книги из ГПНТБ / Руководство к лабораторным занятиям по физике учеб. пособие

объективом и окуляром трубы и сравните его с суммой их фокус­ ных расстояний.

2.Определите увеличение трубы, измерив'размер оправы объек­ тива и размер изображения этой оправы в окуляре. Для этого позади окуляра модели установите рейтер с матовым стеклом. При некотором положении матового стекла на нем отчетливо видно резко очерченное круглое светлое пятно — изображение оправы объек­ тива. Убедитесь в том, что наблюдается именно изображение оправы объектива, поднеся вплотную к объективу какой-либо предмет (например, край линейки); на матовом стекле должно появиться четкое изображение этого предмета. Изображение оправы объектива появляется на экране, конечно, только в том случае, если вся она освещена светом, выходящим из коллиматора; неосвещенные части оправы не дают изображения. Если диаметр линзы коллиматора меньше диаметра объектива, то на последний целесообразно надеть круглую диафрагму, которая бы целиком заполнялась светом, иду­ щим из коллиматора. Измеряя диаметр объектива (или диафрагмы)

идиаметр его изображения, вычислите увеличение зрительной трубы.

3.Определите увеличение трубы по тангенсам углов, под кото­ рыми виден предмет через трубу и без нее. Для этого за окуляром

поместите вспомогательную зрительную трубу, установленную на бесконечность. В поле зрения трубы должно быть видно изобра­ жение трех щелей осветителя. По окулярной шкале вспомогательной трубы измерьте расстояние /2 между изображениями крайних щелей. Очевидно, /2 = k tg <р2, где k — некоторый коэффициент, характеризующий увеличение вспомогательной трубы, ф2 — угло­ вое расстояние между изображениями крайних щелей на выходе исследуемой трубы. Если теперь убрать линзы, составляющие трубу, то в поле зрения вспомогательной трубы вновь будет наблю­ даться изображение щелей. Расстояние /х между изображениями

крайних щелей на выходе коллиматора. Измеряя Іх и /2 по окуляр­ ной шкале вспомогательной трубы, найдите увеличение

Y = tg срг/tg Фі = k H i-

Найденное значение у сравните с полученным ранее.

4. Соберите на оптической скамье модель зрительной трубы Галилея с увеличением 5 н- 10. С помощью вспомогательной зри­ тельной трубы, настроенной на бесконечность, установите телеско­ пический ход лучей в модели. Определите увеличение трубы по тангенсам углов зрения ф2 и <рх. Измерения выполняются в том же порядке, что и в случае астрономической трубы.

У зрительной трубы Галилея изображение оправы объектива в окуляре оказывается мнимым и не может быть непосредственно

промерено. Поэтому метод, изложенный в п. 2, неприменим. Путем усложнения методики измерения (например, используя вспомога­ тельную положительную линзу) возможно косвенным путем опре­ делить размер мнимого изображения, однако этот метод никогда не используется из-за сложности.

5. Соберите модель микроскопа с пятикратным увеличением. Для этого выберите из имеющегося набора две положительные линзы и используйте их в качестве объектива и окуляра модели. Определите длину тубуса L по формуле (8). Объектив и окуляр рас­ положите на оптической скамье на соответствующем расстоянии друг от друга. Сфокусируйте модель микроскопа на горизонтальные щели осветителя. Для этого перемещайте осветитель со щелями вдоль оптической скамьи до тех пор, пока в окуляре микроскопа не появится отчетливое увеличенное изображение предмета. После этого проделайте следующий опыт. Расположите позади окуляра модели установленную на бесконечность вспомогательную зритель­ ную трубу и наблюдайте изображение предмета в окуляре трубы. Легко сообразить, что резкость этого изображения определяется аккомодацией глаза в опыте по фокусировке модели микроскопа. Студентам предлагается самостоятельно разобраться в этом вопросе, используя результаты проделанного эксперимента.

6. Определите увеличение микроскопа путем сравнения углового размера изображения с угловым размером предмета, наблюдаемого с расстояния наилучшего зрения (25 см). Для этого рядом с опти­ ческой скамьей установите на рейтере вертикальную линейку на расстоянии D — 25 см от окуляра модели. Рассматривая одним глазом изображение щелей в окуляре, а другим — вертикально расположенную линейку, определите, сколько делений линейки укладывается между изображениями крайних щелей. Пусть это число равно N. Затем непосредственно измерьте это расстояние с помощью той же линейки. Пусть при этом число делений оказалось равным п. Увеличение микроскопа, очевидно, равно Nln.

