Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оптика. Атомная физика. Лабораторный практикум
.pdf
падающий
отраженный
преломленный
n1 n
2
4. Преломление света. Измерение показателя
преломления жидкости с помощью рефрактометра
Цель: углубление представлений о явлении преломления све-
та; изучение методики измерения показателя преломления жидких
сред; изучение принципа работы с рефрактометром.
Компетенции, формируемые при выполнении работы: ОК-1,
ПК-11, ПК-32.
Теоретическая часть
Законы отражения и преломления света. Показатель преломления. На границе раздела сред свет меняет направление свое-
го распространения. Часть световой энергии возвращается
в первую среду, т. е. происходит отражение света. Если вторая
среда прозрачна, то часть света при определенных условиях проходит через границу раздела сред, меняя при этом, как правило,
направление распространения. Это явление называется преломлением света (рис. 4.1).
хождении света через плоскую границу раздела двух прозрачных
сред определяются законами отражения и преломления света.
плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной
Рис. 4.1. Отражение и преломление света на плоской границе
раздела двух сред
Направление отраженного и преломленного лучей при про-
Закон отражения света. Отраженный луч лежит в одной
41
sin
sin
21
n
2
1
21
v
v
n
v
c
n
n
1
n
2
sin
sin
1
2
21
n
n
n
к плоскости раздела сред в точке падения. Угол падения равен
углу отражения '.
Закон преломления света. Преломленный луч лежит в одной
плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной к
плоскости раздела сред в точке падения. Отношение синуса угла
падения α к синусу угла преломления есть величина постоянная
для данных двух сред, называемая относительным показателем
преломления второй среды по отношению к первой:
.
Относительный показатель преломления двух сред равен отношению скорости распространения света в первой среде v1 к скорости света во второй среде v2:
.
Если свет идет из вакуума в среду, то показатель преломления
среды относительно вакуума называется абсолютным показателем
преломления этой среды и равен отношению скорости света в вакууме v к скорости света в данной средеv:
.
Абсолютные показатели преломления всегда больше единицы;
для воздуха n принят за единицу.
Относительный показатель преломления двух сред можно выразить через их абсолютные показатели
и
:
.
Определение показателя преломления жидкости. Для
быстрого и удобного определения показателя преломления жидкостей существует специальные оптические приборы – рефрактометры, основной частью которых являются две призмы (рис. 4.2):
вспомогательная Пр. 1 и измерительная Пр.2. В зазор между призмами наливается исследуемая жидкость.
42
AB
AC
EF
EF
EF
n
n
r
Q
1
sin
sin
1
1
sin
sin
n
n
i
r
в озд
i
Qr
r
n sin
sinsin
sin
1
Рис. 4.2. Ход луча в призмах рефрактомера
При измерениях показателей могут быть использованы два метода: метод скользящего луча (для прозрачных жидкостей) и метод
полного внутреннего отражения (для темных, мутных и окрашенные
растворов). В данной работе используется первый из них.
В методе скользящего луча свет от внешнего источника проходит сквозь грань
поверхности
кает в призму Пр.2. Матовая поверхность становится источником
лучей всех направлений, поэтому она может наблюдаться сквозь
грань
мального углаi. Величина этого угла однозначно связана с показателем преломления жидкости, находящейся между призмами, что и
случит основной идеей конструкции рефрактометра.
рительной призмы Пр.2. Как видно из рис. 4.2, применяя дважды
закон преломления света, можно получить два соотношения:
призмы Пр.2. Однако грань АС можно наблюдать сквозь
только под углом, большим некоторого предельного мини-
Рассмотрим прохождение света через грань
и далее через слой исследуемой жидкости прони-
призмы Пр.1, рассеивается на ее матовой
, (4.1)
нижней изме-
Решая эту систему уравнений, нетрудно прийти к выводу, что
показатель преломления жидкости
. (4.2)
(29.3)
43
r
rQ1.,
Rsr
Q
max
1
arcsin r
n
n
r
r
1
i
min
min
r
AC
minmin
2
1
sincossinsin iRinRn
min
i
зависит от четырех величин:
симы. Так, например,
где R– преломляющий угол призмы Пр.2. Кроме того, задав углу
максимальное значение 90°, из уравнения (4.1) получим:
Но максимальному значению углаr, как это видно из рис. 4.2
и соотношений (4.3) и (4.4), соответствуют минимальные значения
углов iи
, т. е.
и
.
