I.Снятие кривой поглощения

1. Установить кюветы с поглощающим раствором и с дистиллированной водой в соответствующие гнезда на столике прибора. Отсчетные барабаны установить на 0 по красной шкале (полное раскрытие диафрагм). Поворотом наружного кольца, охватывающего кассету с фильтрами, поставить нужный фильтр на пути лучей света. Номер фильтра, поставленного в рабочее положение, читается в нижнем окне кассеты. Верхнее окно кассеты (закрытое заслонкой) предназначено для просмотра фильтров вместе с их номерами. Марка фильтра обозначена на его оправе. Работать следует с фильтрами марки М. Фильтр, маркированный отметкой М-72, пропускает свет с длиной волны 720 нм, отметка М-66 соответствует 660 нм и т.д. Порядковый номер фильтра обозначен цифрой над его оправой.

2. Вращением барабана, расположенного со стороны кюветы с водой, добиться одинаковой освещенности обеих половинок поля зрения и сделать отсчет по его красной шкале. Это измерение выполнить трижды, фиксируя значения Е₁`, Е₁`` ,Е₁```. В качестве Е₁ принять среднее арифметическое .

3. Поменять кюветы местами и выполнить указанные в пункте 2 измерения по второму барабану. При этом правый барабан должен стоять на отметке 0 (по красной шкале). Найти , затем вычислитьЕ по формуле (8). Данные занести в таблицу 1.

4. Сменить фильтр и, выполнив указанные в пунктах 2 и 3 манипуляции, определить поглощение для света с другой длиной волны. Такие измерения проделать со всеми фильтрами марки М, занося результаты в таблицу 1. По значениям, взятым из второй и последней колонки, построить график зависимости E=E().

Таблица 1

№ фильтра	Длина волны фильтра, нм	1-ое положение кювет				2-ое положение кювет				Е
		Е1`	Е1``	Е1```	Е1	Е2`	Е2``	Е2```	Е2
1 2 3 4 5 6 7 8

II. Определение неизвестной концентрации раствора

1. Выбрать в качестве рабочего фильтр, соответствующий максимальному поглощению (в соответствии с таблицей I).

2. Наполнить кювету раствором с неизвестной концентрацией C_x и определить поглощение E_x способом, описанным в I-ой части работы (пункты 2 и 3).

3. Полученные данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

№ фильтра	Длина волны фильтра, нм	1-ое положение кювет				2-ое положение кювет				Еx
		Е1`	Е1``	Е1```	Е1	Е2`	Е2``	Е2```	Е2

По формуле (7) вычислить концентрацию исследуемого раствора , гдеE_x и E – средние значения поглощений.

4. Вычислить относительную погрешность измерений по формуле

, приняв.

Величины оценить по шкале прибора.

5. Найти абсолютную погрешность

.

6. Записать окончательный результат

,  = .

Контрольные вопросы.

1. Что такое поглощение света? В чем заключается закон Бугера-Ламберта-Бера?

2. Что такое поглощение (оптическая плотность) раствора? Как снимается кривая поглощения? Какой она имеет вид?

3. Что такое монохроматический свет? Для чего нужны светофильтры? Как нужно выбрать светофильтр для измерения концентрации и проверки закона Бера?

4. Объяснить ход лучей в фотометре Пульфриха.

5. Концентрации каких растворов можно определять фотометром Пульфриха? Почему в данном фотометре можно использовать только видимый свет?

6. Какими длинами волн ограничен видимый свет? Как по внешнему виду раствора узнать, поглощает он в видимой области или нет?

7. Чем объясняются цвета различных растворов?

Литература:

1. Ландсберг Г.С. Оптика.- М: Наука, 1976.

2. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике.- М: Высшая школа, 1965.

3. Детлаф А. А. , Яворский Б. М. Курс физики: Учебн. пособие для втузов. - М.: Высшая школа, 1989. - 607 с. - предм. указ.: с. 588-603.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И

ДИСПЕРСИИ ЖИДКОСТИ РЕФРАКТОМЕТРОМ ИРФ-23

Цель работы : определить показатель преломления для света с различной длиной волны и дисперсию дистиллированной воды.

