Лабораторная работа 3.2 физика (1 семестр)

ЗАНЯТИЕ 3.2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ТЕМА: «ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА. ЗАКОН СНЕЛЛЯ. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ РЕФРАКТОМЕТРА»

Значение темы в системе знаний врача: Закон преломления света лежит в основе работы оптических приборов: лупы, микроскопов, медицинских эндоскопов, а так же рефрактометрах. Рефрактометры предназначены для измерения показателя преломления растворов. Это имеет важное практическое значение, поскольку, зная показатель преломления растворов можно рассчитать их концентрацию, что находит применение в практике клинических лабораторий.

Цель работы: изучение принципа работы рефрактометра и исследование зависимости показателя преломления раствора от концентрации.

Приборы и принадлежности: рефрактометр, пипетка, растворы различной концентрации.

Студент должен знать:

1.Явление преломления света. Рефракция света.

2.Абсолютный и относительный показатель преломления.

3.Закон преломления света (Закон Снелля).

4.Что называют предельными углами преломления и полного отражения.

5.Явление полного внутреннего отражения и его применение в медицине.

6.Устройство и принцип действия рефрактометра.

7.Методы определения показателя преломления растворов с помощью рефрактометра.

8.Волоконная оптика.

9.Современная эндоскопия и ее методы.

Студент должен уметь:

1.Выводить математически формулу для закона преломления (закон Снелля) и из него получать формулы для предельных углов преломления и отражения.

2.Подготовить прибор к работе.

3.Исследовать зависимость показателя преломления n раствора от различных

концентраций Ci и определять по градуированному графику неизвестную концентрацию раствора Cx.

Краткая теория

Явление преломления света. Закон Снелля

При переходе света через границу раздела двух сред, скорость распространения света, в которых различна, происходит изменение его направления. Это явление называется

преломлением или рефракцией света.

(При перпендикулярном падении лучей на границу раздела сред изменения направления света не происходит.)

Направление преломленной волны можно установить на основании принципа Гюйгенса - Френеля. Пусть АВ (рис.1.) есть фронт плоской монохроматической волны, подошедшей к границе MN двух сред в некоторый момент времени t1. Скорость распространения волн в первой и второй средах обозначим соответственно 1 и 2, причем 1 > 2. Определим положение фронта волны во второй среде в момент времени t2, который выберем таким образом, чтобы за время ∆t=t2-t1 фронт волны в первой среде дошел от точки В до точки С на границе сред. Искомый фронт волны можно найти

как огибающую вторичных волн, распространившихся за время ∆t из точек А и В. Вторичная волна из точки А за время ∆t пройдет во второй среде расстояние AD =

2∆t. Вторичная волна из точки В в первой среде за это время пройдет расстояние ВС =1∆t. Новый фронт волны будет DC. В точках А и С построим падающий и преломленный

лучи и восстановим перпендикуляры к поверхности раздела сред. ВАС равен углу падения i, а ACD – углу преломления r. Из ∆ВАС: ВС= АСsini = 1∆t. Из ∆ACD:

AD = ACsinr = 2∆t.Разделив первое равенство на второе и сократив левую часть на АС, а правую на ∆t, получим:

sin i 1

sin r 2

Отношение скорости с распространения света в вакууме к скорости распространения его в данной среде (n=c/ ) называется абсолютным показателем преломления данной среды. При переходе света из одной среды в другую учитывается относительный показатель преломления второй среды по отношению к первой, равный отношению абсолютных показателей преломления этих сред:

Таким образом, относительный показатель преломления двух сред равен обратному отношению скоростей света в этих средах.

Отсюда следует закон преломления:

т.е. отношение синуса угла падения i к синуса угла преломления r лучей для данных двух сред есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления n2,1.

(закон Снелля).

Обычно оптические свойства вещества характеризуются показателем преломления n относительно воздуха, который мало отличается от абсолютного показателя преломления. Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, называется оптически более плотной.

Показатель преломления зависит от длины волны света. Его обычно относят к монохроматическому желтому излучению паров натрия (длина волны 589 нм).

Таблица №1. Показатели преломления некоторых веществ.

