Экспериментальная оптика. Практикум

3

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ ТЕЛ

С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА И РЕФРАКТОМЕТРА

Цель работы: экспериментальное определение показателей преломления жидкостей и твердых тел.

Приборы и принадлежности: рефрактометр Аббе, микро-

скоп, набор растворов, дистиллированная вода, пипетка, салфетка, микрометр, стеклянные пластинки.

Теоретическая подготовка

1.Понятие абсолютного и относительного показателей преломления вещества.

2.Явление полного внутреннего отражения.

3.Связь между предельным углом полного внутреннего отражения и относительным показателем преломления.

4.Прохождение света через плоскопараллельную стеклянную пластинку.

ную пластинку дана на рис. 1.

Изображение точки А, находящейся на нижней поверхности стеклянной пластинки, получается в точке D (построение проведено с помощью лучей 1 и 2, в соответствии с законом преломления). Расстояние между верхней гранью пластинки и плоскостью, проведенной через точку D, называется кажущейся толщиной пластинки.

4

Измеряя толщину пластинки Н и кажущуюся толщину h, можно определить абсолютный показатель преломления пластинки n. Действительно, из треугольников AВС и DВС имеем

При малых углах падения и преломления света можно использовать приближённые равенства tgr sin r и tgi sini. Тогда из (1) следует

где n1 = 1 (показатель преломления воздуха), n2 = n (показатель преломления стекла).

2 = 45 величина показателя преломления п жидкости связана с измеряемым углом выходасоотношением

5

n N2 sin N2 sin2 .

Свет может направляться как со стороны образца, так и со стороны призмы. В обоих случаях

в определённом и очень узком интервале углов падения пучка лучей на границу раздела образца и призмы в поле зрения наблюда-

тельной зрительной трубы под углом появится граница, разделяющая тёмный и светлый участки поля и соответствующая предельному углу падения луча. Чем больше показатель преломления жидкости, тем больше угол выхода лучей , тем сильнее смещается граница света и тени. Показатель преломления жидкости определяют по шкале, видимой в поле зрения наблюдательной зрительной трубы, по чёткой границе света и тени.

Выполнение эксперимента

Задание 1. Определение показателя преломления твёрдых тел

1.Для определения кажущейся толщины стеклянную пластинку с нанесенными на противоположных гранях царапинами разного цвета положить на предметный столик микроскопа так, чтобы точка пересечения штрихов находилась в центре поля зрения.

2.Медленным вращением рукоятки грубой фокусировки получить в поле зрения наиболее отчетливое изображение штриха, нанесенного на верхней поверхности пластинки.

3.Вращением рукоятки механизма микрометрической фокусировки получить наиболее отчетливое изображение штриха, нанесенного на нижней поверхности. Подсчитать число полных оборотов винта N и число делений х в неполном обороте. Тогда

кажущаяся толщина пластинки h = (N 200 + х) 0,002 мм, где 200 – число делений в одном полном обороте винта, 0,002 – цена одного деления отсчетного барабана.

4. Микрометром измерить толщину пластинки Н. Все измерения проделать не менее 3-х раз.

6

5.Вычислить показатель преломления стекла n.

6.Повторить действия пунктов 1–5 для пластинки из оргстекла.

Задание 2. Определение показателя преломления жидкости

1.Настроить рефрактометр для измерения, отрегулировав освещенность и резкость поля зрения.

2.Проверить градуировку рефрактометра, капнув на измерительную призму дистиллированную воду. При этом граница света

итени, совмещённая с уровнем отсчёта (штриховая линия), должна показать значение показателя преломления дистиллированной воды 1,334, а по шкале, проградуированной в процентном содержании глюкозы – 0%.

3.Тщательно протереть кювету. Заполнить её исследуемой жидкостью – водным раствором глюкозы самой малой концентрации из предложенного набора растворов. Измерить показатель преломления раствора и концентрацию по соответствующим шкалам рефрактометра.

4.Измерить показатели преломления и концентрации всех растворов глюкозы в проходящем свете. (Перед заполнением очередного раствора тщательно протирайте кювету!)

5.Построить график зависимости n = f(c), где c – концентрация раствора.

Контрольные вопросы и задания

1.Что понимают под абсолютным и относительным показателями преломления вещества?

2.В чем состоит явление полного внутреннего отражения

света?

3.Укажите связь между предельным углом полного внутреннего отражения света и относительным показателем преломления вещества.

4.Начертите ход лучей при прохождении света через плоскопараллельную пластинку при малом угле падения.

5.Для чего на грани стеклянной пластинки наносят метки?

6.Выполните вывод рабочей формулы для определения n твёрдого вещества.

7.Как определить кажущуюся толщину пластинки?

7

8.На каком явлении основан принцип работы рефрактометра?

9.Для чего в рефрактометре сначала измеряют показатель преломления дистиллированной воды?

10.Как изменяется показатель преломления водных растворов глюкозы с увеличением концентрации глюкозы в растворе?

8

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛАВНЫХ ФОКУСНЫХ РАССТОЯНИЙ ТОНКИХ ЛИНЗ И СИСТЕМ ЛИНЗ

Цель работы: экспериментальное определение фокусных расстояний линз и систем линз.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, держатель линз, набор линз, источник света, транспарант с изображением буквы Т, экран.

Теоретическая подготовка

1.Понятие тонкой линзы и основные её характеристики. Фокусное расстояние. Оптическая сила линзы. Собирающие и рассеивающие линзы.

2.Формула тонкой линзы.

3.Построение изображений в тонких линзах.

4.Оптические системы. Центрированные оптические системы линз. Оптическая сила системы линз.

Указания к теоретической подготовке

Линзы – прозрачные для света тела, ограниченные с двух сторон сферическими поверхностями, центры которых лежат на одной прямой, называемой главной оптической осью. Линза называется тонкой, если толщина линзы d мала по сравнению с радиусами кривизны R1 и R2, ограничивающих ее поверхностей, то есть если обе вершины сферических поверхностей совпадают.

Для определения главного фокусного расстояния и оптической силы линзы используется формула тонкой линзы:

где а1, а2 – расстояния от предмета до оптического центра линзы и от оптического центра линзы до его изображения; f – фокусное расстояние (положительное для собирающей линзы, отрицательное для рассеивающей); D – оптическая сила линзы.

Для экспериментального определения фокусного расстояния линзы можно воспользоваться способами, описанными ниже.

9

1 способ. Определение фокусного расстояния линзы по величине расстояния до предмета и его изображения от линзы.

Измеряя а1 и а2 (рис. 4) и используя формулу (1), определяют f и D.

2 способ. Определение фокусного расстояния по величине перемещения линзы или системы линз.

С помощью одной и той же линзы, перемещая ее между предметом и экраном, можно получить как увеличенное, так и уменьшенное изображения. На рис. 4 L1 и L2 – положения линзы, дающие четкие, соответственно увеличенные или уменьшенные изображения предмета на экране. Пользуясь свойством обратимости хода лучей в линзе, получим

Подставляя a1 и a2 из (2) в формулу (1), получим

Из формулы (3) следует, что минимальное расстояние между предметом и экраном должно быть больше 4f. Таким образом,

10