Приборы и принадлежности: рефрактометр ИРФ-23, ртутно-кадмиевая лампа, натриевая лампа, водородная трубка, источник питания, дистиллированная вода.

Теоретическое введение

Оптическая схема рефрактометра дана на рис.1.

На границу раздела «исследуемая жидкость – призма» падает сходящийся пучок световых лучей так, что один из лучей (лучS₀) скользит вдоль границы раздела. Если показатель преломления n исследуемой жидкости меньше показателя преломления вещества призмы N, то скользящий луч войдет в призму под предельным углом ₀, определяемым соотношением

, (1)

откуда .

Преломленный под предельным углом луч падает внутри измерительной призмы на ее вторую грань и после вторичного преломления выходит из призмы под углом ₀, который определяется из соотношения

(2)

(Показатель преломления воздуха принимается равным 1). Исключая из этих двух уравнений угол ₀, получим формулу

(3).

Таким образом, показатель преломления исследуемой жидкости может быть определен по показателю преломления призмы и углу ₀.

В случае монохроматического света в поле зрения зрительной трубы будет наблюдаться одна спектральная линия (на рис. 1 эта линия ограничена лучами SиS₀). В случае сложного света (с дискретным спектром) в поле зрения будет несколько цветных линий, образованных лучами различных длин волн.

В данной работе требуется определить показатель преломления жидкости для различных длин волн. В качестве источника света, падающего на границу раздела жидкость – призма, берется натриевая, ртутно-кадмиевая или водородная лампа (по указанию преподавателя). В таблице 1 приводятся длины волн спектральных линий ртутно-кадмиевой (Hg-Cd), натриевой (Na) и водородной (H) ламп, а также соответствующие этим длинам волн значения показателя преломления призмы.

Таблица 1

Длины волн излучения ртутно-кадмиевой, натриевой и водородной ламп и абсолютный показатель преломления материала призмы для этих длин волн.

Газ	, нм	Цвет	N
Hg-Cd	435,8 546,1 643,8	Фиолетовый Зеленый Оранжевый	1,6390 1,6215 1,6129
Na	589,6 (D)	Желтый	1,6169
H	486,1 (F) 656,3 (C)	Зелено-голубая красная	1,6289 1,6120

Так как угол ₀будет наименьшим из всех возможных углов преломления лучей, вышедших из призмы, то та часть поля зрения зрительной трубы, которая расположена выше скользящего луча, будет темной, а ниже светлой. Следовательно, положение скользящего луча для каждой длины волны будет определять верхняя граница соответствующей спектральной линии. На эту границу следует наводить перекрестие нитей зрительной трубы.

Устройство прибора

Рефрактометр (см. рис.2) состоит из прямоугольной призмы (1) с наклеенным на нее цилиндром (2) для испытуемой жидкости. Для фокусировки и направления лучей на поверхность раздела двух сред – испытуемой жидкости и прямоугольной призмы – служит призма полного внутреннего отражения (3) и конденсор (4). Выходящий луч улавливают при помощи зрительной трубы (5), положение которой определяют по отсчетному микроскопу (6). Зрительная труба в различных положениях закрепляется неподвижным винтом (7). Более точную наводку трубы делают микровинтом (8). Кроме того, для определения поправки на нуль отсчета (см. ниже) имеется призма (9), вмонтированная в зрительную трубу, и осветитель (10). Положение зрительной трубы определяется по спиральной шкале микроскопа (см. рис. 3).

В поле зрения микроскопа одновременно видно: два – три градусных штриха лимба, обозначенные на рис. 3 цифрами «66», «67», «68», неподвижная вертикальная шкала десятых долей градуса с делениями от «0» до «10», круговая шкала для отсчета сотых и тысячных долей градуса, а также и витки двойной спирали.

Рис.2

Чтобы произвести отсчет, необходимо маховичком а(рис. 2) подвести двойной виток спирали так, чтобы верхний градусный штрих, расположенный в зоне двойных витков, оказался точно посередине между линиями витка. Индексом для отсчета градусных делений шкалы служит нулевой штрих неподвижной шкалы десятых долей градуса.

