Размещено на http://www.allbest.ru/

Лабораторна робота

Визначення показника заломлення прозорих твердих тіл за допомогою мікроскопа

Прилади і матеріали: мікроскоп з мікрометричним гвинтом, освітлювач, набір прозорих твердих пластинок різної товщини (скло різного сорту, оргскло тощо), мікрометр з ціною поділки 0,01 мм, штангенциркуль.

Теоретичні відомості

Згідно із законом заломлення світла, відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох прозорих середовищ залежить лише від довжини світлової хвилі і не залежить від кута падіння:

де величина n21 називається відносним показником заломлення другого середовища відносно першого; він визначається відношенням швидкості поширення світла у першому середовищі х1 до швидкості світла у другому середовищі х2.

Показник заломлення середовища відносно вакууму називають абсолютним показником (коефіцієнтом) заломлення цього середовища:

де б - кут падіння; г - кут заломлення; c - швидкість світла у вакуумі; х - швидкість світла у даному середовищі.

Оскільки швидкість світла у повітрі близька до його швидкості у вакуумі, то показник заломлення середовища, виміряний відносно повітря, практично дорівнюватиме абсолютному показникові заломлення цього середовища. Встановлено, для повітря при тиску 1010,8 гПа і температурі 293 К n = 1,000274.

Оскільки n залежить від частоти (довжини хвилі) падаючого світла, то його прийнято нормувати до лінії натрію D і записувати nD. Часто індекс D опускають, маючи на увазі згадану вище умову.

При великих інтенсивностях падаючого світла (лазерні промені) показники заломлення оптичних середовищ нелінійно залежать від інтенсивності світла. Такий характер цієї залежності спостерігається тоді, коли напруженість електричного поля падаючої хвилі порівнянна з напруженістю поля всередині атомів речовини.

У зв'язку з труднощами безпосереднього вимірювання кутів падіння й заломлення світлових променів розроблено інші методи визначення n. У даній роботі розглядається метод визначення показника заломлення прозорої твердої плоскопаралельної пластинки за допомогою мікроскопа для білого світла.

Розглянемо шар прозорої речовини, обмеженої двома плоскопара-лельними поверхнями NN та MM (рис. 1). Нехай товщина шару d. Якщо розглядати шар зверху в мікроскоп, то здаватиметься, що нижня поверхня шару займає положення N?N?. Це можна показати, побудувавши зображення кожної точки площини NN. Якщо на нижню поверхню пластинки нанести тонку подряпину S, то вона буде джерелом розсіяних променів.

Розглянемо два промені SAK і SBL, які розходяться під малим кутом, оскільки у протилежному випадку вони не потраплять в об'єктив мікроскопа. На верхній поверхні розділу речовина - повітря (лінія MM) обрані промені переходять в оптично менш густе середовище, а отже, розходяться ще більше. Для спостерігача, який дивиться вздовж нормалі PS, промені AK і BL перетнуться на продовженні в точці S? - уявному зображенні точки S.

Сукупність точок, аналогічних S?, утворює уявне зображення поверхні NN. Як видно з рисунка, уявна товщина пластинки менша за її дійсну товщину. заломлення рефракція промінь пластинка

Покажемо, що абсолютний показник заломлення шару прозорої твердої речовини можна обчислити, вимірявши дійсну d і уявну d? товщину пластинки. Справді, з прямокутного трикутника OSA матимемо OA = OS tg б, а з трикутника OS?A - OA = OS? tg в. Тому

OS / OS? = tg в/tg б = sin в/sin б,

де заміна тангенсів відповідних кутів на їх синуси можлива внаслідок малості кутів б і в.

З останнього співвідношення можна визначити абсолютний показник заломлення речовини пластинки. Оскільки OS = d, OS? = d?, то

n = d / d?.

