Лабораторная работа № 2 изучение дисперсии света в веществе

Цель работы: 1. Определение показателя преломления пластинки в монохроматическом свете.

2. Построение кривой дисперсии, т.е. зависимости показателя преломления n от длины волны λ.

Приборы и материалы: биологический микроскоп, снабжённый светофильтрами и осветителем, стеклянная пластинка с нанесёнными на ней царапинами, микрометр.

Теоретические сведения

Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от длины световой волны. Эту зависимость можно охарактеризовать функцией

,

где λ₀ – длина световой волны в вакууме.

Эта функция обусловлена зависимостью фазовой скорости от длины световой волны в среде, что сказывается на абсолютном показателе преломления, так как

,

где – скорость света в вакууме.

Согласно электронной теории дисперсии света в областях, далёких от полос поглощения, наблюдается так называемая нормальная дисперсия, когда с ростом длины волны света абсолютный показатель преломления убывает . Для получения кривой дисперсии в работе используется микроскоп с малой глубиной резкости, в поле зрения которого рассматривается плоскопараллельная пластинка с нанесёнными на ней сверху и снизу царапинами.

Рис. 6

При этом используется то свойство, что предмет, рассматриваемый через плоскопараллельный слой прозрачного вещества, имеющего больший показатель преломления, чем воздух, кажется нам ближе (рис. 6).

По направлению луча 2-2^/, где нет преломления, виден предмет толщиной d=CA. Наблюдая сверху из точки Д (луч 1^/-1), увидим А, смещённой в точку А^/. Тогда кажущаяся толщина пластинки будет d^/=CA^/. Если лучи близки к нормали, то вследствие малости углов , а . Тогда закон преломления со стороны точки Д выглядит так:

, но ;

, тогда

. (1)

Следовательно, показатель преломления стекла можно найти как отношение истинной толщины пластинки, измеряемой микрометром, к кажущейся толщине, измеряемой с помощью микроскопа.

Описание прибора

Общий вид микроскопа изображён на рис. 7, где: 1 – объектив; 2 – окуляр; 3 – предметный столик с зажимами; 4 – рукоятка грубой фокусировки; 5 – рукоятка тонкой микрометрической фокусировки; 6 – тубус; 7 – кольцо. На оси рукоятки укреплён барабан со шкалой, разделённой на 50 частей. Каждое пятое деление обозначено цифрами от “0” до “9”.

Рис. 7

По шкале барабана можно определить величину подъёма или опускания тубуса. Один оборот барабана соответствует перемещению тубуса на 0,1 мм. При вращении рукояток грубой и тонкой фокусировок по часовой стрелке тубус микроскопа опускается, при вращении против часовой стрелки – поднимается.

Проведение измерений и обработка результатов

1. Измерить 3-5 раз микрометром толщину стеклянной пластинки и найти среднее значение этих измерений d_ср.

2. Ввести в поле зрения микроскопа красный светофильтр – в кольце 7. Поместить пластинку на предметный столик 3 микроскопа. Рукоятку тонкой фокусировки 5 поставить в крайнее нулевое положение, вращая её против часовой стрелки.

3. Добиться резкости изображения верхнего штриха в поле зрения микроскопа с помощью рукоятки грубой фокусировки 4, вращая её против часовой стрелки из крайнего нижнего положения.

4. Затем, вращая рукоятку тонкой фокусировки 5 по часовой стрелке, добиться резкого изображения нижнего штриха на пластинке, отсчитывая при этом число полных оборотов микрометрического винта N (по рукоятке) и отметив конечное показание барабана N₁.

5. Тогда кажущаяся толщина пластинки , где 0,1 мм – значение одного полного оборота микрометрического винта; 0,002 мм – цена одного деления микрометрического винта. Произвести измерения 3-5 раз, найти среднее значение и результат занести в таблицу.

6. Произвести аналогичные измерения для остальных светофильтров и результаты занести в таблицу.

7. По формуле (1) рассчитать показатель преломления для каждой длины волны λ, значения которых даны в таблице.

8. По полученным значениям n и λ построить график зависимости .

Цвет	,	, мм
Красный Оранжевый Жёлтый Зелёный Синий Фиолетовый	7200 6600 5800 5500 4700 4400

Примечание. Провести измерения для трёх длин волн (по указанию преподавателя) и получить при этом общий ход кривой, т.е. исследовать качественную зависимость .

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое дисперсия света, нормальная и аномальная дисперсия?

2. Вывести формулы зависимости показателя преломления вещества от частоты света из электронной теории дисперсии.

3. Объяснить ход лучей через плоскопараллельную пластинку и формулу (1) для определения показателя преломления.

4. Рассказать об устройстве и принципе действия микроскопа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ПРОВЕРКА ЗАКОНОВ ОСВЕЩЁННОСТИ

Цель работы: 1. Ознакомление с приёмами фотометрии.

2. Проверка законов освещённости.

Приборы: прибор для изучения законов фотометрии, люксметр.

Теоретические сведения

Для характеристики интенсивности света с учётом его способности вызывать зрительные ощущения используется величина Ф, называемая световым потоком и, по сути, характеризующая поток энергии электромагнитных волн, приходящийся на диапазон длин волн, воспринимаемых глазом (λ = 0,40÷0,75 мкм). Количество световой энергии, излучаемой источником по всем направлениям в единицу времени, называется полным потоком Ф лучистой энергии.

Величину потока , приходящегося на единицу телесного угла (рис. 8), называют силой света (интенсивностью):

.

Если источник света точечный, то поверхность распространяющейся от него волны можно считать сферической, а силу света одинаковой во всех направлениях, тогда , где – полный телесный угол.

Рис. 8

Единица силы света – кандела (кд). Такое название эта величина получила от латинского слова candela – свеча. Кандела является одной из основных единиц Международной системы СИ. Её значение до сентября 1979 года определялось как сила света излучателя (абсолютно чёрного тела) площадью 1/600000 м² в перпендикулярном этой площади направлении при температуре затвердевания платины (2042⁰С). В октябре 1979 года на шестнадцатой Генеральной конференции по мерам и весам было принято новое определение канделы. Оно позволяет воспроизводить канделу без создания абсолютно чёрного тела и тем самым повысить точность её воспроизведения: «Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹²Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении 1/683 Вт/ср.

Единицей светового потока является люмен (лм). Он равен световому потоку, излучаемому изотропным источником с силой света в 1кд в пределах телесного угла в один стерадиан: 1лм = =1кд∙1ср.

Освещённостью поверхности Е называется величина, измеряемая отношением светового потока dФ, падающего на поверхность, к площади dS этой поверхности:

.

Если площадь dS не перпендикулярна направлению потока, то

,

где – угол между нормалью к поверхности и направлением потока света (рис. 8). Освещённость, создаваемую точечным источником, можно выразить через силу света I, расстояние r от поверхности до источника и угол α. На площадку dS (рис. 8) падает поток , заключённый в пределах телесного угла dω, опирающегося на dS. Но , тогда:

. (1)

Полученное соотношение называется законом Ламберта. Обозначая освещённость в направлении нормали , получим закон освещённости:

(2)

Из формул (1) и (2) следует, что освещённость поверхности зависит от её расстояния до источника и пространственной ориентации поверхности относительно источника.