Измерение показателя преломления стекла – Лабораторные работа №4

Содержание

Лабораторная работа №3. «Измерение показателя преломления стекла»

«Мало знать — надо уметь применять»

Рене Декарт

В предыдущей теме говорилось о явлении преломления света, а также вывели один из основных законов распространения света: закон преломления.

Преломление — это изменение направления распространения света, возникающее на границе раздела двух прозрачных сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Закон преломления света гласит, что луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости. Отношение же синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, не зависящая от угла падения.

Как известно, любой постигнутый закон человек стремится использовать на практике.

Цель лабораторной работы:

наблюдение преломления света на границе раздела сред воздух — стекло, а также измерение показателя преломления стекла.

Оборудование: источник электропитания, лампа, ключ, соединительные провода, экран со щелью, плоскопараллельная стеклянная пластина в форме трапеции, лист бумаги, линейка и карандаш.

Перед выполнением лабораторной работы необходимо произвести небольшую подготовку.

Так как будет определяться показатель преломления стекла относительно воздуха, то закон преломления света будет иметь вид:

где a — это угол падения пучка света на грань пластинки, b — угол преломления светового пучка в стеклянной пластине.

Для того, чтобы определить отношение синусов, поступают следующим образом. В самом начале, пластину необходимо разместить на листе бумаги и с помощью карандаша обвести ее малую и большую грани. Затем, не смещая пластины, на ее малую грань необходимо направить узкий световой пучок под любым углом к грани. После этого, вдоль падающего на пластину и вышедшего из нее световых пучков, карандашом проставляются 4 точки.

Сняв пластину с листа бумаги, с помощью линейки прочерчивают входящий, преломленный и выходящий лучи. Затем, через точку раздела двух сред — воздух-стекло — опускается перпендикуляр к границе раздела и отмечаются углы падения и преломления. После этого, с помощью циркуля, рисуется окружность произвольного радиуса с центром в точке раздела двух сред воздух-стекло, и строятся два прямоугольных треугольника, например, ABE и CBD.

Тогда, исходя из определения синуса угла, можно записать, что

Длины отрезков АЕ и DC, стоящих в формуле, измеряют при помощи линейки с миллиметровыми делениями. Их значения подставляются в расчетную формулу и высчитывают показатель преломления стекла.

Если в кабинете не хватает оборудования, то можно воспользоваться булавками. Для этого нужно на стол положить кусок поролона, для того чтобы было удобнее воткнуть булавки, и накрыть его белым листом бумаги. Сверху, на него, положить плоскопараллельную стеклянную пластину и, как и в предыдущем случае, обвести карандашом ее малую и большую грани. Затем возле малой грани воткнем первую булавку, вторую булавку воткнем под некоторым углом к первой, но так, чтобы у нас был ярко выраженный угол падения. Наблюдая за двумя булавками через большую грань, найдем точку расположения третьей булавки, чтобы первая и вторая загораживали друг друга. Снимаем оборудование и с помощью линейки достраиваем падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к точке падения луча на пластину. Далее все делается точно так же, как и в выше описанном нами способе.

А теперь приступим непосредственно к работе.

Для удобства записей результатов измерений и вычислений составим следующую таблицу.

Ход выполнения работы:

1. Установите источник света на столе. В окно прибора вставьте рамку со щелью так, чтобы щель располагалась вертикально.

2. Соберите электрическую цепь, присоединив лампочку к источнику постоянного тока через выключатель. Замкните цепь и получите яркую, тонкую полосу света на бумаге — световой луч.

3. Наблюдайте явление преломления света при различных углах паления, а затем зафиксируйте ход лучей.

4. Выполните построения в соответствии с рисунком и измерьте длины отрезков АЕ и DC Результаты измерений занесите в таблицу.

5. По формуле рассчитайте значение показателя преломления стекла и занесите его в таблицу.

6. Проделайте данный эксперимент еще не менее двух раз, меняя угол падения луча на пластинку, не забывая заносить все полученные данные в таблицу.

7. После проделанной работы рассчитайте абсолютные погрешности измерения отрезков.

8. Далее вычислите относительную и абсолютную погрешности измерения показателя преломления стекла.

9. Сравните результаты, полученные по формулам, и сделайте вывод о зависимости или независимости показателя преломления от угла падения светового луча.

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит показатель преломления вещества?

2. В чем заключается явление полного отражения света на границе раздела двух сред?

3. Запишите формулу для вычисления скорости света в веществе с показателем преломления n.

Дополнительное задание:

Попробуйте, используя стеклянную пластинку, наблюдать явление полного отражения. Запишите, как вы осуществляли этот эксперимент.

videouroki.net

2.Явление преломления света. Лабораторная работа «Измерение показателя преломления стекла».

В однородной среде свет распространяется прямолинейно.

На границе раздела двух сред свет может частично отразиться, а частично пройти через границу раздела, преломиться.

Закон отражения света. Падающий луч, отражённый луч и перпендикуляр, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения (α = β).

Закон преломления света. Падающий луч, преломлённый луч и перпендикуляр, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.

, где

Если обозначить — скорость света в первой среде, а- скорость света во второй среде, то.

При переходе из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду угол преломления β оказывается больше угла падения α. И наоборот.

α₁>α_2,т.к. 1-я среда оптически менее плотная, чем 2-я среда.

Лабораторная работа«Измерение показателя преломления стекла».