Предельные углы преломления и полного отражения

При переходе света из среды с меньшим показателем преломления (оптически менее плотная среда) в среду с большим показателем преломления (оптически более плотная среда) угол падения луча больше угла преломления (рис. 2, а). Если луч падает на границу раздела сред под наибольшим возможным углом i= /2 (луч скользит вдоль границы раздела сред), то он будет преломляться под углом rпр< /2. Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то угол преломления больше угла падения (рис. 2, б).

При некотором угле падения i луча угол преломления равен /2, т.е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред. При дальнейшем увеличении угла падения преломление не происходит, весь падающий свет отражается от границы раздела сред

(полное отражение). Угол i называется предельным углом полного отражения и

обозначается iпр. Так как

то

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ – рефрактометрах, используемых при определении чистоты воды, концентрации общего белка сыворотки крови, для идентификации различных веществ т. д.

Устройство и принцип действия рефрактометра

В основу конструкции прибора положен метод определения показателя преломления исследуемого раствора по предельному углу преломления или предельному углу полного внутреннего отражения. Определение показателя преломления можно производить в проходящем (бесцветные и слабоокрашенные жидкости) или в отражённом свете (тёмные и сильноокрашенные жидкости)

Основной частью рефрактометра являются прямоугольные призмы 1 и 2, сделанные из одного и того же сорта стекла (рис.3, а). Призмы соприкасаются гипотенузными гранями, между которыми имеется зазор около 0,1 мм. Между призмами помещают каплю жидкости, показатель преломления которой требуется определить. Луч света от источника 3 направляется на боковую грань верхней призмы и, преломившись, попадает на гипотенузную грань АВ.

Поверхность АВ матовая, поэтому свет рассеивается и, пройдя через исследуемую жидкость, падает на грань СD нижней призмы под различными углами от 0 до 90°. Если показатель преломления жидкости

меньше показателя преломления стекла, то лучи света входят в призму 2 в пределах от 0 до rпр. Пространство внутри этого угла будет освещенным, а вне его – темным. Таким образом, поле зрения, видимое в зрительную трубу, разделено на две части: темную и светлую.

Положение границы раздела света и тени определяется предельным углом преломления исследуемой жидкости.

Если исследуемая жидкость имеет большой показатель поглощения (мутная, окрашенная жидкость), то во избежание потерь энергии при прохождение света через жидкость измерения проводят в отраженном свете. Ход лучей в рефрактометре в этом случае показан на рис.3, б. Луч света от источника проходит через матовую боковую грань СМ нижней призмы 2. При этом свет рассеивается и падает на гипотенузную грань СD, соприкасающуюся с исследуемой жидкостью, под всевозможными углами от 0 до 90°. Если жидкость оптически менее плотная, чем стекло, из которого изготовлена призма, то лучи, падающие под углами большими iпр, будут испытывать полное отражение и выходить через вторую боковую грань нижней призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, так же как и в первом случае, окажется разделенным на светлую и темную части. Положение границы раздела в данном случае определяется предельным углом полного отражения, также зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

С помощью этого прибора можно исследовать вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления стекла измерительных призм. Оптическая система рефрактометра изображена на рис.4.

В рефрактометре используется источник 3 белого света. Вследствие дисперсии при прохождении светом призм 1 и 2 граница света и тени оказывается окрашенной. Во избежание этого перед объективом зрительной трубы помещают компенсатор 4. Он состоит из двух одинаковых призм, каждая из которых склеена из трех призм, обладающих различным показателем преломления. Призмы подбирают так, чтобы монохроматический луч с длинной волны =589,3 мкм (длина волны желтой линии натрия) не испытывал после прохождения компенсатора отклонения. Лучи с другими

длинами волн отклоняются призмами в различных направлениях. Перемещая призмы компенсатора с помощью специальной рукоятки, добиваются того, чтобы граница света и темноты стала возможно более резкой.

Лучи света, пройдя компенсатор, попадают в объектив 6 зрительной трубы. Изображение границы раздела свет – тень рассматривается в окуляр 7 зрительной трубы. Одновременно в окуляр рассматривается шкала 8. Так как предельный угол преломления и предельный угол полного отражения зависят от показателя преломления жидкости, то на шкале рефрактометра сразу нанесены значения этого показателя преломления.

