Порядок выполнения работы на рефрактометре ирф-54 бм

1. Ознакомьтесь с лабораторной установкой.

2. Поднимите осветительную призму (1) (рис. 61.6) рефрактометра. На середину поверхности измерительной призмы (2) осторожно, не касаясь призмы (чтобы не поцарапать ее полированной поверхности), нанесите с помощью пипетки 2 капли исследуемого раствора. Опустите осветительную призму и прижмите её крючком (3).

3. Включите осветитель рефрактометра, если источником света служит электролампа, а не дневной свет.

Рис. 61.6. Устройство рефрактометра ИРФ-454 БМ:

1 — осветительная призма, 2 — измерительная призма,

3 — крючок для зажима осветительной призмы. 4 — заслонка, закрывающая окно осветительной призмы, 5 - окуляр зрительной трубы,

6 — маховик для наведения границы светотени, 7 — маховик для устранения окраски гранитной линии, 8 — зеркало для установки наилучшей освещенности шкалы

4. Откройте окно осветительной призмы, приподняв заслонку (4) и убедитесь, что свет падает на него. Окно измерительной призмы должно быть закрыто.

5. Установите окуляр (5) зрительной трубы на отчетливую видимость перекрестия в верхней части освещенного поля зрения, поворачивая его по или против часовой стрелки. Одновременно фокусируется резкость изображения шкалы в нижней части поля зрения

6. Поворотом зеркала (8) добейтесь наилучшей освещенности шкалы.

7. Вращением маховика (6) введите границу светотени в поле зрения окуляра.

8. Вращением маховика (7) добейтесь исчезновения окраски граничной линии.

9. Наблюдая в окуляр, с помощью маховика (6), наведите границу светотени точно на перекрестие и по шкале показателей преломления снимите отсчет. Индексом для отсчета служит неподвижный вертикальный штрих. Цена деления шкалы 5·10⁴. Целые, десятые, сотые и тысячные отсчитывайте по шкале, десятитысячные доли оценивайте на глаз. Диапазон измерения п от 1,2 до 1,7.

10. Указанные измерения произведите со всеми пятью растворами. Данные измерений занесите в табл. 61.2.

11. Очищайте поверхности призм после каждого измерения. Окончив отсчет, откройте рефрактометрический блок и листком фильтровальной бумаги, удалите основное количество раствора с рабочих поверхностей призм. Полированную грань измерительной призмы вытирайте осторожно, без нажима, чтобы не повредить полировку. Рефрактометрический блок подержите некоторое время открытым для просушки.

12. По данным табл. 61.2 постройте график зависимости показателя преломления п раствора (откладывается по вертикали) от его концентрации С (откладывается по горизонтали). По графику определите неизвестную концентрацию раствора.

13. Сделайте вывод.

Таблица 61.2

Данные к определению концентрации водною раствора сахара с помощью рефрактометра ИРФ-454 БМ

Номер раствора	Показатель преломления раствора, n	Концентрация раствора С, г/л
0
1
2
3
4
5

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление полного внутреннего отражения?

2. От чего зависит предельный угол полного внутреннего отражения?

3. Что такое «оптически более плотная среда»?

4. Как образуется граница светотени при падении света на плоскую границу двух сред из оптически менее плотной среды?

5. Начертите принципиальную схему рефрактометра, основанную на измерении предельного угла.

6. Как зависит показатель преломления раствора от его концентрации? Запишите формулу.

7. Какие величины можно определить с помощью рефрактометра?

Лабораторная работа № 63

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ СИЛЫ И ФОКУСНОГО РАССТОЯНИЯ СОБИРАЮЩЕЙ И РАССЕИВАЮЩЕЙ ЛИНЗ

Линза — простейший оптический прибор, формирующий изображение. Лупа, микроскоп, подзорная труба, фотоаппарат, очки — примеры приборов, каждый из которых является одиночной линзой или включает в себя сложную линзовую систему. Оптическая система глаза человека содержит выпуклую линзу — хрусталик.

При подготовке к лабораторной работе ознакомьтесь с изложением вопроса о линзах в конспектах лекций. Проработайте тему «Изображение в линзах» по пособию «Геометрическая оптика. Методические указания по курсу '"Физика и биофизика"». С. 12-14.

Цель работы

Изучить особенности изображений, создаваемых линзами и определить оптическую силу и фокусное расстояние собирающей и рассеивающей линз.

Оборудование

1. Набор линз.

2. Оптическая скамья.

3. Предмет в виде стрелки на матовом стекле.

4. Источник света.

5. Экран.

Краткие теоретические сведения

Линза — это прозрачное тело, ограниченное выпуклыми или вогнутыми сферическими или цилиндрическими поверхностями. В частном случае одна из поверхностей может быть плоской. Собирающие линзы в середине толще, чем по краям, рассеивающие— наоборот, в середине тоньше, если показатель преломления п материала линзы больше, чем показатель преломления окружающей среды (рис. 63.1). Линзы делаются из стекла, пластмасс или других прозрачных материалов.

Рис. 63.1. Типы линз

Главной оптической осью линзы называют прямую, проходящую через центры кривизны поверхностей, ограничивающих линзу (рис. 63.2).

Рис. 63.2. Двояковыпуклая линза. Точки О₁ и О₂ — центры кривизны, а R₁ и R₂ — радиусы кривизны поверхностей линзы

Точку О называют оптическим центром линзы (рис. 63.2). Линзу называют тонкой, если ее толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей и расстоянием от предмета до линзы. Если пучок лучей, параллельных оптической оси, падает на собирающую линзу, то он собирается в фокусе линзы F₁. Если же пучок лучей, параллельных оптической оси, направлять на линзу с противоположной стороны то он соберется в фокусе F₂ (рис. 63.3а). Точки F₁ и F₂ находятся на одинаковом расстоянии F от линзы по разные стороны от нее.