На рис. 3 штрих «67» градусов находится в пределах вертикальной шкалы десятых долей градуса. В данном случае отсчет будет равен 67 градусам плюс отрезок от штриха «67» до нулевого штриха вертикальной шкалы десятых долей градуса. Этот отрезок содержит десятые, тысячные и десятитысячные доли градуса. Число десятых долей градуса показывает цифра последнего пройденного штриха вертикальной шкалы (в нашем примере это цифра «2»), сотые и тысячные доли градусов отсчитываются по круговой шкале (в нашем примере «72»), Цена деления круговой шкалы 0,001, десятитысячные доли градуса оцениваютсяориентировочно. Окончательный отсчет будет 67,2728.

Для определения угла выхода скользящего луча ₀(рис. 1) необходимо навести оптическую ось объектива зрительной трубы сначала перпендикулярно грани призмы, а затем на верхнюю границу выбранной спектральной линии, производя соответствующие отсчеты по лимбу. Разность отсчетов даст искомый угол₀.

Отсчет по лимбу, при котором ось зрительной трубы перпендикулярна грани призмы, в идеально отъюстированном приборе должен быть равен нулю.

Измерение угла выхода скользящего луча.

На практике прикрепить шкалу к зрительной трубе идеально (с точностью до десятитысячных долей градуса) не удается. Поэтому при указанном на рис.4 положении измерительный микроскоп показывает некоторый уголТ₀, называемый поправкой на нуль. При измерении угла₀эту нулевую поправкуТ₀нужно вычитать из показаний шкалыТ. Нулевая поправка определяется с помощью специального автоколлимационного приспособления. В окулярной части зрительной трубы сделано маленькое отверстие, против которого помещена призма полного внутреннего отраженияQ. Лучи от специальной лампочки падают на призмуQ, испытывают полное внутреннее отражение и освещают перекрестие визирных нитей. Так как нити находятся в главной фокальной плоскости объектива зрительной трубы, то свет от освещенных нитей выйдет из объектива параллельным пучком. Отразившись от грани призмыI, этот пучок снова попадет в зрительную трубу и соберется в фокальной плоскости объектива так, что рядом с нитями будет видно их изображение.

Рис.5. Поле зрения при измерении поправки Т₀.

Если оптическая ось объектива зрительной трубы перпендикулярна к грани призмы, то свет после отражения пройдет по тому же направлению, что и до этого, и изображения нитей совпадут самими нитями (рис.5а) или окажутся расположенными симметрично им (рис. 5б).

Поворачивая зрительную трубу, добиваются того, чтобы изображение нитей совпало с самими нитями или было симметрично им. Грубые перемещения трубы производят рукой, беря ее за колодку и отпустив зажимной винт (7). Примерно совместив нити с их изображениями, закрепляют зажимной винт и окончательное перемещение трубы делают с помощью микрометрического винта (8). Произведя отсчет, находят поправку на положение нуля Т₀.

Перед отсчетом зрительную трубу рекомендуется отфокусировать вращением окуляра.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с прибором и отсчетным устройством измерительного микроскопа.

2. Определить поправку на нуль отсчета Т₀с помощью автоколлимационной схемы 4-5 раз, вычислить приближенной значениеТ₀и абсолютную погрешностьТ₀. Данные занести в таблицу 2.

Таблица 2

Положение зрительной трубы при определении поправки на нуль и измерений преломления на заданных длинах волн.

№ п.п.	Поправка на нуль Т0	Положение скользящего луча, град.
		Т1	Т2	Т3
1 2 3 4 5
Приближ. значение
Абсолютн. погрешн.

3. Расположить источник света перед конденсором и сфокусировать свет лампы на цилиндр 2.

4. Освободить трубу от закрепляющего винта (7)и поворотом добиться, чтобы в поле зрения попадала яркая спектральная линия₁. Навести перекрестие нитей на верхнюю границу линии (рис. 6), после чего, трубу закрепить. Уточнить наводку микрометрическим винтом (8) и произвести отсчетТ₁. Измерение повторить 4-5 раз, вычислить приближенное значение и абсолютную погрешность измеренияТ₁.