Используем стеклянную пластину, экран со щелью, источник света, линейку, карандаш, циркуль. Может использоваться транспортир и таблицы Брадиса.

Направляем через щель световой луч на грань призмы. Луч испытывает двойное преломление как показано на рисунке.

Прочерчиваем входящий и выходящий лучи и призму.

Проводим перпендикуляр к 1-й границе раздела двух сред, отмечаем угол падения и угол преломления.

Далее показатель преломления второй среды относительно первой вычисляем по закону преломления:. Углы α и β можно измерить либо транспортиром, а затем найти синусы по таблицам Брадиса. Либо, используя знания из геометрии о соотношениях сторон в прямоугольных треугольниках, можно сразу найти Для этого сначала изображаем окружность произвольного радиуса с центром в точке падения. Отмечаем точки пересечения окружности с перпендикуляром (NиM) и с падающим (A) и преломлённым (B) лучами. По определению, синус – это отношение противолежащего катета к гипотенузе. Следовательно,sinα=иsinβ=. Так какАОиВО– радиусы окружности, то

3.Задача на определение индукции магнитного поля (по закону Ампера или формулы для расчёта силы Лоренца).

Билет № 11

1.Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.

Все тела в обычном состоянии не имеют заряда.

Чтобы тело получило заряд, его нужно наэлектризовать: отделить отрицательный заряд от связанного с ним положительного. Простейший способ электризации – трение.

При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.

Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным.

Электрический заряд– это физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Электрический заряд обозначается буквой q, измеряется в Кулонах (Кл).

Существует минимальный заряд, называемый элементарным, которым обладают все заряженные элементарные частицы.

Элементарный заряд равен

Полный заряд замкнутой системы остаётся постоянным:

закон сохранения заряда.

Существуют заряды двух знаков: положительный и отрицательный. Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются.

⊕⟶⟵

Закон Кулона. Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

где

studfiles.net

Лабораторная работа по физике «Определение показателя преломления стекла»(11 класс)

ИНСТРУКЦИОННАЯ КАРТА №16

Тема лабораторной работы: «Определение показателя преломления стекла».

Цель: 1. Наблюдать преломление света в реальных условиях.

2.Научиться использовать законы преломления для расчета показателя преломления.

Оборудование 1. Стеклянная пластинка. 2. Три иглы. 3.Транспортир. 4. Картон. 5. Таблица синусов.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Вставьте пропущенные слова в формулировку законов преломления света:

Отношение угла падения к синусу угла есть величина для двух данных сред.
Падающий луч, луч и нормаль к границе двух сред в точке падения лежат в плоскости.

Задание 2. Приведите примеры явления преломления в технике и обычной жизни.

Задание 3. Из предложенных вариантов выберите какой буквой обозначается показатель преломления:

2) n 3) N 4)

Задание 4. Ответьте на вопрос: в чем физический смысл преломления света?

Задание 5. Вспомните основные правила техники безопасности и обратите особое внимание, что необходимо:

1. Приступать к выполнению задания можно только после разрешения преподавателя.

2.После окончания работы следует привести в порядок рабочее место, сдать все приборы и принадлежности.

Задание 6. Опытным и расчетным путем определите показатель преломления стекла.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ

ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА

ШАГ 1. Положить развернутую тетрадь на картон. На лист тетради плашмя положить стеклянную пластинку и обвести карандашом ее контуры.

ШАГ 2. С одной стороны стеклянной пластинки вколоть две иглы так, чтобы одна из них расположилась на верхней грани пластинки, а вторая произвольно, но так, чтобы прямая, проходящая через эти иглы не совпадала с перпендикуляром к верхней грани.

ШАГ 3. Поднять картон на уровень глаз и, глядя через стекло, вколоть третью иглу в нижнюю грань контура стеклянной пластинки так, чтобы она закрыла собой изображение двух первых игл (смотри рисунок).

ШАГ 4. Стекло и иглы снять с листа, места проколов обозначить точками 1, 2 и 3. Через точки 1,2 и 3 провести прямые линии до пересечения с контурами стекла. Через точку 2 провести перпендикуляр к границе раздела двух сред: воздух – стекло.

ШАГ 5. Измерить угол падения и угол преломления. Значения синусов этих углов определить по таблице, округлив до сотых.

ШАГ 6. Опыт повторить еще два раз, меняя каждый раз угол падения луча .

ШАГ 7. Для каждого опыта вычислить показатель преломления по формуле:

;

ШАГ 8. Определить погрешность измерений методом средней арифметической.

ШАГ 9.Определите абсолютную погрешность:

ШАГ 10.Определите относительную погрешность:

100% =

Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

№

Угол падения

Угол преломления

Показатель преломления

Среднее значение показателя преломления

Абсолютная погрешность

Средняя абсолютная погрешность

Относительная погрешность

Град.

—

ШАГ 11. Сделайте вывод. Удалось ли вам определить показатель преломления стекла. Объясните почему.

ОЦЕНИТЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

При выполнении заданий 1-4

Задание № 1 1 балл

Задание № 2 1 балл

Задание № 3 1 балл

Задание № 4 1 балл

При выполнении задания № 6 — относительная погрешность

25% — 5 баллов

45% — 4 балла

70% — 3 балла

более 70% — 2 балла

Подведение итогов проводится путем суммирования деятельности студента

Оценка «5» – 9 баллов

«4» – 8 баллов

«3» – 7 баллов

«2» — 5 балла

Задание 7. Вспомните основные моменты занятия и определите по 5-балльной шкале следующие параметры:

Насколько вам было сложно выполнять данную лабораторную работу.
Насколько вам было интересно выполнять данную работу.
На какую оценку вы выполнили данную работу.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА «ОТЛИЧНО»:

1.Определить показатель преломления стекла, если при отражении от него света отраженный луч полностью поляризован при угле преломления φ=35°.