Таким образом, показатель преломления жидкости для случая
«скользящих» лучей связан только с угломi. При этом существует
минимальное значение углаi, когда грань
т. е. в поле зрения она кажется зеркально белой. Для меньших углов наблюдения грань не видна, и в поле зрения это место кажется
черным. Поскольку зрительная труба прибора захватывает сравнительно широкую угловую зону, то в поле зрения одновременно
наблюдаются светлый и черный участки, граница между которыми
соответствует минимальному углу наблюдения и однозначно связана с показателем преломления жидкости. Используя окончательную расчетную формулу:
иi. Однако не все они незави-
, (4.4)
. (4.5)
еще наблюдается,
(4.6)
(ее вывод опущен) и ряд жидкостей с известными показателями
преломления, можно проградуировать прибор, т. е. установить однозначное соответствие между показателями преломления жидко-
стей и углами
. Все приведенные формулы выведены для лучей
одной какой-либо длины волны.
Свет различных длин волн будет преломляться с учетом дисперсии призмы. Таким образом, при освещении призмы белым
светом граница раздела будет размыта и окрашена в различные
цвета вследствие дисперсии. Поэтому в каждом рефрактометре
есть компенсатор, который позволяет устранить результат дисперсии. Он может состоять из одной или двух призм прямого зрения –
призм Амичи. Каждая призма Амичи состоит из трех стеклянных
призм с различными показателями преломления и различной дис-
44
1
2
3
4
5
6
7
8
9
персией, например, крайние призмы изготовлены из кронгласа,
а средняя – из флинтгласа (кронглас и флинтглас – сорта стекол).
Поворотом призмы компенсатора с помощью специального
устройства добиваются резкого без окраски изображения границы
раздела, положение которой соответствует значению показателя
преломления для желтой линии натрия = 5893 Å (призмы рассчитаны так, чтобы лучи с длиной волны 5893 Aне испытывали в
них отклонения).
Рис. 4.3. Схематический ход лучей в рефрактомере:
1 – осветительное зеркало, 2 – вспомогательная (откидная призма),
3 – измерительная призма, 4 – матовая поверхность, 5 – исследуемое
вещество, 6 – призмы компенсатора, 7 – объектив зрительной трубы,
8 – обращающая призма, 9 – окуляр зрительной трубы
Лучи, прошедшие компенсатор, попадают в объектив зрительной трубы, далее через обращающую призму проходят через окуляр зрительной трубы в глаз наблюдателя. Схематический ход лучей показан на рис. 3.
Шкала рефрактометра отградуирована в значениях показателя
преломления и концентрации раствора сахарозы в воде и расположена в фокальной плоскости окуляра.
Оборудование и материалы: рефрактометр, исследуемые жид-
кости, ветошь.
Указания по технике безопасности приведены в Приложении 1.
45
изм
n
0
n
n
изм
n
Методика проведения эксперимента
Задание 1. Проверка рефрактометра. Направьте свет с по-
мощью зеркала на вспомогательную призму рефрактометра. Подняв вспомогательную призму, пипеткой нанесите несколько капель
дистиллированной воды на измерительную призму. Опустив вспомогательную призму, добейтесь наилучшей освещенности поля
зрения и установите окуляр на отчетливую видимость перекрестия
и шкалы показателей преломления. Поворачивая камеру измерительной призмы, получите в поле зрения границу света и тени.
Вращая головку компенсатора, добейтесь устранения окраски границы света и тени. Совместите границу света и тени с точкой пе-
рекрестия и измерьте показатель преломления воды
фрактометр исправен, то для дистиллированной воды должно по-
лучиться значение
= 1,333, если показания отличаются от этого
. Если ре-
значения, нужно определить поправку Δ
затем следует учитывать при дальнейшей работе с рефрактомет-
ром. Поправки внесите в табл. 1 отчета.
Задание 2. Определение показателя преломления жидкости
1. Определите показатели преломления растворов известных
концентраций с учетом найденной поправки.
2. Постройте график зависимости показателя преломления
растворов поваренной соли от концентрации по полученным результатам. Сделайте вывод о ходе зависимости nотC; сделайте
выводы о точности измерений на рефрактометре.
3. Возьмите раствор соли неизвестной концентрацииC,
определите его показатель преломления и по графику найдите
концентрацию раствора.
4. Уберите рабочее место, осторожно протрите призмы ре-
фрактометров влажной чистой тряпочкой.
Отчет по лабораторной работе № 0
«Преломление света. Измерение показателя преломления
жидкости с помощью рефрактометра»
Выполнил(а) студент____ ____ курса, института ____________
группа _______________ «___» _____________ 20___ г.
Цель: ________________________________________________
46
– 1,333, которую
no n
изм
Δ
n
Н
2
О
1,333
C
, об. %
n
изм
n
ист
Таблица 1
Таблица 2
График зависимости показателя преломления растворов поваренной соли от концентрации.