5. Аналогичные измерения провести для остальных линий ₂ и ₃. Результаты измерений занести в таблицу 2.

6. Для каждой длины волны вычислить угол выхода скользящего луча как разность приближенных значений двух положений зрительной трубы ТиТ₀

и

абсолютную погрешность

.

7. По формуле (3) вычислить показатель преломления жидкости для каждой длины волны с точностью до 4-ой значащейцифры. Полученные результаты занести в таблицу 3.

Таблица 3

Показатели преломления, углы преломления и дисперсия на разных длинах волн.

№	, нм	N	0	0	n	D
1 2 3

8. Вычислить относительную погрешность для показателя преломления по формуле

(4)

При вычислении погрешности ₀выражается в радианах.

9. Рассчитать абсолютную погрешность .

10. Окончательный результат для каждой длины волны записать в виде ;= .

11. Построить график зависимости показателя преломления жидкости от длины волны света, используя данные таблицы 3. График должен представлять собой плавную линию, на которой выделены опорные точки (см. рис.7).

12. Пользуясь полученным графиком, вычислить дисперсию жидкости для указанных длин волн. Для этого вблизиточек ₁, ₂и₃взять произвольное малое приращениеипографикунайти соответствующие этомуизменение показателя преломленияn.Вычислить дисперсиюпо формуле. Полученные значения занести в таблицу 3.

13. Вычислить среднюю дисперсию вещества (n_F -n_C) и коэффициент дисперсии (число Аббе), гдеn_D– показатель преломления жидкости для желтой линииNa(_Dв таблице 1),n_Сиn_F– показатели преломления жидкости для красной (_С) и зелено-голубой (_F) линийH. Численные значенияn_D, n_Сиn_Fвзять из графика.

Контрольные вопросы.

1. Сформулировать закон преломления света.

2. Что такое относительный и абсолютный показатели преломления? Связь между ними?

3. Какова зависимость показателя преломления от длины световой волны? Начертить графики n=f() иn=f().

4. Что такое полное внутреннее отражение? При каких условиях оно наблюдается? Что называется предельным углом полного внутреннего отражения? Где применяется это явление?

5. Начертить ход лучей в рефрактометре ИРФ-23 и вывести расчетную формулу для определения показателя преломления.

6. Каким образом можно определить показатель преломления призмы рефрактометра, не пользуясь другими приборами?

Литература:

1. Ландсберг Г.С. Оптика.- М: Наука, 1976.

2. Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике.- М: Высшая школа, 1965.

3. Физический практикум под ред. Ивероновой В.И..- М: Наука, 1967.

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ МОНОХРОМАТОРА УМ-2

Цель работы: ознакомиться с принципом действия и устройством спектрального аппарата на примере монохроматора УМ-2, произвести градуировку его шкалы по длинам волн, определить длины волн света, излучаемого атомарным газом и установить природу этого газа по спектру.

Приборы и принадлежности: монохроматор УМ-2, набор газоразрядных трубок c блоком питания.

Теоретическое введение

Свет представляет собой электромагнитные волны в диапазоне от 400 нм до 760 нм (I нм = 10^-9 м). В зависимости, от длины волны свет создает разное зрительное впечатление: например, свет с λ = 700 нм мы видим красным, с λ = 600 нм - желтым, с λ = 500 нм - зеленым, с λ= 400 нм - фиолетовым. Различают свет монохроматический и. интегральный (сложный). Свет называется монохроматическим, если ему соответствует одно определенное значение длины волны (строго постоянная частота колебаний электромагнитной волны). Свет называют сложным или интегральным, если он представляет со­бой совокупность электромагнитных волн с разными дли­нами λ₁, λ₂, ... .

Проходя границу раздела двух сред, интегральный свет не толь­ко преломляется, но и разлагается на составные части, т.к. пока­затель преломления среды зависит от длины волны (частоты) падаю­щего света. Это явление называется дисперсией. Пропуская свет через стеклянную призму, можно определить спектр этого света, т.е. набор спектральных линий с определенными длинами волн.

