fizpr

Зная частоту звукового сигнала ν и длину волны λ, можно

Порядок выполнения работы

1.Включить звуковой генератор в сеть. Вращая ручку «частота» установить одну из частот в интервале 800 – 2000 Гц.

2.Медленно перемещая поршень в трубке по всей ее длине, отметить его положения в момент резкого усиления звука. Определить по линейке расстояние ∆l между двумя ближайшими точками усиления звука. Результат записать в таблицу.

3.Повторить измерения п.2 еще для двух – трех значений частоты звукового сигнала (в том же диапазоне 800 – 2000 Гц).

4.Для каждого опыта вычислить длину звуковой волны по формуле (10) и скорость звука по формуле (11).

5.Найти среднее значение скорости звука, определить погрешность измерений. Результаты занести в таблицу.

6.В выводе выполнить анализ зависимости длины волны λ от частоты звукового сигнала ν и сравнить экспериментальное значение скорости звука с его табличным значением.

141

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Что такое волна? Какое основное свойство всех волн?

2.Перечислить виды волн. Что такое упругая волна?

3.Что такое поперечные и продольные волны? Почему в жидких и газообразных средах могут возникать только продольные волны?

4.Написать уравнение бегущей волны.

5.Что такое фазовая скорость, длина волны, волновое число? Как они связаны между собой?

6.Что такое звуковые волны? Может ли звук распространяться в вакууме? Почему?

142

7.Стоячие волны. Уравнение стоячей волны. Чем отличается стоячая волна от бегущей?

8.Чему равна амплитуда стоячей волны? Является ли она одинаковой для всех точек стоячей волны?

9.Что такое пучности и узлы стоячей волны? Как найти их координаты? С чем связано образование узла или пучности при отражении волны?

10.Что такое акустический резонанс и как он используется в данной работе?

143

5. ОПТИКА

Лабораторная работа № 501

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ

ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА

Цель работы: изучение законов геометрической оптики,

знакомство с рефрактометрическим методом исследования веществ,

определение зависимости показателя преломления от концентрации раствора.

Приборы и принадлежности: рефрактометр УРЛ, набор растворов сахара с известной концентрацией, раствор с неизвестной концентрацией сахара, дистиллированная вода.

Основные требования к теоретической подготовке: при

подготовке к лабораторной работе необходимо проработать разделы курса общей физики "Основные законы геометрической оптики", "Явление полного внутреннего отражения " и методические указания к данной работе.

Теория метода и описание установки

Законы геометрической оптики:

1) свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно (закон прямолинейного распространения);

2) отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в

144

точке падения; при этом угол отражения i' (рис. 1) равен углу

падения i (закон отражения света);

3)луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр,

проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; при этом отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред (закон преломления света)

где n1 и п2 - абсолютные показатели преломления первой и второй сред,

п21 - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Абсолютным показателем преломления среды называется отношение скорости распространения света с в вакууме к скорости распространения света υ в данной среде

Для вакуума и воздуха абсолютный показатель преломления

n=1.

Относительный показатель преломления второй среды относительно первой п21 показывает, во сколько раз скорость распространения света во второй среде ( V2 ) отличается от скорости распространения ( V1 ) в первой среде:

145

При изменении плотности среды изменяется скорость распространения света в ней и, следовательно, ее показатель преломления.

Среда 1 называется оптически более плотной, чем среда 2, если

п2 > п1, а V2 <. V1 .

Если луч света идет из оптически менее плотной среды в более плотную, то угол преломления r меньше угла падения i. Этому случаю соответствует рис.1,а .

Рисунок 1

Если луч света идет из оптически более плотной среды в менее плотную, то угол преломления r больше угла падения i. (рис.1,б).

146

Явления полного внутреннего отражения света.

Оно имеет место при переходе светового луча из оптически более плотной среды в менее плотную.

Пусть луч света выходит из стекла в воду (nст > nводы) под разными углами преломления r1<r 2 <r 3 (рис. 2).

Им соответствуют углы падения i1< i 2< i3. Луч 3 после преломления скользит по границе двух сред АВ, т.е. r3=900.

Рисунок 2.

Если угол падения будет больше угла i3, то луч света полностью отразится от границы АВ в стекло (луч 4 и 4'), причем

147

интенсивности отраженного и падающего лучей будут одинаковы. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения.

Предельным углом полного внутреннего отражения называется угол падения, при котором преломленный луч скользит по границе раздела двух сред (на рис. 2 iпр=i3). Его величину находят из соотношения (1):

Метод измерения показателя преломления раствора

с помощью рефрактометра.

Показатели преломления газообразных, жидких и твердых тел могут измеряться с большой точностью и являются важнейшими параметрами, характеризующими вещество. Зная показатель преломления среды, можно судить о структуре сложных молекул, устанавливать типы химической связи между их атомами, определять с большой точностью процентный состав газообразных и жидких смесей, измерять их плотности, изучать диффузию и другие явления, происходящие в различных средах.

Соответствующий раздел науки, занимающийся такого рода исследованиями, носит название рефрактометрии. В основе рефрактометрического метода исследования лежит формула ЛоренцЛорентца, связывающая показатель преломления п изотропного

148

вещества с числом молекул N в объеме вещества V и поляризуемостью его молекул α:

Формула (5) позволяет находить α по измерениям показателя преломления вещества п. Из нее следует, что для данного химического вещества при данной температуре и для света с заданной длиной волны (эти параметры определяют концентрацию N/V и поляризуемость) выполняется соотношение

где ρ - плотность вещества, пропорциональная концентрации молекул.

Величина R называется удельной рефракцией. Практически удельная рефракция не зависит от плотности вещества. Следовательно, изменение плотности вещества (например, концентрации раствора) влияет на величину его показателя преломления.

В данной работе для измерения показателя преломления растворов используют прибор рефрактометр УРЛ, принцип действия которого основан на явлении полного внутреннего отражения.

Основными элементами оптической схемы рефрактометра являются две призмы АВС и А'В'С' (рис. 3). Они изготавливаются из стекла сорта флинтгласа с большим показателем преломления (п =1,72).

149

Между призмами вводят несколько капель исследуемой жидкости, которая расплывается в тонкий (0,02 мм) слой при опускании верхней призмы на нижнюю.

C′

Рисунок 3.

Пучок света от осветителя, пройдя через грань А'С' осветительной призмы А'В'С', падает на ее матовую грань А'В', соприкасающуюся с жидкостью и рассеивающую свет в этой жидкости по всем направлениям. Часть рассеянных лучей падает на грань АВ второй, измерительной призмы АВС под различными углами. Наибольший возможный угол падения лучей 1,2,3 равен r= 90°. Ему соответствует угол преломления iпр - предельный угол полного внутреннего отражения, если бы угол inp был углом падения, а r - углом преломления для тех же двух сред. Это возможно по принципу

150