Измеренное таким образом увеличение микроскопа сравните с расчетным. При этом следует иметь в виду, что описанный способ не позволяет произвести сколько-нибудь точных измерений. При­ чина этого заключается в том, что не удается надежно сравнить масштабы двух картин, наблюдаемых разными глазами. Точность измерений можно существенно повысить, совмещая обе картины в поле зрения одного глаза. Такие опыты, однако, требуют допол­ нительных приспособлений.

3.И. В. С а в е л ь е в, Курс общей физики, т. III. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц, «Наука», 1971, гл. II.

4.Р. Д и т ч б е р н, Физическая оптика, «Наука», 1965, гл. VII.

Работа 60. ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА АББЕ

Принадлежности: технический рефрактометр Аббе, набор стеклянных пла­ стинок, прозрачные и непрозрачные жидкости с неизвестными показателями преломления, монобромнафталин, дистиллированная вода.

Технический рефрактометр Аббе служит для быстрого (и срав­ нительно грубого) измерения показателей преломления жидких и твердых тел.

Устройство рефрактометра Аббе основано на явлении полного внутреннего отражения.

Пусть луч света падает на границу раздела двух сред со стороны оптически более плотной среды (я = «2). Для углов падения г, меньших некоторого г', свет частично проникает в оптически менее плотную среду (я = я*), а частично отражается. При г' ^ г ^ 90° преломленный луч отсутствует и наступает полное отражение. Предельный угол г' соответствует углу преломления і = 90°, и следовательно,

опыте предельный угол, можно с помощью (1) определить показа­ тель преломления второй среды.

Пусть теперь свет падает на границу раздела со стороны опти­ чески менее плотной среды. В зависимости от угла падения луч во второй среде может составлять с нормалью углы, расположен­ ные в интервале от нуля до г'\ предельный угол преломления г' соответствует углу падения і = 90° (скользящий луч). Легко видеть, что величина предельного угла и в этом случае определяется формулой (1).

При измерениях показателя преломления с помощью рефракто­ метра Аббе можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча.

Оптическая схема рефрактометра представлена на рис. 185. Основной его частью являются две стеклянные прямоугольные призмы Рг и Р2, изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных тре­ угольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину около 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости.

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 186. Свет проникает в призму Рх через грань ef и попадает в жидкость через матовую грань ed. Свет, рассеянный матовой по­ верхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами (0 ix 90°) падает на сторону ас призмы Р2.

354 V. ОПТИКА И АТОМНАЯ ФИЗИКА

под всевозможными углами. При гх > г\ наступает полное внутрен­ нее отражение, при г, г\ свет отражается лишь частично. В поле зрения трубы наблюдается при этом резкая граница света и полу­ тени.

Так как условия, определяющие величину предельного угла в методе скользящего луча и в методе полного внутреннего отра­ жения, совпадают, положение линии раздела в обоих случаях также оказывается одинаковым.

Заметим, что в отличие от метода скользящего луча метод пол­ ного внутреннего отражения позволяет измерять показатели пре­ ломления непрозрачных веществ.

Рефрактометр Аббе можно использовать и для измерения пока­ зателей преломления твердых тел. И в этом случае применимы как метод скользящего луча, так и метод полного внутреннего отражения. Ис­ следуемый образец должен иметь пло­ скую полированную поверхность; этой

искажает результатов измерения. (Студентам предлагается самостоя­ тельно разобраться в этом вопросе.) Обычно для создания оптиче­ ского контакта используют монобромнафталин, показатель пре­ ломления которого для желтых линий натрия равен 1,66.

Изложенная теория рефрактометра Аббе, строго говоря, спра­ ведлива лишь в том случае, когда свет является монохроматическим. Дисперсия исследуемого вещества и стекла призм приводит к тому, что величина предельных углов г\ и і'2 зависит от длины волны К. При работе с белым светом наблюдаемая в поле зрения граница света и темноты (или света и полутени) часто оказывается размытой и окрашенной. Для того чтобы получить и в этом случае резкое

дисперсионных призмы Амичи (призмы П1 и Пг рис. 185), каждая из которых состоит из трех склеенных призм, обладающих различ­ ными показателями преломления и различной дисперсией. Призмы

3. Измерьте показатели преломления нескольких жидкостей и стеклянных пластинок (по указанию преподавателя), используя как метод скользящего луча, так и метод полного внутреннего отраже­ ния. Сравните между собой результаты измерения показателя преломления разными методами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Г. С. Л а н д с б е р г , Оптика, Гостехиздат, 1957, гл. XXIII.