Различают три типа спектров:

1). Сплошной спектр, в котором присутствуют все длины волн видимого спектра (от 400 до 760 нм). Его дают раскаленные твердые и жидкие тела.

2). Линейчатый спектр - на темном фоне отдельные цветные линии. Он свойственен атомарным газам.

3). Полосатые спектры - близко расположенные линии образуют полосы, размытые с одной стороны и резко очерченные с другой. Полосатые спектры свойственны молекулярным газам.

Атому каждого вещества присущ свой вполне определенный набор спектральных линий. Поэтому, определяя спектральный состав излучения для неиз­вестного газа, можно выяснить, из каких атомов он состоит. В этом заключается сущность спектрального анализа.

Любой спектральный аппарат состоит из трех основных частей: коллиматора (К), служащего для получения параллельного пучка све­товых лучей, диспергирующей системы (обычно, призмы или дифракционной ре­шетки), разлагающей сложный свет на монохроматические лучи, и зрительной трубы (Т) для наблюдения спектра.

Ход лучей в простейшем спектральном аппарате изображен на рис. 1. Свет от источника 1 проходит через конденсор 2 и попадает на щель коллиматора 3, которая расположена в фокальной плоскости объектива коллиматора 4. Из объектива коллиматора лучи света выходят параллельным пучком и падают на трехгранную стеклянную призму 5. При преломлении на первой грани призмы происходит разложение света на монохроматические составляющие. Из призмы выходят несколько параллельных монохроматических пучков, соответствующих волнам λ₁, λ₂ , Эти параллельные пучки под разными углами падают на линзу объектива 6 зрительной трубы и собираются в ее фокальной плоскости 7 в виде спектра. Спектр наблюдается визуально че­рез окуляр 8.

Рис.1 Ход лучей в простейшем спектральном аппарате

Описание установки

В данной лабораторной работе в качестве спектрального аппарата используется монохроматор УМ-2. Его состав показан на рис. 2.

Рис.2. Монохроматор УМ-2

Монохроматор укреплен на оптической скамье, на которой размещаются источник света 1 и конденсор 2. Показанные на рис. 1 объектив зрительной трубы 6, объектив коллиматора 4, система диспергирующих призм 5, находятся внутри корпуса прибора. Входная щель регулируется по ширине микрометрическим винтом 9 (см. рис.2), Винт 10 служит для установки объектива коллиматора относительно щели (щель должна быть расположена в фокальной плоскости объектива). В данной работе юстировка произведена для желтой линии гелия. На боковой стороне корпуса прибора расположена шкала с нониусом II, показывающая положение объектива коллиматора. При уста­новке объектива по желтой линии гелия отсчет по шкале составляет 10,8. В фокальной плоскости объектива зрительной трубы имеется индекс в виде треугольника. Индекс наблюдается через окуляр 8 и служит меткой, на которую наводятся спектральные линии. В верхней части тубуса окуляра имеется лампочка 12 для освещения индекса. Под лампочкой - диск с набором светофильтров. Поворачивая диск, можно осветить индекс белым, красным, фиолетовым светом. Переме­щая окуляр 8, добиваются резкого изображения индекса и спектраль­ных линий, Отсчетным устройством прибора является барабан 13, ко­торый соединен с системой диспергирующих призм. При повороте бара­бана поворачивается система призм и происходит перемещение спект­ра. Таким образом, можно установить в поле зрения окуляра любую спектральную линию и совместить ее с индексом. Барабан имеет спи­ральную шкалу с цифровыми делениями от 0 до 3500°, цена одного деления составляет 2°. При повороте барабана на одно деление (т.е. на 2°) система призм поворачивается на 20 секунд. Отсчет делений барабана производится по указателю. Шкала и указатель освещаются лампочкой.

Источником света в данной работе может быть ртутная лампа и лампы с неизвестным газом.

Включение монохроматора и источника света производится через пульт питания под наблюдением лаборанта или преподавателя.

Порядок выполнения работы