2. Угол падания равен 30 , угол между падающим лучом и преломленным 140 . В какой среде луч распространялся вначале: в оптически более плотной или менее плотной? Докажите.

infourok.ru

Измерение показателя преломления стекла. Лабораторная работа :: SYL.ru

Знание показателя преломления конкретного сорта стекла важно для его использования в качестве материала для оптических линз. В данной статье приведем лабораторную работу по измерению показателя преломления стекла, рассмотрев попутно все необходимые формулы.

Цель и задачи лабораторной работы

Лабораторная по измерению показателя преломления стекла преследует достижение следующей цели: научиться измерять характеристики преломления прозрачных материалов и обрабатывать полученные результаты.

В ходе выполнения работы должны быть решены следующие задачи:

Изучить теоретический материал.
Изучить экспериментальную установку и ее принцип работы.
Провести вычисления углов падения и преломления.
Определить критический угол.
Найти значение показателя преломления для стекла, обработав полученные результаты.
Сделать выводы по работе.

Теория явления преломления

Это явление заключается в изменении направления прямолинейного движения светового луча, когда он переходит из одной прозрачной среды в другую. Такая ситуация возникает, например, при пересечении светом границы вода — воздух или стекло — воздух.

Законы преломления интересовали человечество на протяжении всей его истории. Им занимались древние греки (Птолемей, I-II век н. э.), арабы в Средневековье (Ибн Сахль, X век), а также многие ученые в новое время (Гюйгенс, Ньютон, Декарт, Снелл). В настоящее время считается, что голландец Снелл впервые сформулировал закон преломления в современном виде, обобщив множество опытных данных.

Формула для явления преломления имеет следующий вид:

n₁*sin(θ₁) = n₂*sin(θ₂) = const.

Здесь θ₁ — угол относительно нормали к поверхности раздела сред, под которым луч падает на эту поверхность, θ₂ — угол относительно той же нормали для преломленного луча. Величины n₁, n₂ — показатели преломления сред 1 и 2 соответственно. Показатель n определяет, насколько сильно среда замедляет скорость движения света по отношению к таковой в вакууме, то есть:

n = c/v, c — скорость света в вакууме, v — в среде.

Критический угол

Закон Снелла демонстрирует, что угол падения будет больше, чем угол преломления, если 1-я среда является оптически менее плотной (n₁<n₂). Обратное утверждение также справедливо.

Когда луч движется в оптически более плотной среде и проходит через границу раздела сред в менее плотное прозрачное вещество, то существует такой угол, при котором преломленный луч будет двигаться вдоль разделяющей среды поверхности. Этот угол является критическим. Любые углы падения, которые больше него, приведут к тому, что никакая часть света не пройдет через границу раздела. Это явление называется внутренним полным отражением.

Учитывая закон Снелла и объяснения выше, для критического угла можно записать:

θ₁ = arcsin(n₂/n₁), где n₁>n₂.

Это явление используют в оптоволоконной оптике для передачи электромагнитной энергии на большие расстояния без потерь.

Экспериментальная установка

Определение показателя преломления стекла выполняют с помощью установки, которая изображена на рисунке ниже.

Цифры на фото означают следующее:

Градуированная линейка, на которой располагаются основные рабочие приборы установки.
Источник электрического питания.
Лампа, являющаяся источником света.
Собирающая линза с известным фокусным расстоянием (например, 10 см).
Кассета для диафрагм.
Диафрагма в виде решетки (диафрагмы используются для лучшей фокусировки светового пучка.).
Оптический градуированный диск.
Стеклянный объект, показатель преломления которого следует померить. Он имеет форму полуцилиндра, то есть три его поверхности являются плоскостями, а четвертая — цилиндрическая.
Оптическая призма (для данной лабораторной работы не используется).

Почему следует использовать стеклянный предмет именно в виде полуцилиндра, будет пояснено ниже.

Подготовка установки к работе

Принцип работы установки для экспериментального измерения показателя преломления стекла предельно прост: необходимо лишь сформировать узкий световой пучок, направить его параллельно оптическому диску через стеклянный полуцилиндр и, используя градуировку диска, измерить угол падения и угол преломления.

Подготовка к работе установки осуществляется последовательно:

Расположить источник света (лампу) на градуированной линейке в положении «0 см».
Корпус с собирающей линзой выставить по градуированной линейке в положение, равное фокусному расстоянию. В данном случае 10 см. Благодаря такому положению все лучи, которые испускает лампа, из линзы будут выходить параллельно градуированной линейке.
Включить источник питания и, регулируя положение диафрагм, добиться того, чтобы пучок света был максимально узким. Его толщина должна быть намного меньше наименьшего деления на оптическом диске.
Отрегулировать высоту положения оптического диска таким образом, чтобы луч света проходил над ним, практически касаясь его поверхности. Диск также следует отрегулировать относительно боковой оси так, чтобы луч проходил точно через его центр, то есть через один из диаметров.
На центр диска необходимо положить стеклянный полуцилиндр так, чтобы его боковая плоскость совпадала с одним из диаметров диска.

Установка готова к проведению эксперимента.