Р а б о т а 61. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СТЕКЛЯННЫХ ПРИЗМ С ПОМОЩЬЮ ГОНИОМЕТРА

Принадлежности: гониометр, стеклянная плоскопараллельная пластинка, призмы из различных сортов стекла, ртутная лампа ПРК-4.

Гониометр служит для точного измерения углов и находит широ­ кое применение в оптических лабораториях. С помощью гониометра можно определить показатели преломления и преломляющие углы

Рис. 189. Гониометр.

призм и кристаллов, исследовать параметры дифракционных реше­ ток, измерять длины волн спектральных линий и т. д. В настоящей работе этот прибор применяется для исследования дисперсии стеклянных призм.

Гониометр состоит из треножного штатива (рис. 189), на кото­ ром вокруг общей вертикальной оси вращаются зрительная труба Т и разделенный на градусы круг N (лимб). На том же штативе укреп­

получения параллельного пучка лучей. Ширина входной щели .S' коллиматора регулируется с помощью винта В{. Над лимбом N находится столик С, который может вращаться вокруг общей оси прибора; кроме того, столик может смещаться вдоль оси и закреп­ ляться в желаемом положении зажимным винтом В2. Столик со­ стоит из двух дисков, верхний из которых укреплен на нижнем с помощью трех установочных винтов 1, что дает возможность на­ клонять верхний диск относительно оси.

Зрительная труба снабжена окуляром Аббе О (рис. 190), вблизи фокальной плоскости которого помещена пластинка П со сложным

4

ширенной части трубы имеется окошечко а; перед ним помещена небольшая призма полного внутреннего отражения Р, служащая для освещения креста нитей (/, 2). Призма Р во время установки прибора заслоняет собой часть поля зрения, закрывая почти всю вертикальную нить 2 и почти всю горизонтальную нить 1 (рис. 191). При некоторых измерениях эта призма бывает не нужна; в этих случаях при помощи бокового рычажка г (см. рис. 189) она может быть отведена в сторону. По другую сторону окошечка а в спе­ циальном тубусе D помещается лампочка, освещающая крест нитей (/, 2) через призму Р. Перемещая окуляр О, устанавливают крест нитей в его фокусе. Окуляр вместе с осветителем, призмой и кре­ стом нитей посредством кремальеры может перемещаться относи­ тельно объектива.

Труба (рис. 189) может поворачиваться относительно верти­ кальной оси и закрепляться зажимным винтом 8 в произвольном положении; после закрепления она может слегка поворачиваться с помощью микрометрического винта 7. Лимб N аналогичным обра­ зом может закрепляться зажимным винтом 5 и поворачиваться

358 V. ОПТИКА И АТОМНАЯ ФИЗИКА

микрометрическим винтом 6. При отпущенном винте 5 лимб пово­ рачивается за рычажки штурвала 4. Лимб N может быть скреплен со столиком С с помощью винта 2. Если этот винт отпущен, то лимб можно поворачивать относительно столика, придерживая последний за кольцо 3.

Зрительная труба жестко соединена с двумя диаметрально рас­ положенными нониусами, которые скользят вдоль делений круга. Отсчеты всегда производятся по обоим нониусам для исключения ошибки от эксцентриситета системы. Вблизи каждого нониуса расположена лупа L, облегчающая отсчет.

Юстировка гониометра. Гониометр требует тщательной юсти­ ровки, которая заключается в установке зрительной трубы на бес­ конечность, в установке оптической оси трубы перпендикулярно оси вращения прибора и в установке коллиматора на параллель­ ный пучок лучей.