Оптическая система рефрактометра содержит также поворотную призму 5. Она позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно призмам 1 и 2, что делает наблюдение более удобным.

В общей фокальной плоскости объектива и окуляра зрительной трубы помещают стеклянную пластинку, на которую нанесена визирная линия (или крест, образованный тонкими нитями). Перемещением зрительной трубы добиваются совпадения визирной линии с границей свет-тень и по шкале определяют показатель преломления исследуемой жидкости. В некоторых современных рефрактометрах зрительная труба укрепляется

неподвижно, а система измерительных призм может поворачиваться.

Конструкция прибора (рис.5) имеет корпус16, колонку 15 и основание 14. К корпусу прибора крепятся камеры верхняя 3 и нижняя 19. Нижняя камера с измерительной призмой жестко закреплена на корпусе, верхняя же камера с осветительной призмой соединена шарниром 2 с нижней камерой и может перемещаться относительно нижней.

В нижней камере находятся окна, которые закрываются пробкой 9 и ширмой 12 (на правой части рис.5 показаны

камеры рефрактометра с тыльной стороны).

На нижней камере подвижно укреплен осветитель 1, свет от которого можно направить в одно из окон камеры. Осветитель устанавливают таким образом, чтобы свет был

направлен в окно верхней камеры при работе в проходящем свете или в окно нижней камеры при работе в отраженном свете.

Для контроля температуры служит термометр, укрепленный на штуцере 8 верхней камеры. На передней крышке корпуса прибора размещены шкалы 5 и рукоятка 6 с окуляром 7. На оси рукоятки 6 находится шкала 17 с винтом 18 для поворота призмы прямого зрения. Винт фиксирует шкалу в установленном положении (когда устранен спектр на границе светотени). На корпусе прибора находится пробка 4, которая закрывает отверстие, предназначенное для ввода ключа и установки нуль-пункта. В штепсельной вилке 13 размещен понижающий трансформатор. Винт, находящийся на корпусе прибора со стороны камеры, служит для регулировки плавности хода рукоятки 6 вдоль шкалы. К прибору придается светофильтр 11.

Ход работы:

Упражнение 1. Подготовка прибора к работе.

а) расположите источник света так, чтобы наблюдения проводились в проходящем свете; б) откиньте верхнюю призму рефрактометра и промойте, затем досуха протрите салфеткой плоскости призм и пипеткой нанесите на нижнюю призму 2-3 капли

дистиллированной воды. Опустите верхнюю призму; в) фокусируя окуляр, получите резкие изображения поля зрения, визира и шкалы;

г) перемещая зрительную трубу, получите в поле зрения границу свет-тень. Линия раздела должна быть резкой и без цветной окраски. Последнее достигается поворотом рукоятки компенсатора;

д) совместить визир с границей раздела свет-тень. При правильной настройке рефрактометра показание шкалы при этом должно соответствовать показателю преломления воды n =1,333 при 20°С;

Упражнение 2. Исследование зависимости показателя преломления раствора NaCl от концентрации.

а) измерьте показатели преломления n раствора NaCl различной концентрации С. Для этого на нижнюю призму нанесите поочередно растворы различной концентрации и, совмещая визир с границей раздела свет-тень, определите по шкале показатели преломления растворов. Для каждого раствора измерение показателя преломления производите три раза и найдите среднее значение <n>;

б) результаты измерений занесите в табл. №2.

Таблица №2

в) постройте график зависимости показателя преломления от концентрации n = f(C);

г) измерьте показатель преломления nx раствора неизвестной концентрации. Определите по графику концентрацию Сx этого раствора;

д) найдите по графику погрешность Сx измерения концентрации раствора;

По результатам выполненной работы записать вывод.

Литература:

1.Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник / А.Н. Ремизов. –

М.: Дрофа, 2010

2.Ремизов, А. Н. Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина. – М.: Дрофа, 2010.

3.Физика и биофизика. Практикум: учебное пособие для вузов / В.Ф. Антонов и др.

– М. ГЭОТАР-Медиа, 2008

4.Фёдорова, В.Н., Фаустов, Е.В. Медицинская и биологическая физика: учебное пособие для вузов. Курс лекций с задачами. - М.ГЭОТАР-Медиа, 2009.