Отже, щоб визначити показник заломлення скла, треба дійсну товщину скляної пластинки поділити на її уявну товщину. Дійсну товщину d скляної пластинки вимірюють за допомогою мікрометра, а уявну d? визначають за допомогою мікроскопа з мікрометричним гвинтом. Для цього беруть плоскопаралельну скляну пластинку з нанесеними на її обох поверхнях неглибокими подряпинами. Звичайно, на одній поверхні подряпину роблять вздовж пластинки, а на другій - поперек.

Визначення уявної товщини пластинки

Перший спосіб. У даній роботі використовується мікроскоп МУ з мікрометричним гвинтом, головка якого має покажчик, що переміщується по шкалі, нанесеній на нерухомому диску. Крок Н мікрометричного гвинта мікроскопа, як відомо, дорівнює 0,1 мм, а число поділок N на нерухомому диску - 50. Тоді ціна однієї поділки (а = Н / N) диска дорівнюватиме 0,002 мм.

Встановивши мікроскоп так, щоб добре було видно верхню подряпину пластинки, на диску мікрометричного гвинта позначають поділку k1, яка стоїть проти покажчика. Потім, обертаючи мікрометричний гвинт, тубус мікроскопа переміщують униз, прагнучи чітко побачити нижню подряпину. При цьому беруть ціле число обертів m гвинта і позначають поділку k2, проти якої зупиняється покажчик.

Знайдене таким чином переміщення тубуса мікроскопа дасть уявну товщину пластинки, яка визначатиметься за такою формулою:

.

Підставивши значення d? у формулу (1), знайдемо остаточну розрахункову формулу для визначення показника заломлення скла:

.

Другий спосіб. У разі несправності мікрометричного гвинта уявну товщину пластинки можна визначити наступним чином. Фокусують тубус мікроскопа спочатку на верхню поверхню пластинки, домагаючись чіткого зображення подряпини. Штангенциркулем (глибокоміром) вимірюють віддаль h1 між якоюсь нерухомою частиною колонки мікроскопа і рухомою тубуса. Після цього тубус фокусують на нижню поверхню пластинки - чітко видно другу подряпину. Знову вимірюють віддаль h2 між тими самими частинами мікроскопа. Різниця між двома замірами і становитеме d?, тобто d' = |h2 - h1|, а отже,

де d - дійсна товщина пластинки, яку в даному разі вимірюють штангенциркулем.

Приступаючи до виконання роботи, треба насамперед перевірити придатність об'єктива мікроскопа для вимірювання пластинки. По-перше, бажано, щоб об'єктив був короткофокусним, тобто давав максимальне збільшення, внаслідок чого похибка вимірювання буде мінімальною. По-друге, треба, щоб об'єктив був достатньо довгофокусним, бо інакше не можливо буде навести мікроскоп на нижню площину пластинки.

Отже, залежно від товщини досліджуваної прозорої плоскопаралельної пластинки необхідно експериментально вибрати той або інший об'єктив, оптимальний для цього вимірювання. При цьому слід пам'ятати, що в результат обрахунків входить як похибка від вимірювання d за допомогою мікрометра, так і похибка від вимірювання d' за допомогою мікроскопа.

Порядок виконання роботи

Завдання 1. Визначення показника заломлення плоскопаралельної пластинки (перший спосіб)

1. Виміряти мікрометром дійсну товщину скляної пластинки у декількох місцях і взяти її середнє значення.

2. Ознайомитися з будовою та правилами користування мікроскопа МУ (див. додаток В)

3. За допомогою дзеркала та освітлювача (за необхідності) або ж дзеркала мікроскопа добитися рівномірної оптимальної яскравості поля зору в окулярі.

4. Підняти тубус мікроскопа в крайнє верхнє положення за допомогою гвинта грубого фокусування. Обертаючи гвинт мікрометричного фокусування, встановити його в нульове положення.

5. Покласти на предметний столик мікроскопа досліджувану скляну пластинку так, щоб перетин подряпин був у центрі поля зору мікроскопа.