Проведение эксперимента

Работа лабораторная «Измерение показателя преломления стекла» состоит из двух этапов. Сначала проводят эксперимент для хода луча света из воздуха в стекло, а затем из стекла в воздух:

Из воздуха в стекло. Сначала необходимо повернуть оптический диск таким образом, чтобы пройдя через полуцилиндр, луч не преломился. Это положение будет соответствовать началу отсчета (0^o). После этого необходимо поворачивать на каждые 5^o диск и заносить в соответствующую таблицу данные: α и β — углы падения и преломления. Необходимо провести порядка 10-15 измерений. Положение полуцилиндра на диске можно посмотреть на рисунке ниже (а).
Из стекла в воздух. В этом случае диск с полуцилиндром следует повернуть на 180^o. При этом падающий луч сначала будет попадать на цилиндрическую поверхность. Поскольку он на нее падает вдоль радиуса (под углом 90^o), то никакого преломления на входе в стекло не происходит, а возникает оно лишь на выходе из него через плоскую поверхность. Эта ситуация изображена на рисунке ниже (b). Выбрав начало отсчета как в случае выше, следует поворачивать диск на каждые 5^o и проводить измерения углов.

Когда выполняется эксперимент «из стекла в воздух», то возникает при некотором угле падения луча ситуация, когда он не выходит через плоскую поверхность полуцилиндра. Этот угол является критическим.

Обработка результатов

Для каждой пары углов α и β следует рассчитать значение n_i для стекла. Делается это с помощью формул измерения показателя преломления стекла. Решение из закона Снелла следующее получаем:

Из воздуха в стекло: n_i = n_v*sin(α)/sin(β).
Из стекла в воздух: n_i = n_v*sin(β )/sin(α ).

Показатель преломления воздуха равен n_v = 1,00029.

Таким образом, получится ряд значений n (их число равно общему количеству проведенных измерений). Пусть это число составляет m. Теперь следует найти среднее значение для показателя преломления стекла n¯, а также дисперсию Δn (отклонение среднее квадратичное), показывающую точность проведенного эксперимента. Эти значения определяются по таким формулам:

n¯ = ∑_i=1^m(n_i)/m;
Δn = √(∑_i=1^m(n_i-n¯)²/m).

Конечный результат запишется в виде:

n¯±Δn.

Выводы по лабораторной работе

Проведя работу «Измерение показателя преломления стекла», выводы можно сделать следующие:

луч света испытывает преломление при переходе в другую среду;
критический угол возникает только в случае перехода света из стекла в воздух, но не наоборот;
для надежности полученного результата следует проводить несколько измерений (более 10), а затем представлять конечное значение в виде средней величины, указывая предел ее точности.

www.syl.ru

Лабораторная работа «Определение показателя преломления стекла» для первого курса СПО

ИНСТРУКЦИОННО -ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА

на выполнение лабораторной работы № 11

по учебной дисциплине: Физика

Тема: Волновая оптика

Наименование работы: Определение показателя преломления стекла

Цель занятия (чему научиться?): На основании законов преломления света определить показатель преломления среды.

Приобретаемые умения и навыки: умение самостоятельно проводить эксперимент и анализировать полученные результаты

Норма времени: 2 ч.

Оснащение рабочего места: пластинка с плоскопараллельными гранями, циркуль, иголки (3 шт.), масштабная линейка.

Основные правила ТБ на рабочем месте: «Инструкция по технике безопасности при выполнении лабораторных работ по физике» (При выполнении лабораторной работы ЗАПРЕЩАЕТСЯ применять приборы, не указанные в перечне оборудования, вставать со своих мест.)

Литература:

Пинский А.А., Граковский Г.Ю. Физика. – М.: Форум – Инфра –М, 2006, § 16.2-16.3
Руководство по проведению лабораторных работ по физике/Дондукова Р.А.-М.:Высш.шк., 1984

Контрольные вопросы при допуске

Что такое световой луч?
Как читаются законы отражения и преломления света?
Расскажите порядок выполнения работы.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Положите стеклянную пластинку на середину чистого листа бумаги и обведите карандашом ее границы.
За пластиной, по возможности дальше друг от друга, поставьте две иголки Е и F, так чтобы прямая, проходящая через них, не была перпендикулярна к границе пластинки, а иголка F стояла вплотную к грани АВ.
Иголку К поставьте перед пластинкой вплотную к ее грани так, чтобы смотря сквозь стекло грани иголка К казалась на одной прямой с иголками Е и F.
У
1. Линию Е F продолжите за точку Е, а линию FК продолжите за точку К не преломляя.
2. К границе АВ через точку F восстановите перпендикуляр.
3. Проведите окружность с центром в точке F, радиусом больше 5 см.
4. Из точки Р и Р₁_{на прямую МN опустите перпендикуляры.}
берите стеклянную пластинку и иголки. Проведите через точки Е и F и точки F и К прямые.

N P₁

Прямая РЕF является падающим лучом, прямая FКР₁ является преломленным лучом.

Угол i — угол падения, угол  — угол преломления.

9

. Показатель преломления определите по формуле:

Для этого из треугольника РQF найдите:

а из треугольника FP₁Q₁ найдите

Подставьте значения синусов в формулу показателя преломления:

Т
аким образом, измеряя длины отрезков РQ и Р₁Q₁ и деля их друг на друга, можно найти показатель преломления стекла.

10. Меняя угол падения, сделайте четыре разных построения.

