1

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 62

по курсу общей физики

Уфа 2000

Министерство образования Российской Федерации

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Методические указания

к лабораторной работе № 62

по курсу общей физики

Уфа 2000

УДК 535.32.07

Составитель: Э. В. Сагитова

Определение показателей преломления жидких и твердых тел: Методические указания к лабораторной работе №62 по разделу «Оптика» /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Cост.: Э. В. Сагитова. - Уфа, 2000, - 14 c.

Приведены краткая теория и методы измерения показателя преломления жидких и твердых тел.

Предназначены для студентов, изучающих курс общей физики.

Табл. 1. Ил. 7., Библиогр. : 3 назв.

Рецензенты: А. С. Краузе

Э. З. Якупов

Содержание

стр

1 Цель работы 4

2 Теоретическая часть 4

2.1 Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа 7

2.2Определение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра 8

3 Экспериментальная часть 9

3.1 Установка для измерения показателя преломления стеклянной пластинки 9

3.2 Выполнение работы 10

3.3Установка для определения показателя преломления жидкостей и порядок выполнения работы 11

4 Требования к отчету 12

5 Контрольные вопросы 13

Список литературы 13

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 62

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ

ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ

1 Цель работы

Целью данной работы является определение показателей преломления жидких и твердых тел.

2 Теоретическая часть

Показатель преломления является одной из физических характеристик вещества, изучение которой дает возможность определять структуру сложных молекул, судить о типах химической связи между атомами, с высокой степенью точности устанавливать процентный состав газообразных и жидких смесей, измерять их плотности, исследовать диффузию и другие явления.

При переходе луча света через границу раздела двух сред с различными оптическими свойствами, происходит изменение направления его распространения в случае наклонного падения. Луч частично проходит во вторую среду, частично возвращается в первую. Атомы и молекулы любого вещества в целом электрически нейтральны и содержат электроны и положительно заряженные ядра. Под действием поля световой волны эти заряды начинают совершать вынужденное колебательное движение и сами становятся источниками вторичных электромагнитных волн. Эти волны когерентны, поскольку они возбуждаются одной и той же падающей волной и распространяются со скоростью света с в вакууме. Их интерференция между собой и с падающей волной определяет результирующее электромагнитное поле в веществе, которое и вызывает вынужденное движение входящих в состав вещества зарядов. Результирующее вторичное возмущение распространяется в веществе со скоростью<с .

Появление преломленной и отраженной световых волн на границе раздела двух сред обусловлено изменением фазовой скорости волны в среде по сравнению со скоростью света в вакууме.

Зависимость напряженности электрического поля плоской монохроматической волны от координат и времени может быть записана в виде:

, (2.1)

где (Е_о)амплитуда напряженности поля волны;

волновой вектор, перпендикулярный поверхностям постоянной фазы и характеризующий распространение волны.

Его модуль | | =2/=/,

где длина волны, ωциклическая частота.

Напряженности электрического поля отраженной и преломленной плоских волн имеют вид, аналогичный (2.1). Волновой вектор в падающей (пд), отраженной (отр.) и преломленный (пр) волнах связан со скоростью распространения в средах соотношениями

k_пд =_пд/₁

k_отр =_отр/₁

k_пр =_пр/₂,

где ₁и₂скорости распространения волн в первой и во второй средах.

Исходя из граничных условий для векторов индукции инапряжённости электрического и магнитного полей волны, имеющих вид

D_2п= D_1п; В_2п= В_1п

Е_2= Е_1; Н_2= Н_1 (2.2)

можно доказать, что частота электромагнитной волны при отражении и преломлении не изменяется

_пр=_отр=_пд,

а законы отражения и преломления получаются как следствие этих граничных условий.

Из электромагнитной теории Максвелла следует, что фазовая скорость электромагнитных волн

(2.3)

Для большинства прозрачных неферромагнитных сред 1, поэтому фазовая скорость в данной среде зависит от диэлектрической проницаемости среды. Введя характеристику оптических свойств вещества показатель преломления , можно фазовую скорость электромагнитной волны (3) выразить

(2.4)

и показатель преломления охарактеризовать как физическую величину, определяемую отношением скорости распространения света в первой и во второй средах.

В вакууме = 1 и= с, аn= 1.

Физическая величина, определяемая отношением скорости света в вакууме к его скорости в веществе, называется абсолютным показателем преломления вещества

(2.5)

Величина, определяемая отношением абсолютных показателей преломления второй среды относительно первой, называется относительным показателем преломления

. (2.6)

Показатель преломления зависит от длины волны и температуры среды, а для газов и от давления.

Среда с большим показателем преломления называется оптически более плотной.

На рисунках 2.1 и 2.2 показан ход лучей при n₂>n₁иn₂<n₁.

Рисунок 2.1	Рисунок 2.2

По закону преломления света падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр к границе раздела сред, опущенный в точку падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения iк синусу угла преломленияrявляется величиной постоянной для данных двух сред равной относительному показателю преломленияn₂₁второй среды по отношению к первой

. (2.7)

Эта величина, постоянная при данной температуре, данной плотности сред и для лучей определенной длины волны, не зависит от углов падения и преломления и зависит лишь от свойств соприкасающихся сред.

При прохождении луча из среды оптически более плотной в менее плотную (рисунок 2.1), при некотором угле падения iугол преломления становится равным/2, то есть преломленный луч начинает скользить по поверхности раздела сред. При дальнейшем увеличении угла паденияiлуч уже не выходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, а испытывает отражение от границы раздела сред, без потерь возвращаясь в среду более плотную. Это явление называется полным внутренним отражением

sin i_пр=n₂₁ . (2.8)

Такое явление используют в сложных оптических системах, применяя призмы полного внутреннего отражения вместо зеркал, имеющих потери 1015% на каждой отражающей поверхности в результате поглощения света отражающим слоем, в светодиодах, в волоконной оптике. Известно много методов определения показателей преломления твёрдых, жидких и газообразных тел. В данной работе показатель преломления стекла определяется с помощью микроскопа, а жидкости – с помощью рефрактометра.