Контрольные вопросы

1. Как формулируется закон преломления света? Каков физический смысл показателя преломления (абсолютного и относительного)?

2. Что называется полным внутренним отражением? При каких условиях оно наблюдается? Как записывается условие полного отражения?

3. Как в данной работе осуществляется метод полного отражения? Начертите ход лучей в рефрактометре при работе по методу полного отражения? Какова роль компенсатора?

4. Луч света из стекла переходит в жидкость. Показатель преломления стекла относительно воздуха равен n = 1,5, а угол полного внутреннего отражения ₀ = 62⁰. Чему равен показатель преломления жидкости относительно воздуха?

5. Луч света выходит из скипидара в воздух. Предельный угол полного отражения составляет 42⁰. Какова скорость света в скипидаре?

6. Каков характер зависимости показателя преломления от концентрации раствора? Что означает точка пересечения графика с осью «n»?

7. При падении белого света под углом  = 45⁰ на стеклянную пластинку углы преломления различных длин волн получились следующие:

Таблица 4

, нм	759	687	589	486	397
	240	23,950	23,780	23,450	22,950
n

Построить график зависимости показателя преломления материала от длины волны: n = n (), заполнив третью строку в табл.4.

8. Луч света падает под углом  на стекло с показателем преломления n. Как должны быть связаны между собой угол падения  и показатель преломления n, чтобы отраженный луч был перпендикулярен преломленному лучу?

9. Укажите, при каком переходе светового луча из одной среды в другую произойдет полное отражение: а) воздух-стекло; б) стекло-вода;

в) вода-скипидар, если n_ст = 1,5; n_в = 1,33; n_ск = 1,42.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЗДУХА ОТ ДАВЛЕНИЯ

Цель работы: а) знакомство с устройством и принципом работы интерферометра ЛИР-2;

б) изучение зависимости показателя преломления воздуха от давления с помощью интерферометра.

Оборудование: интерферометр ЛИР-2; манометр; барометр; комнатный термометр; резиновая груша.

Показатель преломления является одной из важнейших оптических характеристик среды. В молекулярной физике установлена связь показателя преломления газа (n) с его плотностью (). Для любого газа

(3-1)

Учитывая, что при Т = const плотность вещества пропорциональна давлению (  Р), формулу (3-1) можно записать для любых двух состояний газа:

(3-2)

где n₀ и Р₀ - показатель преломления и давление газа в начальном состоянии; n и Р – показатель преломления и давление газа в конечном состоянии.

Выразим из последней формулы давление Р, получим

Изменение давления Р в результате процесса, протекающего в газе при Т = const, будет равно

где n – n₀ = n – изменение показателя преломления, соответствующее изменению давления Р. Из последней формулы имеем

(3-3)

Таким образом, показатель преломления изменяется пропорционально изменению давления газа.

Рис. 14

Изучение зависимости показателя преломления от давления в данной лабораторной работе проводится с помощью лабораторного интерферометра ЛИР-2, общий вид которого представлен на рис. 14.

Рис. 15

Интерферометр состоит из оптической головки 1, стойки 2 и основания 3. В оптической головке размещена лампа накаливания, зрительная труба 4 со «слепым» наглазником 5, позволяющим закрыть левый глаз при рассматривании поля зрения окуляра. На передней части головки имеется окно 6 с молочным стеклом для подсветки микрометрического винта.

Микровинт имеет две шкалы А и В (рис. 15). На барабан В нанесено 100 делений, а на шкалу А – 30 делений. Таким образом, вся шкала микровинта имеет 3000 делений. Каждое деление барабана (шкала В) соответствует величине С = /30 нм, где  = 570 нм – средняя длина волны видимого спектра белого света, т.е. С  19 нм.

При повороте барабана на один оборот он смещается вдоль шкалы А на одно деление.

Внутри стойки 2 размещены элементы электрической схемы, питающей интерферометр. На переднюю ее часть выведена ручка 11 потенциометра для регулирования яркости нити лампы и тумблер 12 для включения лампы. В кожухе сверху имеется окно для доступа к камере, которое закрыто крышкой 9.

Оптическая схема интерферометра ЛИР-2, используемого в данной работе приведена на рис. 16. Световой пучок от источника с помощью линзы О₁ и двух параллельных щелей S₁ и S₂ формируется в два параллельных когерентных пучка, на пути которых расположена ванночка с двумя газовыми кюветами А и В, одна из которых соединяется с манометром и резиновой грушей, играющей роль насоса. С помощью линзы О₂ лучи накладываются друг на друга и интерферируют между собой. Интерференционную картину наблюдают через окуляр О

Рис. 16

₃.

Плоскопараллельная пластинка Р₁ эту картину разделяет на две части: подвижную (верхнюю) и неподвижную (нижнюю). Когда давление газа в обеих кюветах одинаково, обе картины совмещены (рис.17а). Если давления в кюветах различны, то верхняя система полос смещается относительно нижней на m полос (рис. 17б).

Рис. 17

Для компенсации дополнительной разности хода лучей, прошедших кюветы А и В, служит клиновый компенсатор К (рис. 16), который связан с отсчетным устройством.

Перемещая клин компенсатора с помощью микровинта, можно добиться такого положения, что вносимая им дополнительная разность хода будет полностью компенсировать разность хода лучей в кюветах и обе системы интерференционных полос полностью совпадут друг с другом (рис. 17а): центральные черные полосы верхней и нижней систем полос совпадают.

Пластинка Р₂ (рис. 16) поставлена с целью соблюдения условия когерентности лучей, прошедших через кюветы А и В.

Известно, что интерференционная картина имеет максимумы и минимумы интенсивности, которые определяются разностью хода интерферирующих лучей: ₁ =  k соответствует максимуму интенсивности; ₂ =  (2k + 1)/2 – минимуму интенсивности, где k = 0,1,2,3… - порядок (номер) максимума,  - длина волны.

Когда в кюветах давление одинаково, одинаковыми будут и показатели преломления воздуха. При этом в центре поля зрения возникает нулевой максимум; симметрично ему располагаются максимумы 1-го, 2-го и т.д. порядков. При накачке воздуха в кювету В изменяется показатель преломления воздуха в ней, а следовательно, изменяется оптический путь соответствующего луча. Появляется дополнительная разность хода. При одинаковой длине кювет для лучей, образующих верхнюю систему полос, разность хода будет равна

где - длина кюветы; () – дополнительная оптическая разность хода, возникающая при изменении показателя преломления на n вследствие изменения давления.

Нижняя система полос образуется световыми лучами, проходящими под кюветами. Дополнительная разность хода лучей в нижней системе полос находится в зависимости от в верхней системе полос.

Если = m₁, а , то разность между этими величинами будет равна , т.е. верхняя система полос смещается относительно нижней на полос. Это смещение будет зависеть от дополнительной разности хода лучей вследствие изменения показателя преломления.

где  - длина волны. Отсюда получим, что изменение показателя преломления равно

(3-5)

Таким образом, подсчитав число смещенных полос (m) верхней системы относительно нижней, можно рассчитать n, зная длину волны света  и длину кюветы.

Число смещенных полос определяется соотношением:

(3-6)

где N – число делений по шкале микровинта; число «16» - ширина интерференционной полосы, выраженной в делениях шкалы барабана.

ВНИМАНИЕ! При работе с интерферометром недопустима никакая самостоятельная регулировка прибора, т.к. прибор тщательно отъюстирован.