У с т а н о в к а т р у б ы на б е с к о н е ч н о с т ь . Для установки трубы на бесконечность нужно установить крест нитей в общей фокальной плоскости окуляра и объектива. Установка креста в фокальной плоскости окуляра, как уже говорилось, произ­ водится путем перемещения окуляра от руки. Установка его в фо­ кальной плоскости объектива осуществляется с помощью кремаль­ еры и требует дополнительных приспособлений. На столик С пер­ пендикулярно оптической оси трубы помещают какой-либо плоский отражающий предмет, например плоскопараллельную стеклянную пластинку. Крест нитей освещают через призму Р; на него фоку­ сируют окуляр О. Пучок света, освещающий крест нитей, выходит из объектива зрительной трубы и, частично отразившись от передней грани плоскопараллельной пластинки, вновь попадает в трубу. Передвигая весь окуляр с помощью кремальеры, добиваются того, чтобы изображение отраженного креста нитей было ясно видно

вокуляре одновременно с самим крестом и располагалось с ним

водной плоскости (убедиться в этом проще всего, несколько сме­ щая глаз в сторону; расположенные в одной плоскости крест и его изображение не передвигаются при этом друг относительно друга). Установка трубы на бесконечность на этом заканчивается.

У с т а н о в к а о п т и ч е с к о й о с и т р у б ы п е р п е н ­ д и к у л я р н о о с и в р а щ е н и я п р и б о р а . При юсти­ ровке оптической оси трубы существенно расположение плоско­ параллельной пластинки на столике гониометра. Лучше всего, если она стоит параллельно линии, соединяющей два устано­ вочных винта. Вращение третьего винта позволяет в этом случае эффективно регулировать поворот пластинки относительно гори­ зонтальной оси, параллельной ее отражающей грани.

Вращая столик и наклоняя его или трубу, добиваются того, чтобы изображение горизонтальной нити 1 попало между двумя нитями 3\ затем поворачивают лимб N вместе со столиком и пластин­

кой на 180°. При этом расположение отраженного креста нитей, вообще говоря, изменится (нить 1 уйдет из зазора между нитями 3). Его восстанавливают, действуя двумя винтами: винтом Ct (накло­ няя зрительную трубу) и третьим винтом столика С (наклоняя плоскопараллельную пластинку). При первой из этих операций следует приблизить изображение нити к двойной горизонтальной нити 3 приблизительно на половину своего первоначального рас­ стояния, а затем винтом столика вводят изображение этой нити между нитями 3. После этого снова поворачивают столик на 180°, и если установка нарушается, ее снова восстанавливают тем же путем. Легко видеть, что расположение отраженного креста нитей не изменяется при повороте столика на 180° лишь в том случае, если оптическая ось зрительной трубы перпендикулярна оси вра­ щения прибора (и ось вращения столика параллельна отражающей грани пластинки).

У с т а н о в к а к о л л и м а т о р а . Щель коллиматора долж­ на быть установлена в фокальной плоскости объектива с тем, чтобы пучок выходящих из коллиматора лучей был параллельным. Для этого освещают щель светом помещенной против нее лампы и на­ правляют на коллиматор предварительно установленную на .беско­ нечность зрительную трубу. Трубку со щелью устанавливают так, чтобы щель была четко видна при наблюдении через зрительную трубу.

Для установки оптической оси коллиматора перпендикулярно оси вращения прибора следует наклонять коллиматор посредством установочного винта С2, пока изображение щели в поле зрения трубы не расположится симметрично относительно нитей 3. На этом юстировка гониометра заканчивается.

Указания. В настоящей работе гониометр применяется для изме­ рения преломляющих углов призм и определения зависимости пока­ зателя преломления от длины световой волны (дисперсии). При этом используются призмы, сделанные из разных сортов стекла.

Установка призмы. Призма помещается на столике гониометра и должна быть установлена так, чтобы ее исследуемое преломляю­ щее ребро было параллельно оси вращения гониометра, т. е. чтобы ось вращения одновременно была параллельна двум рабочим граням призмы. Для этого устанавливают призму в центр столика отъюсти­ рованного гониометра таким образом, чтобы одна из преломляющих граней была параллельна линии, соединяющей два установочных винта столика С. Поворачивая столик и вращая третий установоч­ ный винт, добиваются того, чтобы указанная грань оказалась пер­ пендикулярна оптической оси трубы (изображение горизонтальной нити 1 попадает в просвет между горизонтальными нитями 3) и, следовательно, параллельна оси вращения гониометра. Затем пово­ рачивают призму другой преломляющей гранью к трубе Т, действуя двумя другими установочными винтами, устанавливают вторую