6. Опустити тубус мікроскопа спочатку кремальєрним гвинтом, а потім мікрометричним, й одержати різке зображення подряпинки на верхній поверхні пластинки. За допомогою мікрометричного гвинта зробити відлік k1 по диску останнього.

7. Опускаючи далі тубус мікроскопа тільки гвинтом мікрометричного фокусування, дістати різке зображення подряпини на нижній поверхні пластинки. При цьому підрахувати кількість повних обертів m і кількість повних поділок k2 за шкалою мікрометричного гвинта.

8. Знаючи ціну поділки шкали, розрахувати уявну товщину пластинки за формулою (2).

9. Згадані вимірювання виконати у білому світлі не менше трьох раз. Підрахувати для кожного вимірювання значення n за формулою (3), а потім знайти його середнє значення. Визначити похибки і написати остаточний результат.

10. Оформити звітну таблицю для кожної пластинки зокрема у вигляді

Пластинка 1

11. Визначити показник заломлення двох-трьох пластинок різної товщини і порівняти ступінь точності залежно від товщини пластинки.

12. Аналогічні вимірювання провести для пластинок з іншого матеріалу у білому світлі.

13. Порівняти результати і пояснити, співставивши отримані значення n з табличними (див. табл. додатку А).

Завдання 2. Визначення показника заломлення плоскопаралельної пластинки (другий спосіб)

1. Визначити показники заломлення використовуваних у завданні 1 пластинок, допустивши, що мікрометричний гвинт мікроскопа не працює, і врахувавши формулу (4).

2. Дані вимірювань і обчислень занести до наведеної нижче таблиці:

3. Порівняти значення n, отримані різними експериментальними підходами.

4. Зробити висновки.

Контрольні запитання

1. Що таке світловий промінь? Як розповсюджуються світлові промені в однорідному середовищі?

2. Сформулювати і пояснити закони відбивання.

3. Сформулювати і пояснити закони заломлення.

4. Дати визначення абсолютного й відносного показників заломлення. Який між ними існує зв'язок?

5. Чому дорівнює кут відбивання, якщо промінь падає перпендикулярно до відбиваючої поверхні?

6. У чому полягає суть оборотності напряму світлових променів?

7. Який параметр електромагнітної хвилі змінюється у разі її проходження через середовище і чому?

8. Як впливає товщина пластинки на точність вимірювання показника заломлення даним методом?

9. Чи можна в даній роботі використати дуже товсту скляну пластинку? Пояснити причини.

10. Накреслити і пояснити хід променів у плоскопаралельній пластинці.

11. Накреслити і пояснити хід променів у мікроскопі.

12. Як визначити збільшення мікроскопа?

13. З якою метою в мікроскопі роблять складні об'єктиви і окуляри?

14. Що таке лупа? Як визначається збільшення лупи?

Література

1. Кучерук І.М., Горбачук І.Т. Загальний курс фізики: Т. 3: Оптика. Квантова фізика: Навч. посібник / За ред. І.М. Кучерука. - К.: Техніка, 1999. - С. 3 - 7, 32 - 34, 64 - 66.

2. Бушок Г.Ф., Венгер Є.Ф. Курс фізики: Кн. 2: Оптика. Фізика атома і атомного ядра. Молекулярна фізика і термодинаміка: Навч. посібник - К.: Либідь, 2001. - С. 37 - 43, 54 - 56.

3. Грабовский Р.И. Курс физики: Уч. пособие. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1980. - С. 430 - 433.

4. Дмитрієва В.Ф. Фізика: Навч. посібник / За ред. В.Л. Прокоф'єва. - К.: Вища шк., 1992. - С. 296 - 299.

5. Чолпан П.П. Фізика: Підручник. - К.: Вища шк., 2003. - С. 278 - 283.

6. Ливенцев Н.М. Курс физики: Т. 1: Основы высшей математики, механика и молекулярные явления, колебания и акустика, электричество, магнетизм и оптика: Учебник. - М.: Высш. шк., 1978. - С. 229 - 230, 266 - 270.

Размещено на Allbest.ru