Рис. 63.3а. Фокусы собирающей линзы

Если пучок лучей, параллельных оптической оси, падает на рассеивающую линзу, то после преломления он расходится так, как если бы лучи выходили из фокуса F₁, лежащего перед линзой (рис. 63.3б).

Рис. 63.3б. Фокусы рассеивающей линзы

Величину, обратную фокусному расстоянию, называют оптической силой линзы:

D = l/F. (1)

Оптическую силу выражают в диоптриях (дптр). Линза в 1 дптр имеет фокусное расстояние 1 м. Для собирающих линз фокусное расстояние и оптическая сила положительны, F > О и D > 0. Для рассеивающих линз - F <0 и D < 0. Оптическая сила D_комб двух линз, сложенных вместе, равна алгебраической сумме оптических сил отдельных линз D₁ и D₂, то есть

D_комб = D₁ + D₂. (2)

Фокальной плоскостью называют плоскость F₂ , перпендикулярную главной оптической оси и проходящую через фокус (рис. 63.4).

Рис. 63.4. Фокальная плоскость F₂ линзы

Построим изображение предмета, создаваемого собирающей линзой. Пусть АВ — источник света (предмет) (рис. 63.5).

Рис. 63.5. Изображение, создаваемое собирающей линзой:

ОВ = а (расстояние от предмета до линзы):

OB = b (расстояние от изображения до линзы)

Построим вначале изображение точки А. Изображением А точки А называется точка пересечения лучей АСА, АОА, АЕА и других, выходящих из точки А и собирающихся после прохождения сквозь линзу в точке А (рис. 63.5).

При построении изображения любой точки достаточно проследить ход любой пары лучей, выходящих из этой точки. Удобно использовать следующие лучи:

• луч АС, параллельный оптической оси, после преломления проходит через фокус F₂ (рис. 63.5);

• луч АЕ, проходящий через фокус F₁ после преломления идет параллельно оптической оси (рис. 63.5);

• луч АО, проходящий через оптический центр О — идет без изменения направления (рис. 63.5)

• параллельный пучок лучей, падающих на линзу под углом к главной оптической оси, собирается в фокальной плоскости линзы (рис. 63.4).

Изображение, образуемое преломленными лучами, называется действительным (рис. 63.5). Изображение А', образуемое продолжениями преломленных лучей назад, называется мнимым (рис. 63.6)

Рис. 63.6. Мнимые изображения в собирающей и рассеивающей линзах

В этом случае преломленные лучи, выходящие из точки А (на рис. 63.6 ACF₂ и АО для собирающей линзы и АСЕ и АО для рассеивающей линзы) расходятся, нигде не пересекаясь.

Изображением отрезка АВ является отрезок А'В' (рис. 63.5 и рис. 63.6).

Изображение, создаваемое собирающей линзой, зависит от положения предмета. Если расстояние а от линзы до предмета больше фокусного, а>F, то изображение действительное перевернутое и расположено по другую сторону от линзы (рис. 63.5). Изображение уменьшенное при а>2F (расстояние до предмета больше двойного фокусного расстояния) и увеличенное при F<а<2F. Если же расстояние до предмета меньше фокусного (a>F), изображение мнимое прямое увеличенное и расположено с этой же стороны от линзы, что и предмет (рис. 63.6).

Изображение, создаваемое рассеивающей линзой, при любом положении предмета мнимое прямое уменьшенное.

Формула тонкой линзы

Формулу тонкой линзы удобно записать в виде

(3)

где F— фокусное расстояние линзы.

а и b — расстояние от линзы до предмета и изображения соответственно (рис. 63.5). Часто эти величины обозначают соответственно d и f.

Величины b, F могут быть как положительными, так и отрицательными. Например, b>0, если изображение действительное и b<0, если изображение мнимое. Если линза собирающая, то F > 0, а если рассеивающая, F < 0.

Описание установки

Схема лабораторной установки изображена на рис. 63.7.

Рис. 63.7. Схема установки:

П – предмет (стрелка на матовом стекле); Л – линза в оправе;

Э – экран, на котором проецируется изображение предмета;

r_П, r_Э, r_Л – положение предмета, экрана и линзы на измерительной шкале

Перемещая собирающую линзу по оптической скамье, находят положение линзы, при котором на экране четко видно увеличенное или уменьшенное изображение предмета. Сняв отсчеты положения экрана r_Э, предмета r_П и линзы r_Л, находят расстояния от линзы до предмета а и изображения b (уменьшенного или увеличенного):

а=r_П- r_Л, и b= r_Л – r_Э. (4)

По формулам (3) и (1) вычисляют фокусное расстояние F_co6 и оптическую силу D_co6 собирающей линзы.

Определить параметры рассеивающей линзы подобным образом нельзя, так как она не дает на экране действительного изображения. Тогда поступают следующим образом: комбинируют рассеивающую линзу с такой собирающей, чтобы система линз работала как собирающая линза. Для комбинированной линзы нетрудно найти оптическую силу D_комб и фокусное расстояние F_комб указанным выше способом. Зная оптическую силу комбинированной D_комб и собирающей D_сo6 линз, с помощью формулы (2), находим оптическую силу рассеивающей линзы:

D_pacc = D_комб - D_соб. (5)

и, с помощью формулы (1),— ее фокусное расстояние:

F_расс. =1/D_pacc. (6)