Краткая теория вопроса

Исследование зависимости показателя

Преломления воздуха от давления

Исследование зависимости показателя

Преломления воздуха от давления

Цель работы: Изучить устройство интерферометра Жамена, исследовать зависимость показателя преломления газа от давления, определить поляризуемость молекул воздуха.

Описание установки: Установка состоит из интерферометра 1, U-образного водяного манометра 2, компрессора в виде резиновой груши в корпусе 3, предназначенного для изменения давления в одной кювете интерферометра., блока питания 4 светодиода [см. фото).

 
  Краткая теория вопроса - student2.ru

Краткая теория вопроса

 
  Краткая теория вопроса - student2.ru

Интерферометр построен по схеме Жамена, основные детали которой изображены на рисунке 2.

Основные его детали — две идентичные плоскопараллельные стеклянные пластинки толщиной h и показателем преломления п. При падении света на первую пластинку часть лучей отразится от передней грани пластинки (луч 1), а часть, преломившись, отразится от задней грани (луч 2). Таким образом, из первой пластинки выйдут два пучка, идущих на некотором расстоянии друг от друга. Каждый пучок, попадая на вторую пластинку, опять раздвоится, а из второй уже выйдут четыре пучка, но так, что второй и третий наложатся друг на друга (пучки 1 и 4 не используются). Разность хода этих лучей

Краткая теория вопроса - student2.ru , (1)

где i -угол падения лучей на первую пластинку; r1 и r2 - углы преломления лучей в первой и второй пластинках.

Пластинки обычно составляют между собой малый угол g; для угла падения лучей на первую пластинку i ≈ 45° и n = 1,5 можно вывести

Краткая теория вопроса - student2.ru . (2)

Если освещать первую пластинку параллельным пучком, то для всех лучей i одинаковы и, следовательно, Краткая теория вопроса - student2.ru тоже одинаковы. При наблюдении со стороны второй пластинки мы увидим равномерно освещенное поле, цвет и яркость которого зависит от i и l. При освещении расходящимся пучком лучей, исходящих из щелевого источника, для разных лучей будет разное D, т.к. D зависит от i. В фокальной плоскости линзы, поставленной после второй пластинки, мы увидим интерференционные полосы равного наклона, имеющие форму слегка искривленных прямых линий. Условия максимумов будут выполняться для тех углов i, для которых

Краткая теория вопроса - student2.ru . (3)

Поставим на пути лучей 1 и 2 две одинаковые кюветы k1 и k2 длиной d, заполненные воздухом, и будем наблюдать за полосой нулевого порядка. Если в одной из кювет изменить показатель преломления на дп, то оптическая длина пути этих лучей изменится на d=дп, а вся интерференционная картина сместится на N полос. Там, где была полоса 0-го порядка, окажется полоса т-го порядка, причем

Краткая теория вопроса - student2.ru . (4)

Число полос N, на которое сместится интерференционная картина, равна порядку интерференционной полосы т, которая окажется на месте полосы нулевого порядка, т.е.

Краткая теория вопроса - student2.ru .

Отсюда

Краткая теория вопроса - student2.ru .(5)

Итак, для измерения изменения показателя преломления дп среды в одной из кювет (например, при изменении давления), необходимо измерить, на сколько полос N сместится при этом интерференционная картина. Причем N может быть не обязательно целым.

В нашей установке используется одна из модификаций шахтного интерферометра ШИ-11 предназначенного для измерения концентрации метана в воздухе шахты (повышение концентрации метана приводит к взрывам). Поэтому в поле зрения окуляра видна шкала концентрации СН4. При повышении концентрации СН4 в воздухе, который прокачивается через одну из кювет, максимум нулевого порядка (он не имеет окраски) и вся картина смещается, причем величина смещения пропорциональна изменению дп в этой кювете по сравнению с эталонной, а, следовательно, пропорциональна концентрации СН4. В используемом нами интерферометре его лампочка накаливания заменена на светодиод, который излучает квазимонохроматический свет с lтах=630 нм. Это приводит к монохромной интерференционной картине в виде красных (максимумы) и черных (минимумы) вертикальных полос.

Источник света включается при нажатии кнопки И (см. фото). Если кнопку отпустить - светодиод гаснет.

Трубки П1 и П2 соединяют вторую, измерительную кювету, в которой можно изменять давление, с компрессором и манометром. Если ручка интерферометра направлена вправо - кран открыт, измерительная кювета соединена с компрессором.

