення r'пр променя, що вийшов з призми 4:
Якщо на шляху променів, що вийшли з призми 4, поставити зорову трубу, то нижня частина її поля зору буде освітлена, а верхня - темна. Кордон розділу світлого і темного полів утворена променями з граничним кутом заломлення r ¢ пр. Променів з кутом заломлення меншим, ніж r ¢ пр. в даній системі немає (рис. 4.12, б).
Величина r ¢ пр, отже, і становище кордону світлотіні залежать тільки від показника заломлення nж досліджуваної рідини, так як Nст і a величини в даному приладі постійні. Знаючи Nст. a і r ¢ пр. можна за формулою (4.15) розрахувати nж. На практиці формула (4.15) використовується для градуювання шкали рефрактометра.
На шкалу 9 (див. Рис. 4.11) зліва нанесені значення показника заломлення для lд = 5893 Å. Перед окуляром 10 - 11 є платівка 8 з міткою (----). Переміщаючи окуляр разом з платівкою 8 уздовж шкали, можна домогтися суміщення мітки з межею поділу темного і світлого полів зору. Розподіл проградуірованной шкали 9. збігається з міткою, дає значення показника заломлення nж досліджуваної рідини. Об'єктив 6 і окуляр 10 - 11 утворюють зорову трубу. Поворотна призма 7 змінює хід променя, направляючи його в окуляр.
Внаслідок дисперсії скла і досліджуваної рідини замість чіткої межі розділу темного і світлого полів при спостереженні в білому світлі виходить райдужна смужка. Для усунення цього ефекту служить компенсатор дисперсії 5, встановлений перед об'єктивом зорової труби. Основна деталь компенсатора - призма, яка склеєна з трьох призм і може обертатися щодо осі зорової труби. Заломлюючі кути призми і їх матеріал підібрані так, що жовте світло з довжиною хвилі lд = 5893 Å проходить через них без заломлення. Якщо на шляху кольорових променів встановити компенсаторну призму так, щоб її дисперсія дорівнювала за величиною, але протилежна за знаком дисперсії вимірювальної призми і рідини, то сумарна дисперсія буде дорівнює нулю. При цьому пучок світлових променів збереться в білий промінь, напрямок якого збігається з напрямком граничного жовтого променя. Таким чином, при обертанні компенсаторною призми кольорова забарвлення цветотені усувається. Разом з призмою 5 обертається дисперсійний лімб 12 щодо нерухомого покажчика (див. Рис. 4.10). Кут повороту Z лімба дозволяє судити про величину середньої дисперсії досліджуваної рідини. Шкала лімба повинна бути проградуірована. Графік додається до установки.
Порядок виконання роботи
1. Підвести призму 3, на поверхню призми 4 помістити 2-3 краплі досліджуваної рідини і опустити призму 3 (див. Рис. 4.10).
2. За допомогою рефлектора 2 направити пучок світла на призму 3.
3. окулярної наводкою домогтися різкого зображення шкали і кордони розділу полів зору.
4. Обертаючи рукоятку 12 компенсатора 5, знищити кольорову забарвлення кордону розділу полів зору.
5. Переміщуючи окуляр уздовж шкали, поєднати мітку (----) з кордоном темного і світлого полів і записати значення показника рідини.
6. Дослідити запропонований набір рідин і оцінити похибку вимірювань.
7. Після кожного вимірювання протирати поверхню призм фільтрувальної папером, змоченою в дистильованої воді.
1. Дайте визначення абсолютного і відносного показників заломлення середовища.
2. Намалюйте хід променів через кордон розділу двох середовищ (n2> n1. І n2 3. Отримайте співвідношення, яке пов'язує показник заломлення n з товщиною d і уявній товщини d ¢ пластинки. 4. Завдання. Граничний кут повного внутрішнього відображення для деякого речовини дорівнює 30 °. Знайти показник заломлення цієї речовини. 1. У чому полягає явище повного внутрішнього відображення? 2. Опишіть конструкцію і принцип дії рефрактометра РЛ-2. 3. Поясніть роль компенсатора в рефрактометрі. 4. Завдання. З центру круглого плоту на глибину 10 м опущена лампочка. Знайти мінімальний радіус плота, при цьому жоден промінь від лампочки не повинен вийти на поверхню.