Показатель преломления призмы

Физика

Оптика

«Определение показателя преломления призмы»

Методические указания к лабораторной работе №2 для направления подготовки

специалистов:	130400.65	- Горное дело
	190109.65	- Наземные транспортно-технологические средства
бакалавров:	080200.62	- Менеджмент
	140400.62	- Электроэнергетика и электротехника
	220400.62	- Управление в технических системах
	270800.62	- Строительство
	190600.62	- Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Губкин, 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени В.С. Черномырдина»

Губкинский институт (филиал)

УТВЕРЖДЕНО

Директором Губкинского

института (филиала) МГОУ

Физика

Оптика

«Определение показателя преломления призмы»

специалистов:	130400.65	- Горное дело
	190109.65	- Наземные транспортно-технологические средства
бакалавров:	080200.62	- Менеджмент
	140400.62	- Электроэнергетика и электротехника
	220400.62	- Управление в технических системах
	270800.62	- Строительство
	190600.62	- Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов

Губкин 2011

УДК 53

Ф 50

Физика. Часть III.Определение показателя преломления призмы: Методические указания к лабораторной работе№ 2/ Сост. К.С. Погорельский; Рец. к.ф.-м.н., доцент кафедры физики Ст.Оскольского технологического института А.А. Босенко, к.ф.м.н., доцент кафедры информационных технологий ГИ (филиала) МГОУ А.А. Давыдов. - Губкин.: ГИ МГОУ, 2011.- 12с.

Методические указания содержат геометрическое и физическое определение показателя преломления, формулировку закона преломления, а также вывод формул, определяющих связь между характерными углами при прохождении света через призму. На основании этих формул экспериментально определяется показатель преломления призмы. Дано описание экспериментальной установки и порядок выполнения работы.

Предназначены для студентов технических специальностей вузов.

© Губкинский институт (филиал) Московского государственного открытого университета, 2011.

© К.С. Погорельский, 2011.

Лабораторная работа

«Определение показателя преломления призмы »

Цель работы: Нахождение преломляющего угла призмы с последующим определением ее показателя преломления.

Приборы и принадлежности: комплекс ЛКО-5; призма флинт; стол поворотный, фотодатчик диодный.

Теоретическое введение

Показатель преломления - одна из важнейших оптических характеристик данного вещества. Ему можно дать два определения. Геометрическое определение гласит: показателем преломления какого либо вещества относительно вакуума называется отношение синуса угла падения к синусу угла преломления при прохождении луча из вакуума в вещество. Физическое определение гласит: показатель преломления какого либо вещества относительно вакуума есть отношение скорости распространения света в вакууме к скорости распространения света в веществе.

Закон преломления (закон Снелла) утверждает, что при переходе из одной прозрачной среды в другую, световой луч меняет свое направление. Например, если луч света попадает из воздуха в воду или стекло, то он отклоняется в сторону нормали (рис.1).

Воздух α -угол падения

β -угол преломления

α > β

Стекло

Рис.1

Теперь рассмотрим и покажем, почему на границе раздела двух сред меняется направление распространение волны. На рис. 2 изображены два последовательных положения участка волнового фронта АВ и А’ В’. Пусть l₁ длина световой волны в среде 1, а l₂ – в среде 2; - скорость волны в среде 1, а - в среде 2, - частота, тогда

(1)

		l2

Рис.2

Из прямоугольного треугольника АВВ’ находим sin Q₁= , а из прямоугольного треугольника А’ АВ sin Q₂= .

Разделив первое соотношение на другое:

Подставим сюда вместо l₁ и l₂ их отношение, полученное из (1); тогда

с/u - это показатель преломления среды. Следовательно,

(закон Снелла) (2)

где n₁ и n₂ – показатели преломления соответственно среды 1 и 2.

Описание установки

Лабораторный оптический комплекс ЛКО-5

Рис.3

Каркас установки состоит из двух боковин 1, стянутых опти­ческой скамьей 2 плитой-основанием и задней стенкой. Вдоль каркаса размещена оптическая скамья 2, состоящая из двух рельс. Оптическая ось установки расположена отно­сительно оптической скамьи на высоте 45 мм от верхнего края рельс. Излучатель 3 (лазер в держателе с 5 степенями свободы) уста­новлен на оптической оси установки над оптической скамьей.

На задней стенке и на боковым стенках каркаса размещен белый экран 4.

Лазер, смонтированный со схемой стабилизации тока в оправе и закреплен подвижно в корпусе (рис.4). Корпус установлен на двух стойках. Двумя передними винтами 1 и двумя задними винтами 2, лазер можно перемещать относительно корпуса, подбирая нужное положение и направление пучка излучения.