11. Полученные данные занесите в таблицу измерений и расчетов.

12. Используя данные четырех опытов, найдите среднее значение показателя преломления:

1
3. Найдите для каждого опыта абсолютные ошибки по формулам:

n₁= n_{среднее}— n₁

n₂= n_{среднее}– n₂

n₃= n_{среднее}– n₃

n₄= n_{среднее}– n₄14.

Найдите среднюю абсолютную и относительную ошибки.

Таблица измерений и расчетов

№ опыта

РQ, мм

Р₁Q_1,мм

n_{среднее}

n

n_{среднее}

,%

Сделайте вывод.
Результаты опыта запишите в виде n= n_{среднее}± n_{среднее.}

Какова природа света?
Как идет луч в однородной среде или через среды, имеющие одну и ту же оптическую плотность?
Как идет луч, падающий на границу двух сред, имеющих разную оптическую плотность, если угол его падения равен нулю? Покажите на чертеже.
Физический смысл абсолютного и относительного показателей преломления вещества.

www.metod-kopilka.ru

Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ

«Оптика и атомная физика»

(сборник лабораторных работ)

Владикавказ 2002г.

Составители:

Проф. Созаев В.А.

Доц. Агаев В.В.

Доц. Чугуева З.И.

Доц. Метревели С.Г.

Доц. Старосельцева С.П.

Доц. Сочилина И.Н.

Ст.преп. Касумов Ю.Н.

Ст.преп. Айрапетова А.Т.

Ст.преп. Трегуб А.И.

Ст.преп. Фетисова В.М.

Асс. Манукянц А.Р.

Асс. Яблочкина Г.И.

Оглавление.

Лабораторная работа №3-1

Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа……………………………………………………….……………………..……4

Лабораторная работа № 3.4

Определение радиуса кривизны линзы с помощью колец Ньютона…..…..10

Лабораторная работа № 3.5

Определение длины световой волны при помощи дифракционной решетки………………………………………………..………………………………….18

Лабораторная работа № 3.6

Изучение поляризации света. Проверка закона Малюса………………………..25

Лабораторная работа № 3.7

Определение концентрации раствора сахара поляриметром………………….33

Лабораторная работа № 3.8

Определение постоянной Стефана-Больцмана при помощи оптического пирометра…………………………………………………………..…………….……..38

Лабораторная работа № 3.9

Изучение внешнего фотоэффекта………………………………………………..46

Лабораторная работа № 3.10

Изучение сериальных закономерностей в спектре излучения атомарного водорода и определение постоянной Ридберга ……………………………………..53

Лабораторная работа №3-1

Приборы и принадлежности: микроскоп с микрометрическим винтом,

измеряемые стеклянные пластинки со

штрихами на обеих поверхностях.

Краткая теория.

Опыт и теория показывают, что в различных прозрачных средах свет распространяется с различными скоростями, меньшими скорости света в вакууме.

Скорость распространения световых волн в среде по теории Максвелла определяется формулой.

где с — скорость света в вакууме,  -диэлектрическая проницаемость среды, -магнитная проницаемость среды.

Среда, во всех точках которой скорость распространения света одинакова, называется оптически однородной. В такой среде свет распространяется прямолинейно с постоянной скоростью. Если среда неоднородна, то в различных областях скорость света различна, а прямолинейность световых лучей нарушается.

Простейшей неоднородностью является плоская граница раздела двух разнородных сред (например, воздуха и стекла), в которых свет распространяется со скоростями, равными соответственно υ₁ и υ₂. На рис.1 показано, что луч 1, падающий из первой среды под углом i, на границе раздела раздваивается на отраженный луч 2, идущий в той же среде с той же скоростью υ₁, и преломленный луч 3, распространяющийся со скоростью υ₂ во второй среде (в стекле). Взаимное геометрическое положение этих лучей определяется соответствующими законами.

Законы отражения света.

Луч падающий, отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости.
Угол отражения равен углу падения: i^‘ = i

Законы отражения справедливы при обратном ходе световых лучей. т.е. луч, распространяющийся по пути отраженного, отражается по пути падающего (обратимость хода световых лучей).

Законы преломления света.

Луч падающий, преломленный и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости.
Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред

(1)

Величина n₂₁ называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

Падающий и преломленный лучи обратимы: если падающий луч пущен по пути преломленного, то преломленный луч пойдет по пути падающего.

Рассмотрим, исходя из волновой теории, явление преломления и отражение света на границе раздела двух различных однородных сред.

Согласно волновой теории , волны от источника света (источника колебаний) распространяются во всех направлениях . Поверхность , до которой одновременно доходят волны от данного источника колебаний, называется волновым фронтом.

Наряду с понятием волнового фронта применяется понятие светового луча. Световые лучи — это семейство прямых, нормальных к волновому фронту.

Форма волнового фронта зависит от формы источника колебаний и свойств среды. При точечном источникеS волновой фронт в однородной среде имеет форму сферы; лучи, являющиеся радиусами этой сферы, перпендикулярны волновому фронту (рис.2a).

Волны, образующие сферический волновой фронт, называются сферическими. Сферический волновой фронт в изотропной среде является вместе с тем волновой поверхностью, т.е. поверхностью, все точки которой колеблются в одинаковой фазе.

Если фронт волны представляет собой плоскость, то волна называется плоской.(рис.2б).

В неоднородной среде, где скорость волны различна в различных направлениях, волновой фронт имеет весьма сложную форму.

