ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА

С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА

Цель работы: изучение законов отражения и преломления света.

Задачи работы: определить относительный показатель преломления стекла.

Приборы и принадлежности: измерительный микроскоп с микрометрическим винтом; микрометр; измеряемые стеклянные пластинки со штрихами на обеих поверхностях; осветитель.

Теория метода и описание установки

При прохождении света через ровную и плоскую границу двух прозрачных веществ неодинаковой оптической плотности падающий луч света АО разделяется на два луча – отраженный луч ОВ и преломленный луч OD (рис. 1). Направления этих лучей определяются следующими законами отражения и преломления света:

1. Луч АО, падающий на преломляющую поверхность, нормаль РОР к поверхности в точке падения, луч отраженный ОВ и луч преломленный OD лежат в одной плоскости.

2. Угол отражения РОВ численно равен углу падения РОА.

3. Синус угла падения относится к синусу угла преломления , как скорость света в первой среде относится к скорости света во второй среде :

.

P

A B

О Среда 1

Среда 2 (более плотная)

r

P D

Рис. 1

Последний закон говорит о том, что свет распространяется в различных средах с различной скоростью.

Для двух данных сред и для луча данной длины волны отношение скорости света в среде 1 к скорости света в среде 2 или отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, т.е.

; .

Величина называется относительным показателем (коэффициентом) преломления второй среды по отношению к первой.

Если одна из сред, например 1, - вакуум, то показатель преломления данной среды 2 по отношению к вакууму называется абсолютным показателем преломления данной среды.

Абсолютный показатель преломления среды 2 (рис. 1)

; ,

где с – скорость света в вакууме ( );

- скорость света в данной среде 2,

т.е. абсолютный показатель преломления среды показывает во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде:

.

Показатель преломления зависит от длины волны света и от свойств среды. Абсолютные показатели преломления больше единицы. Это означает, что скорость распространения света в данной среде всегда меньше, чем в пустоте.

Относительный показатель преломления двух сред связан с абсолютными показателями преломления сред и следующим соотношением:

.

Для определения показателей преломления веществ существуют различные методы. Одним из них является метод определения показателя преломления стекла 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. Схема прохождения лучей через стеклянную пластинку дана на рис. 2.

В точку А, находящуюся на нижней поверхности стеклянной пластинки, падают два луча света 1 и 2. Луч 2 падает на пластинку нормально к ее поверхности и поэтому проходит сквозь пластинку и выходит в воздух в точке С, не испытывая преломления. Луч 1 преломляется и выходит из пластинки в точке О по направлению ОD.

При выходе из пластинки луч OD образует угол преломления - больший, чем угол падения . Если смотреть из точки D по направлению DO, то наблюдатель будет видеть точку пересечения лучей OD и AC не в точке А, а в точке Е, т.е. толщина пластинки будет казаться равной СЕ.

r D

Воздух C O

Стекло

h

H E

Воздух A

1

2

Рис. 2

На рис. 2 видно, что кажущаяся толщина пластинки CE=h меньше истинной, т.е. действительной ее толщины CA=H.

Для лучей, близких к нормально падающим лучам, углы падения и преломления малы. В этом случае синусы можно заменить тангенсами и по закону преломления света написать (рассматривая обратный ход лучей, т.е. от D к А):

.

При рассмотрении рисунка и после соответствующих преобразований имеем:

или .

Следовательно, показатель (коэффициент) преломления стекла можно найти из отношения истинной толщины стеклянной пластинки к кажущейся ее толщине. Истинная толщина пластинки измеряется микрометром, а кажущаяся – микроскопом с микрометрическим винтом.

Измерения и обработка результатов измерений

1. Измеряют микрометром истинную толщину стеклянной пластинки H в том месте, где нанесены штрихи, и берут ее значение в миллиметрах .

2. Определяют кажущуюся толщину стеклянной пластинки h, для чего пластинку кладут на столик микроскопа под объектив так, чтобы оба штриха пересекали оптическую ось прибора. Затем:

а) двигая тубус, добиваются четкого изображения видимого в микроскоп штриха, нанесенного на верхнюю поверхность пластинки. Записывают отсчет микрометрического винта микроскопа и считают его за нулевое деление (от этого нулевого деления производят дальнейшие отсчеты);

б) опускают тубус микроскопа до получения четкого изображения штриха на нижней поверхности пластинки. Новый отсчет микрометрического винта дает нам сразу кажущуюся толщину пластинки h.

Очевидно

мм,

где N – число полных оборотов барабана винта;

Z - - шаг винта;

50 – число делений в одном полном обороте барабана;

0,002 – цена одного деления барабана винта;

- число делений в неполном обороте барабана.

Как видно, за один полный оборот барабана микрометрического винта тубус микроскопа перемещается на Z = 0,1 мм.

3. Вычисляют показатель (коэффициент) преломления по формуле:

4. Измерение истинной и кажущейся толщины пластинки производят не менее трех раз; определяют среднее и истинное значение показателя преломления стекла.

Таблица

№ опыта	H, мм	Отсчет микрометричес-кого винта		мм	Показатель преломления
		N	m
1
2
3
Ср. знач.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте законы отражения и преломления света.

2. Что называется абсолютным показателем преломления? В чем его физический смысл?

3. Показать ход лучей в плоскопараллельной стеклянной пластине.

4. Вывести расчетную формулу для показателя преломления стекла.

5. В чем состоит явление полного отражения?

Литература

1. И.В. Савельев Курс общей физики т. 3.

2. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф Курс физики, т. 3.

3. А.С. Шубин Курс общей физики.

4. Р.А. Грабовский Курс физики.