Порядок выполнения работы. 1. Измерить микрометром истинную толщину стеклянной пластинки Н в том месте

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>	dn , %

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_пр угол 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.