Излучатель с лин­зой-насадкой на оптической скамье

Рис.4

Стол поворотный (рис.5 ) предназначен для установки объектов с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, а также для отсчета угловых координат и углов поворота. Поворот стола производится ручкой 1. Отсчет угловых координатпроизводится по основной шкале 2 (цена деления 2^о) и нониусу 3 (цена деления 0,5^о). Рычаг 4 поворачивают до совпадения его вертикальной риски с одним из делений основной шкалы и снимают отсчет по основной шкале. К полученному значению прибавляют отсчет по нониусу. Таким методом можно снимать отсчеты с разрешением 0,1^о при погрешности порядка 0,2^о. Углы поворота определяют как разности угловых координат.

Объекты вставляют в кронштейны 5. Винтом 6 регулируют наклон платформы стола и установленного на столе объекта.

Рис. 5

Фотодатчик (рис.6) содержит фотодиод в светонепроницаемой оправе 1 с входным окном (отверстие диаметром 3 мм) в экране 2. Датчик установлен на стандартном экране 3 размерами 40х80 мм, который вставляется в кронштейны поворотного стола. При этом окно датчика оказывается на уровне оптической оси установки.

Рис.6

Настройка установки

Настройка установки заключается в фиксации лазерного луча и центров оптических элементов на оптической оси установки. Совместную настройку группы оптических элементов называют юстировкой.

Юстировка. Придвиньте поворотный стол с установленным в нем фотодатчиком к излучателю. Поворотом передних винтов излучателя (рис.4) совместите центр пятна излучения лазера с центром окна фотодатчика.

Отодвиньте поворотный стол с фотодатчиком как можно дальше от излучателя. Поворотом задних винтов излучателя (рис.4) совместите центр светового пятна с центром окна излучателя. Операцию юстировки повторите 2-3 раза. Пока смещение светового пятна от номинального положения при перемещении фотодатчика не окажется меньше радиуса входного отверстия фотодатчика.

Теория метода выполнения лабораторной работы

Показатель преломления призмы

При прохождении светового пучка через призму (рис.7) существует угол падения, при котором отклонение пучка от начального направления минимально. При этом лучи падающего и прошедшего пучков симметричны относительно преломляющих граней призмы. Угол минимального отклонения α связан с преломляющим углом призмы соотношением

,

при этом угол падения определяется законом преломления:

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Включить установку в сеть переменного тока 220 В.

2. Произвести настройку установки (см. "Настройка установки").

3. Установите на оптическую скамью поворотный стол и вставьте до упора в кронштейны призму-флинт (как показано на рис.9).

4. Поворачивая стол, направьте отраженный от грани АD луч навстречу падающему, совместив его на зеркале лазера (из двух лучей выбираем верхний). При этом фиксируется положение нормали к грани призмы.

5. Снимите соответствующий отсчет угловой координаты φ₁ для грани АD по шкале поворотного стола.

6. Снимите такую же угловую координату φ₂ для грани АF призмы.

7. Определите преломляющий угол Θ призмы для граней АD и АF (один из методов расчета предлагается).

Рассмотрим выпуклый четырехугольник АВОС ( рис 8).

Сумма внутренних углов выпуклого многоугольника равна ,

Где d = 90^о, n- число сторон.

Для четырехугольник АВОС

n = 4, следовательно

.

Так как

Рис.8

откуда

угол .

Определив положение нормали к грани АD, поворачивайте стол с призмой в направлении показанном на рис.9 до остановки движения луча на экране , что соответствует положению наименьшего отклонения луча от начального направления.

Угол Θ является преломляющим

углом призмы.

Рис.9

9. Снимите соответствующий отсчет угла φ_{1 1} по шкале поворотного стола и определите угол падения

10.Снимите соответствующие углы φ_{2 2} φ_{3 3} и определите углы падения i₂ i₃.

11. По формуле найти показатель преломления n соответственно для Θ.

Вопросы для самопроверки

1. Сформулируйте основные законы геометрической оптики.

2. Как связаны показатель преломления среды и скорость распространения света в ней

3. Что называется абсолютным и относительным показателем преломления?

4. Выведете формулу показателя преломления призмы .

5. Изменится ли скорость света в оптически прозрачной среде, если изменить температуру среды?

литература

1. Трофимова, Т.И.. Курс физики [Текст]: учеб.пособ./Т.И.Трофимова.- М: Академия, 2004.- 560с.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики [Текст]: в 5-ти кн.: учеб.пособ. / И.В. Савельев.- М.: Астрель: АСМ, 2005. кн.4: Волновая оптика -256с.