Вывод: ______________________________________________
Контрольные вопросы
1. Геометрическая оптика, луч. Закон прямолинейного рас-
пространения света, закон отражения, закон преломления.
2. Принцип работы рефрактометра.
3. Влияние примесей на показатель преломления сред.
Литература
1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа, 2009.
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. В 5 т. М.: Физматлит,
2010.
3. Матвеев А. Н. Механика и теория относительности. СПб.:
Лань, 2009.
4. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм: М., 2005.
5. Ландсберг Г. С. Оптика. М.: Физматлит, 2006.
6. Иродов И. Е. Механика: Основные законы. М.: Бином,
2007.
7. Иродов И. Е. Физика макросистем: Основные законы. М.:
Бином, 2010.
8. Матвеев А. Н. Молекулярная физика. М: Оникс Мир и об-
разование, 2006.
9. Матвеев А. Н., Атомная физика. М: Оникс Мир и образо-
вание, 2007.
47
10. http://fizkaf.narod.ru – кафедра и лаборатория физики Мос-
ковского института открытого образования.
11. http://www.phys.spb.ru – сайт физического факультета
СПбГУ.
12. http://experiment.edu.ru – естественнонаучные эксперимен-
ты – Физика: Коллекция Российского общеобразовательного пор-
тала.
13. http://www.edu.delfa.net – кабинет физики Санкт-
Петербургской академии постдипломного педагогического образования.
14. http://demo.home.nov.ru – Мир физики: физический экспе-
римент.
15. http://genphys.phys.msu.ru – сайт кафедры общей физики
физфака МГУ.
16. http://www.online-electric.ru/ – система автоматизации ре-
шения электротехнических задач, возникающих при проектировании, монтаже, оптимизации и эксплуатации систем электроснабжения.
48
5. Тепловое излучение
Цель: изучение закономерностей теплового излучения на при-
мере излучения абсолютно твердого тела; установление зависимости мощности излучения нагретого тела от его температуры.
Компетенции, формируемые при выполнении работы: ОК-1,
ПК-11, ПК-32.
Теоретическая часть
Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся.
Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым
(температурным) излучением. Тепловое излучение, являясь самым
распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше
0 К. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких – преимущественно
длинные (инфракрасные).
Тепловое излучение – практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Предположим, что нагретое (излучающее) тело помещено в полость, ограниченную идеально отражающей оболочкой. С течением времени, в результате
непрерывного обмена энергией между телом и излучением, наступит равновесие, т. е. тело в единицу времени будет поглощать
столько же энергии, сколько и излучать. Допустим, что равновесие
между телом и излучением по какой-либо причине нарушено и тело излучает энергии больше, чем поглощает. Если в единицу времени тело больше излучает, чем поглощает (или наоборот), то температура тела начнет понижаться (или повышаться). В результате
будет ослабляться (или возрастать) количество излучаемой телом
энергии, пока, наконец, не установится равновесие. Все другие виды излучения неравновесны.
Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости (излучательности) тела – мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:
49
,,
/,
изл
v T v v dv
R dW dv
изл
dvvvdW,
dvv
v
T
R
dRdvRdW
TTv
dvvv
ee
,,
1
c
v
c
dv
d
2
2
cRR
TTv
/
2
,,
0
,
dvRR
TvT
, , ,
/,
погл
v T v v dv v v dv
A dW dW
где
– энергия электромагнитного излучения, испускае-
мого за единицу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела в интервале частот от vдо
.
Единица спектральной плотности энергетической светимости
(
) – джоуль на метр в квадрате (Дж/м2).
Записанную формулу можно представить в виде функции
длины волны:
Так как c = λν, то
,
где знак «–» указывает на то, что с возрастанием одной из величии
(ν или λ) другая величина убывает. Поэтому в дальнейшем знак
минус будем опускать. Таким образом,
. (5.1)
С помощью формулы (5.1) можно перейти от R
ν,T
к R
λ,T
, и
наоборот.
Зная спектральную плотность энергетической светимости,
можно вычислить интегральную энергетическую светимость (интегральную излучательносгь) (ее называют просто энергетической
светимостью тела), просуммировав по всем частотам:
Способность тел поглощать падающее на них излучение характеризуется спектральной поглощательной способностью
показывающей, какая доля энергии, приносимой за единицу
времени на единицу площади поверхности тела падающими на нее
электромагнитными волнами с частотами от ν до ν+dν, поглощается телом. Спектральная поглощательная способность – величина
. (5.2)
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]