В основе волновой теории лежит принцип Гюйгенса:

всякая точка среды, которой достигает волновой фронт, сама становится источником вторичных световых волн;
вторичные волны взаимно гасятся во всех направлениях, кроме направления исходного фронта, поэтому их можно рассматривать как полусферы;
огибающая вторичных сферических волн будет новым фронтом волны.

Пусть волновой фронт в однородной среде занимает в данный момент времени положение1 (рис.3). Согласно Гюйгенсу, от каждой точки фронта 1 как из центра, начинает распространяться новая сферическая волна. Чтобы построить вторичные волны, вокруг каждой точки исходного фронта опишем сферы радиусом:

где υ — скорость волны, t -промежуток времени.

Построив огибающую, получим искомое положение нового волнового фронта 2.

Отражение и преломление света по Гюйгенсу.

Пусть на границу раздела двух сред с показателями преломленияn₁ и n₂ и скоростями распространения света υ₁ и υ₂ соответственно падает фронт плоской волны AB (рис.4). Угол падения лучей равен i Все точки границы раздела, до которых доходит волновой фронт, становятся по принципу Гюйгенса источниками новых сферических волн. Фронт волны прежде всего достигает точки А на границе раздела. Пока другой край фронта B дойдет до границы раздела сред в точке С, вокруг точки А образуется распространяющийся обратно в первую среду полусферический фронт радиуса:

AD=BC= υ₁t

Около промежуточных точек границы раздела возникнут полусферические волны меньшего радиуса. Плоскость СD образует фронт отраженной волны.

Рассмотрим прямоугольные треугольники ABC и АDС. Они имеют общую гипотенузу АС и равные катеты АD = BC. Следовательно, треугольники равны, тогда  BAC =  DСА. Но  BAC равен углу падения, а  DСА — углу отражения , т.е i = i^‘, следовательно, выполняется закон отражения световых волн.

Аналогичным способом выводится закон преломления световых волн при переходе из одной среды в другую . За то время , пока в первой среде край фронта B распространится от точки B до точки С , во второй среде вокруг точки А возникнет вторичная полусферическая волна радиуса AE= υ₂t. От всех остальных точек границы АС (кроме т.С) также распространяются вторичные полусферические волны, радиусы которых окажутся убывающими от точки А к точке С. Тогда касательная плоскость ЕС определит положение фронта преломленных волн.

отношение (2)

Из прямоугольного треугольника АЕС имеем:

, где r — угол преломления.

Из прямоугольного треугольника АВС имеем:

BC = ACsin i, где i— угол падения.

Тогда получим:

(3)

Отношение скоростей света для данных двух сред — величина постоянная. Соотношение (3) выражает закон преломления.

Сравнивая (3) с (1), получим:

Относительным показателем преломления n₂₁ второй среды относительно первой называется отношение скоростей света υ₁ и υ₂ соответственно в первой и во второй средах (физический смысл относительного показателя преломления).

Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным. Он равен:

(4)

где с— скорость света в вакууме, υ -скорость света в среде.

Абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде (в этом его физический смысл).

Путем простых преобразований относительный показатель преломления можно выразить через абсолютные показатели двух сред:

, (5)

Относительных показателей у вещества может быть несколько, (относительно разных веществ ), а абсолютный- один . В таблице приводятся абсолютные показатели .

Вещество

Показатель

преломления

Вещество

Показатель

преломления

воздух

вода

спирт этил.

1,003

1,333

1,362

стекло(крон)

стекло(флинт)

алмаз

1,515

1,752

2,420

Для определения показателей преломления веществ существуют различные методы. Одним из них является метод определения показателя преломления стекла с помощью микроскопа.

studfiles.net

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА

Цель работы: изучить явление преломления света на границе раздела двух прозрачных сред и оптические характеристики среды, изучить метод определения показателя преломления среды с помощью микроскопа, экспериментально определить показатель преломления стекла.

Приборы и принадлежности: микроскоп, микрометр, стеклянная пластина с взаимно перпендикулярными штрихами на обеих поверхностях.

Теория работы

При падении света на границу раздела двух прозрачных сред свет частично отражается и частично преломляется. Это обусловлено различием скоростей распространения света в разных средах. Оптической характеристикой среды является ее абсолютный показатель преломления, показывающий, во сколько раз скорость света с = 3×10⁸ м/с в вакууме больше скорости света u в среде:

. (1)

Величина абсолютного показателя преломления среды зависит от длины волны света, а также от природы и строения вещества, его агрегатного состояния, температуры, давления и др. Например, в видимом диапазоне длин волн абсолютные показатели преломления для большинства твердых и жидких прозрачных тел лежат в диапазоне n = 1,3 — 2,5, в рентгеновском практически для всех сред n » 1.

Относительным показателем преломления n₂₁ второй среды относительно первой называется отношение абсолютных показателей преломления n₂, n₁этих сред или фазовых скоростей u₁, u₂ света в них:

(2)

Если n₂₁ >1, то вторая среда является оптически более плотной, чем первая.

Так как показатель преломления воздуха в видимом диапазоне незначительно (в четвертом знаке после запятой) отличается от показателя преломления вакуума, то показатель преломления воздуха так же, как и вакуума, принимают равным единице, а измеренные относительно воздуха показатели преломления сред считают абсолютными. В высокоточных измерениях отличием показателя преломления воздуха от единицы пренебрегать нельзя.

При падении световой волны на идеально плоскую границу раздела двух различных оптически однородных сред выполняются законы отражения и преломления света (рис. 1).

