Методика измерений
Одним из простейших методов определения показателя преломления является определение при помощи микроскопа. В основе метода лежит явление кажущегося уменьшения толщины стеклянной пластинки вследствие преломления световых лучей, проходящих в стекле, при рассматривании пластинки нормально к ее поверхности (рис. 3).
Рисунок 3.
Пусть МNN1М1 представляет собой сечение вертикальной плоскостью тонкой плоскопараллельной стеклянной пластинки, на обеих сторонах которой нанесены неглубокие царапины.
Для того, чтобы легче было определить, где находится наблюдаемая в микроскопе царапина, на нижней поверхности нанесена другая царапина перпендикулярно царапине на верхней поверхности пластинки.
Пусть S – царапина на нижней поверхности,
О – царапина на верхней поверхности.
Если свет падает на пластинку снизу, то точку на нижней царапине можно рассматривать как источник света, дающий расходящийся световой пучок, который, преломляясь на границе стекло-воздух (линия МN), попадает в воздух, среду оптически менее плотную. Глаз, находящийся на нормали, увидит в точке S' (пересечение луча SК с продолжением преломленного луча АА') мнимое изображение точки S. В S' пересекутся после преломления все те лучи, которые выходят из S по направлениям, образующим небольшие углы с нормалью. Наблюдателю будет казаться, что все лучи выходят не из S, а из S'. Если навести микроскоп так, чтобы резко была видна точка О, лежащая на верхней царапине, то, чтобы увидеть точку S, лежащую на нижней царапине, необходимо сдвинуть тубус микроскопа не на расстояние OS, а на меньшее расстояние ОS'. Положение точки S' будет зависеть от угла между линией зрения и плоскостью пластинки.
В объектив микроскопа попадает очень узкий пучок лучей, следовательно, углы i и r малы. Мы видим (рис. 3), что
так как ОА=OS tg i=OS' tg r. Обозначив истинную толщину пластинки
через
d,
а расстояние OS'
(оптическую
толщину) через
,
получим
– расчетную формулу для показателя
преломления. Эта формула является
рабочей для определения показателя
преломления стекла.
Ход работы
Задание 1. Измерить показатель преломления стекла. Рассмотреть отличие оптического поведения изотропных и анизотропных веществ в поляризованном свете.
-
Поставить зеркало микроскопа в такое состояние, чтобы поле зрения, наблюдаемое через окуляр, было хорошо освещено.
-
Положить на предметный столик аморфное стекло с взаимно ортогональными рисками на обеих поверхностях. Поднятием и опусканием тубуса при помощи винта настроить хорошее изображение одной поверхности стеклянной пластинки.
-
При помощи микрометрического винта настраиваем изображение царапины на верхней поверхности стекла, фиксируя значение делений микрометрического винта.
-
Далее таким же образом настраиваем изображение царапины на нижней поверхности стекла, учитывая полные обороты винта. Фиксируем значение микрометрического винта для второго измерения.
-
Определить разницу делений винта между значениями верхнего и нижнего положения столика, учитывая, что цена деления микрометрического винта микроскопа равна 0,001 мм. Это есть оптическая толщина стекла
. -
Измерить толщину стекла микрометром с ценой деления барабана 0,01мм. Это есть значение реальной толщины d.
-
Рассчитать по полученным данным показатель преломления стекла, разделив значение, полученное на микрометре, на значение, полученное на микроскопе. Расчетная формула
. -
Определить погрешность измерения показателя преломления.
-
Выдвигая и задвигая анализатор и поляризатор, исследовать стекло в поляризованном свете в скрещенном положении николей.
-
Повторить опыт со слюдой и кальцитом (оптически анизотропные вещества).
Образец вычислений:
Разница значений верхней и нижней поверхности стекла, полученная в результате измерений на микроскопе, равна 1220 делений
12200,001 мм =1,22 мм
1,95 мм – значение толщины стекла, полученной на микрометре,
тогда значение показателя преломления n=1,95/1,22=1,59.