Изменение давления воздуха в измерительной кювете интерферометра производится путем сжимания резиновой груши, которая находится в корпусе 2 компрессора. На выходном патрубке его находится еще один кран, который в закрытом положении (его винт вкручен до упора) соединяет грушу с кюветой интерферометра, в открытом (его винт повернут вправо) - с воздухом. При вкручивании винта на крышке корпуса внутри компрессора перемещается поршень, который сдавливает грушу. Давление в кювете интерферометра при этом увеличивается. Для уменьшения давления внутри измерительной кюветы ниже атмосферного, необходимо на несколько секунд открыть кран компрессора, повернув его винт влево, затем его закрыть и осторожно начать выкручивать винт компрессора. Распрямляющаяся груша будет уменьшать давление внутри измерительной кюветы интерферометра.

Измерения зависимостидп(р)

1. Включить блок питания прибора в сеть. На его торце должен загореться красный индикатор. Нажать и удерживать кнопочный выключатель И, расположенный на верхней грани интерферометра. Изучить интерференционную картину, наблюдаемую в окуляре шахтного интерферометра.

2. Проверить, чтобы ручка крана интерферометра была повернута вправо.

3. Установить в измерительной камере интерферометра давление равное атмосферному. Для этого, вращая винт на компрессоре, привести резиновую грушу компрессора в расправленное состояние, открыть на несколько секунд кран компрессора, закрыть его. При этом уровень воды в обоих коленах манометра должен стать одинаковым.

4. Вращением винта, расположенного на правой боковой грани интерферометра, совместить любую черную полосу интерференционной картины с нулевым делением шкалы.

5. Наблюдая за интерференционной картиной, увеличивать давление в измерительной камере путем вкручивания винта компрессора. Увеличивать давление до тех пор, пока интерференционная картина не сместится на одну полосу. Записать значение давления в измерительной камере, выраженное в см водяного столба в следующую таблицу.

N Dh p
0,5    
   
1,5    
   
2,5    
   

6. Увеличивая давление в камере, добиться смещения интерференционной картины на две, три полосы, каждый раз записывая значения давления.

7. Открыть на несколько секунд кран компрессора, затем закрыть его. При этом уровень воды в обоих коленах манометра должен стать одинаковым. Выкручивать винт компрессора, наблюдая за интерференционной картиной. При этом давление в измерительной камере начнет уменьшаться, интерференционная картина начнет смещаться в противоположную сторону. Сместить картину на одну, две, три полосы, каждый раз записывая показания U-образного манометра в см водяного столба.

8. Построить график зависимости изменения показателя преломления воздуха дп от изменения давления воздуха др выраженного в паскалях. Для расчета дп использовать формулу (5)

Краткая теория вопроса - student2.ru (5)

l = 630 нм, d= 0,24 м. Тогда получим:

Краткая теория вопроса - student2.ru , (6)

где N — число полос, на которое смещается интерференционная картина.

Изменение давления в паскалях рассчитывается по формуле

Краткая теория вопроса - student2.ru , (7)

где h - разность уровней водяного столба манометра выраженная в метрах.

9. По формуле Краткая теория вопроса - student2.ru рассчитайте среднее значение электронной поляризуемости молекул воздуха, где k — постоянная Больцмана, Т-температура воздуха.

Контрольные вопросы

1. Физический смысл показателя преломления.

2. Свет преломляется в первом случае из первой среды во вторую, во втором случае – из второй в первую. В каком случае может наблюдаться явление полного внутреннего отражения, если n2>n1?

3. Почему с увеличением температуры показателя преломления веществ, как правило, уменьшаются?

4. Почему показатели преломления газов мало отличаются от 1?

5. Как известно из электростатики, относительная диэлектрическая проницаемость воды e=81. Из электромагнитной теории света следует, что Краткая теория вопроса - student2.ru . Считая магнитную проницаемость воды m≈1, из второй формулы имеем Краткая теория вопроса - student2.ru . Как согласовать этот результат с полученным из опыта значением для воды n=1,333?

6. Назовите основные узлы рефрактометра и укажите их место расположения на приборе.

7. Нарисуйте принципиальную схему шахтного интерферометра. Объясните назначение его основных элементов. Как можно назвать видимую интерференционную картину?

Наши рекомендации