Закон отражения света: луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности раздела сред в точке падения луча, и образованные ими углы падения a и отражения b равны по абсолютной величине.

Закон преломления света: луч, падающий на преломляющую поверхность, и

Рис. 1

луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности раздела в точке падения луча, при этом произведение показателя преломления первой среды на синус угла падения равно произведению показателя преломления второй среды на синус угла преломления: n₁ sin a = n₂ sin g. Отсюда следует, что отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

. (3)

Для определения показателя преломления прозрачных сред существуют различные методы. Одним из них является метод определения показателя преломления стекла при помощи микроскопа. В основе метода лежит явление кажущегося уменьшения толщины стеклянной плоскопараллельной пластинки вследствие преломления проходящих сквозь нее световых лучей.

Схема прохождения лучей света сквозь плоскопараллельную стеклянную пластинку дана на рис. 2.

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, преломляясь на нижней и верхней поверхностях пластинки, выходит из нее через точку О в направлении D. При выходе из пластинки луч ОD образует угол преломления a, больший, чем угол падения g, т. к. n₂ > n₁= 1. Таким образом, плоскопараллельная пластинка сдвигает падающий под углом к ней луч параллельно самому себе.

Рассматривая ход лучей 1 и 2 в обратном направлении, наблюдатель будет видеть точку пересечения лучей DО и СА не в точке А, а в точке Е, т.е. толщина пластинки будет казаться наблюдателю равной СЕ = h, потому что попадающий в глаз наблюдателя расходящийся световой пучок лучей СA и DO при прямолинейном распространении должен исходить из мнимой точки Е, а не из реальной точки А.

Из рис. 2 видно, что кажущаяся толщина пластинки h меньше истинной Н, т.е. действительной ее толщины СА = Н. Для лучей, близких к нормально падающим лучам, углы падения и преломления малы. В этом случае синусы можно заменить тангенсами и закон преломления света для рассмотренного обратного хода лучей от D к А можно представить в виде:

Из рис. 2 имеем: ; , и после соответствующих преобразований получим: . (4)

Следовательно, показатель преломления n стекла можно найти из отношения истинной толщины Н стеклянной пластинки к кажущейся ее толщине h.

Истинная толщина пластинки определяется с помощью микрометра, кажущаяся – с помощью микроскопа.

Микроскоп представляет собой оптический прибор, предназначенный для получения сильно увеличенных изображений мелких объектов. Простейшая оптическая схема микроскопа состоит из объектива и окуляра, которые совместно формируют изображение объекта. Объектив и окуляр находятся в тубусе микроскопа, который может сильно перемещаться при вращении винта грубой наводки и очень слабо – при вращении микрометрического винта. Перемещение тубуса с помощью микрометрического винта определяется с точностью до тысячных долей мм.

Порядок выполнения работы

1. Измерить микрометром истинную толщину стеклянной пластинки Н в том месте,

где штрихи, нанесенные на противоположных сторонах пластинки, образуют перекрестие.

2. Определить кажущуюся толщину стеклянной пластинки h, для чего пластинку

кладут на столик микроскопа под объектив так, чтобы перекрестие штрихов алрллежало на оптической оси прибора.

Затем:

а) микрометрическим винтом опустить тубус микроскопа в предельное нижнее по-

ложение и установить на нулевое деление. Глядя в окуляр и перемещая тубус мик-

роскопа винтом грубой наводки, добиться четкого изображения штриха, нанесенно-

го на нижнюю поверхность пластинки;

б) поднимая тубус микроскопа микрометрическим винтом и считая число полных

оборотов, получить четкое изображение штриха на верхней поверхности пластинки. Очевидно, что h = (Nz + 0,002m), где N — число полных оборотов микрометрическо-

го винта; 0,002 мм – цена одного деления микрометрического винта; m – число делений в неполном обороте микрометрического винта; z – шаг винта микроскопа.

За один полный оборот микрометрического винта тубус микроскопа переме-

щается на шаг винта z = 0,002× 50 = 0,1 мм. Один полный оборот винта соответствует 50 делениям.

3. Вычислить показатель преломления стекла по формуле (4).

4. Результаты занести в таблицу измерений и результатов расчетов. Рассчитать аб-

солютную и относительную погрешности измерений n.

5. Измерение истинной и кажущейся толщины стеклянной пластинки произвести не

менее пяти раз.

Таблица измерений и результатов расчетов

№	H, мм	N	m	h, мм	n	<n>	Dn	<Dn>	d_n , %

Контрольные вопросы

1. Дать определение абсолютного и относительного показателей преломления среды.

2. Сформулировать законы отражения и преломления света.

3. Начертить и объяснить ход лучей света в плоскопараллельной прозрачной пластинке.

4. От чего зависит величина смещения светового луча, падающего под углом к поверхности пластинки?

5. Устройство микроскопа, оптическая схема и ход лучей в микроскопе.

6. Рассказать о способе определения коэффициента преломления стекла с помощью микроскопа.

7. Вывести рабочую формулу для определения показателя преломления стекла.

Литература

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 21, § 165.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 2, часть 3, гл. XVI,

§ 110, 112.

3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 45.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4–04

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ И ПОКАЗАТЕЛЯ

ПРЕЛОМЛЕНИЯ РАСТВОРОВ САХАРА РЕФРАКТОМЕТРОМ

Цель работы: изучить явление полного внутреннего отражения, изучить конструкцию рефрактометра и методику работы с ним, определить концентрацию и показатель преломления раствора сахара с помощью рефрактометра.

