Лабораторный практикум по физике оптика

Порядок выполнение работы

1.Под объектив микроскопа помещается стеклянная пластинка с меткой. Метка должна быть сверху.

2.Получив резкое изображение этой метки, замечают положение тубуса микроскопа по индикатору (а).

3.Измеряют толщину стеклянной пластинки микрометром

(d).

4.Помещают пластинку под микроскоп (меткой вниз), снова получают резкое изображение метки и отмечают положение тубуса микроскопа по индикатору (b). Разность отсчета по индикатору равна

h = a − b.

5. Показатель преломления стекла вычисляется по формуле:

n = d /h .

6.Измерения произведите три раза, данные занесите в таблицу.

7.Найдите среднее значение показателя преломления n .

Контрольные вопросы

1.Сформулировать закон преломления света.

2.Построить ход лучей в стеклянной пластинке.

3.Построить ход лучей в микроскопе.

4.Как определяется увеличение микроскопа?

5.Почему при рассматривании в микроскоп поверхность стеклянной пластины не видно, а штрих на ней видно?

6.Что такое абсолютный и относительный показатели преломления?

7.Как связан показатель преломления среды со скоростью света в ней?

8.Правила безопасной работы с оптическими приборами.

30

Лабораторная работа № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ РЕФРАКТОМЕТРА

Цель работы

Изучить явление полного внутреннего отражения, ознакомиться с принципом действия лабораторного рефрактометра, определить показатель преломления и поляризуемость некоторых жидкостей.

Основы теории

Измерение показателя преломления (рефрактометрия) позволяет производить физико–химические исследования растворов, масел, отождествлять различные органические жидкости и т.д. Достоинствами рефрактометрии являются быстрота и точность измерений при малом расходе вещества (дветри капли).

При переходе из одной среды в другую световой луч изменяет своё направление – преломляется (рис. 1). Преломление

относительным показателем преломления второй (2) среды по отношению к первой (1), то есть

31

Среда, в которой распространяется свет, считается первой, в которую преломляется – второй.

Абсолютным показателем преломления среды называется её относительный показатель преломления по отношению к вакууму.

Между относительным и абсолютным показателями преломления существует связь

Показатели преломления различных веществ связаны со скоростью распространения света в этих веществах. Так, абсолютный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в данном веществе меньше, чем в вакууме, то есть

n = υc ,

где c – скорость света в вакууме, равная 3∙108 м/с, υ - скорость света в данном веществе. Очевидно, показатель преломления любой среды больше единицы, так как скорость света в веществе меньше, чем в вакууме. Относительный показатель преломления равен отношению скоростей света в данных веществах, то есть

Вещества, у которых абсолютный показатель преломления больше, чем у других, называются оптически более плотными. При переходе из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную луч приближается к перпендикуляру (

sini/sinr = n2 /n1 > 1;sini > sinr;i > r ). И наоборот, при

переходе из среды оптически более плотной в среду оптически

определенном условии может наблюдаться явление полного внутреннего отражения.

32

Увеличивая угол падения (рис. 2), можно при некотором предельном его значении i0 получить для угла преломления r

величину 90°, то есть преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела двух сред. При углах падения, больших

предельного (i > i0), преломленного луча не будет, и весь свет

отразится от границы раздела в оптически более плотную среду. Такое явление называется полным внутренним отражением.

Рис. 2

Когда угол падения становится равным предельному углу, по закону преломления

относительному показателю преломления оптически менее плотной среды по отношению к оптически более плотной.

Если угол падения i в оптически менее плотной среде возрастает до π /2 (рис. 3), то угол преломления всегда остается

меньше некоторого предельного угла r0 < π /2. Лучи не могут

войти в оптически более плотную среду под углом, большим предельного угла преломления. По закону преломления

33

откуда

Рис. 3

Согласно формуле (6), величина предельного угла зависит от соотношения показателей преломления двух сред. Зная

показатель преломления одной из них n2 и, измерив предельный угол преломления r0 , можно определить показатель преломления

другой среды n1.

Различные вещества имеют разные показатели преломления, поскольку распространение света в прозрачном диэлектрике связано со свойствами молекул, а именно с их поляризуемостью под действием электромагнитной волны. Физический механизм поляризуемости сводится к способности положительных и отрицательных зарядов смещаться относительно друг друга под действием внешнего электрического поля. При этом в колебательном движении под действием световой волны принимают участие электронные оболочки и ядра атомов, которые в соответствии со структурой вещества и силами

34

взаимодействия имеют собственные частоты колебаний, расположенные в той или иной области спектра.

Согласно электронной теории поляризации диэлектриков,

(формула Клаузиуса – Мосотти).

Здесь P – молекулярная поляризация;

ε– диэлектрическая проницаемость;

μ– молярная масса;

ρ– плотность вещества;

NA – число Авогадро, равное 6,02∙1023 1/моль;

β – поляризуемость молекулы, характеризующая

способность электрических зарядов в молекуле к смещению под действием поля.