Приборы и принадлежности: рефрактометр, дистиллированная вода, исследуемые растворы.

Теория работы

Абсолютным показателем преломления n среды называется физическая величина, показывающая, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в данной среде: , где с — скорость света в вакууме; u — фазовая скорость света в среде. Относительным показателем преломления n₂₁ второй среды относительно первой называется отношение фазовых скоростей света u₁ и u₂ в первой и второй среде соответственно (или абсолютных показателей преломления n₂, n₁этих сред):

В соответствии с законом преломления (законом Снеллиуса) на границе раздела сред относительный показатель преломления , где a – угол падения в вакууме; g — угол преломления.

Для измерения показателя преломления света в твердых, жидких и газообразных средах применяется прибор, называемый рефрактометром. Определение показателя преломления жидких сред и концентрации растворов рефрактометром основано на явлении полного внутреннего отражения света.

Полное внутреннее отражение имеет место при переходе светового луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. Рассмотрим это явление подробнее. Пусть свет от источника S падает из среды 2, оптически более плотной, в среду 1, оптически менее плотную (n₂ > n₁), например, из воды в воздух

(рис. 1), причем a₁, a₂, a_пр– углы падения, g₁, g₂ , g _пр– углы преломления,

Рис. 1

и по закону преломления a _i<g _i,где i = 1, 2.

Легко видеть, что с увеличением угла падения a_i будет увеличиваться и угол преломления g_i. Принекотором угле падения a_пругол преломления g _пр станет равным 90⁰, т. е. преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред, не входя в первую среду.

Угол a_пр, соответствующий углу преломления g _пр= 90⁰, получил название предельного угла падения. При падении света из более плотной среды 2 в менее плотную среду 1 под углом a^¢ > a_пр свет полностью отражается назад во вторую среду по закону отражения, как, например, отразится луч L (рис. 1). Явление, при котором лучи, падающие из более плотной среды, полностью отражаются от границы раздела с менее плотной средой, называется полным внутренним отражением.

При падении луча на границу раздела сред 2–1 при n₂ > n₁ согласно закону преломления

, (1)

откуда sin a_пр = n₁₂. На границе среда – вакуум

, (2)

т. к. n₁ = 1, n₂ = n.

Исходя из соотношения (2), по измеренному предельному углу a_пр можно определить относительный показатель преломления одной среды относительно другой, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления другой среды известен. Для этой цели и используется рефрактометр.

Внешний вид рефрактометра, применяемого в настоящей работе, показан на рис. 2, а его оптическая схема — на рис. 3.

Рис. 2 Рис. 3

Из рис. 3 видно, что основной частью рефрактометра являются две призмы М и D, изготовленные из стекла с большим показателем преломления n = 1,72. Призма D жестко закреплена на корпусе прибора, призма М может перемещаться относительно призмы D. Между ними вводится тонкий слой жидкости, показатель преломления которой меньше, чем у материала призм.

Верхняя призма М рефрактометра является осветительной, так как она предназначена для рассеивания света во все стороны, нижняя D – измерительной. Результат преломления световых лучей в рефрактометре показан на рис. 3 для двух случаев:

а) между призмами находится жидкость с показателем преломления, максимально отличающимся от показателя преломления призм;

б) между призмами находится жидкость с показателем преломления, близким к показателю преломления призм.

Рядом с ходом лучей на рис. 3 показан вид границы светотени в поле зрения окуляра рефрактометра. Положение границы светотени показывает, что чем больше разница в показателях преломления стекла призм и жидкости, тем меньше будет предельный угол полного внутреннего отражения и тем, следовательно, меньше лучей попадает в окуляр, и наоборот: чем меньше указанная разность, тем больше лучей попадает в окуляр. Итак, положение границы светотени на шкале в поле зрения окуляра рефрактометра будет зависеть от показателя преломления жидкости и концентрации ее раствора.

Порядок выполнения работы

1. Поднять осветительную призму М и проверить чистоту обеих поверхностей

призм М и D, в случае загрязнения протереть их сухой мягкой суконкой.

2. На середину полированной поверхности призмы D стеклянной палочкой нанес-

ти 2 – 3 капли дистиллированной воды. После этого призму М опустить на призму D.

3. Глядя в окуляр О рефрактометра, добиться четкого изображения измерительной

шкалы вращением оправы рефрактометра.

4. Вращая рукоятку компенсатора К, убрать окраску границы светотени.

5. Определить положение границы светотени для дистиллированной воды.

Для этого перемещением рукоятки Р рефрактометра совместить три штриха, наблюдаемые в поле зрения окуляра О, с границей светотени. Произвести отсчет положения границы светотени по шкале Ш концентрации (в %) и показателя преломления n. При правильной установке прибора граница светотени при 20⁰ С должна совместиться с нулевым делением шкалы концентрации сухих веществ и делением n =1,33299 шкалы показателей преломления.

6. Протерев чистой мягкой тряпочкой поверхности призм, нанести на середину

призмы D 2 – 3 капли первого исследуемого раствора и вновь соединить призмы. Получив четкую границу светотени согласно п. 5, произвести отсчет концентрации и показателя преломления по шкале. Опыт повторить три раза.

7. Аналогично определить показатели преломления и концентрации других иссле-

дуемых растворов.

Таблица измерений и результатов расчетов