Из электромагнитной теории света Максвелла следует, что ε = n2 . Подставляя в формулу Клаузиуса – Мосотти вместо диэлектрической проницаемости n2 , получим формулу Лоренца – Лорентца

(8)

где n - показатель преломления.

Для неполярных (бездипольных) веществ формулы (7) и (8) эквивалентны друг другу. В случае же веществ, молекулы

которых обладают постоянным дипольным моментом P0 , имеет

показывающее, что поляризуемость не исчерпывается смещением электрических зарядов. Причиной этому является ориентация диполей в приложенном электрическом поле. Дебай, используя классическую теорию парамагнетизма Ланжевена, показал, что

35

связь между дипольным моментом P0 и поляризуемостью может быть выражена соотношением

Отметим, что, как и в случае неполярных веществ, электронную поляризацию полярных диэлектриков (например, воды) можно приравнять к молекулярной рефракции и вычислить по формуле Лоренца – Лорентца

деформационную составляющую поляризуемости молекулы, так как за время светового колебания диполи не успевают ориентироваться в поле световой волны.

Выразив β Д из формулы (11) получим

Тогда для P0 в формуле (12) окончательно получим

Здесь ε – диэлектрическая проницаемость вещества;

μ– молярная масса вещества;

ρ– плотность вещества;

NA – число Авогадро, равное 6,02∙1023 1/моль;

ε0 - электрическая постоянная;

k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура.

36

Экспериментальная часть

Описание установки

Оптическая схема рефрактометра изображена на рис. 4.

Рис. 4

Основной частью рефрактометра являются измерительная головка, состоящая из двух призм: осветительной 4, имеющей матовую грань AB, и измерительной 5 с полированной гранью

CД . Между поверхностями AB и CД заключена исследуемая

жидкость. Свет от источника 1 и конденсора 2,3 проходит через осветительную призму и рассеивается матовой поверхностью по всем направлениям. Если слой жидкости достаточно тонок, то на полированную грань измерительной призмы попадут лучи со всевозможными углами падения вплоть до π /2. Показатель

преломления измерительной призмы n2D точно известен. Для

37

где n1D – показатель преломления исследуемой жидкости. Из равенства (14) видно, что

Практически измеряют не r0 , а β 0 – предельный угол

выхода луча из измерительной призмы в воздух. Тогда получается более сложная зависимость

где α – преломляющий угол измерительной призмы.

Измерение угла β 0 производят с помощью зрительной

трубы, состоящей из объектива 8 и окуляра 11 и 12. Пусть оптическая ось трубы совпадает с направлением лучей,

выходящих из измерительной призмы под углом β 0 . Тогда эти

лучи (они предварительно проходят через призмы прямого зрения 6 и отражательную призму 7) соберутся в фокальной плоскости объектива на его оптической оси. Лучи, идущие под меньшими углами, соберутся в нижней части фокальной плоскости. Так как лучей, выходящих под углом, большим предельного, не существует, то верхняя часть поля зрения остаётся тёмной, а нижняя – светлой. Границей света и тени являются предельные лучи.

Для фиксации положения границы света и тени относительно неподвижной шкалы 10 зрительная труба вращается относительно оси O. Через окуляр 11 зрительной трубы наблюдаются: граница света и тени, перекрестие сетки 9 и шкала. Шкала рассчитана на основании формулы предельного преломления (9) и расчета хода предельных лучей, вышедших из измерительной призмы.

Для компенсации дисперсии вышедших из измерительной призмы лучей в зрительной трубе установлены две призмы прямого зрения, вращающиеся относительно её оси. Путем вращения призмы устанавливают в такое положение, при котором граница света и тени не имеет спектральной окраски. Отсчет по шкале производится в положении пересечения границей светотени центра перекрестия сетки. Шкала прибора даёт непосредственно значение абсолютного показателя преломления, и никаких вычислений производить не требуется.

Порядок выполнения работы

38

1. Подготовить прибор ИРФ - 22 (рис. 5).

Рис. 5

2.Открыть камеру К, промыть дистиллированной водой поверхность измерительной и осветительной призмы и насухо вытереть чистой льняной салфеткой.

3.Оплавленным концом стеклянной палочки нанести на плоскость измерительной призмы одну – две капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю камеру.

4.Перемещением рукоятки с окуляром Р (внутри прибора вместе с рукояткой перемещается механизм наведения) вдоль шкалы вверх и вниз ввести в поле зрения границу света и тени.

5.Вращением рукоятки дисперсионного компенсатора Д устранить окрашенность границы света и тени.

6.Подвести, перемещая рукоятку, границу света и тени к центру перекрестия и по шкале в окуляре снять показания

показателя преломления nD .

7.По окончании измерений поверхности измерительной и осветительной призм протереть салфеткой и просушить.

8.Используя табличные значения диэлектрических

проницаемостей, по формуле (13) найти дипольный момент P0 молекулы воды.

39