Порядок выполнения работы

1. Источником света служит дневной свет (или осветительная лампа). Откинуть верхнюю призму и при помощи стеклянной палочки (или пипетки) нанести на поверхность нижней призмы немного дистиллированной воды и вернуть верхнюю призму в исходное положение. Нижнее отверстие призмы должно быть закрыто заслонкой.

2. Приблизить глаз к окуляру и установить резкость его так (с помощью лимба, находится на окуляре), чтобы отчетливо были видны деления шкалы показателей преломления (слева) и сетка (справа).

3. Перемещая призму вращением ручки (на корпусе рефрактометра слева), найти границу раздела поля зрения на темное и светлое. Линия раздела (света и темноты) должна быть по возможности резкой (это достигается поворотом зеркал: одно на корпусе рефрактометра слева (направляет свет на шкалу показателей преломления), второе на призме (направляет свет на грань нижней призмы)), без оттенков радуги (достигается с помощью компенсатора (расположен справа), который нужно перемещать по часовой или против часовой стрелке так, чтобы пропали оттенки радуги).

4. Перемещая призму (ручка на корпусе рефрактометра слева) совместить границу раздела поля зрения на темное и светлое с перекрестием сетки и отсчитать по шкале показателей преломления (слева) показатель преломления исследуемой жидкости. Опыт проделать 7 раз и определить среднее значение показателя преломления дистиллированной воды.

5. Повторить пункты 1 – 4 и определить средний показатель преломления для глицерина.

6. Вычислить скорость распространения света в воде и глицерине.

7. Вычислить относительную погрешность показателей преломления и скорости распространения света.

8. Данные опытов занести в таблицу.

   № п/п	Вода			Глицерин
   	nВ	<nВ>	VВ, м/с	nГ	<nГ>	VГ м/с
   1
   2
   3
   4
   5
   6
   7
   ε, %

9. Сделать соответствующий вывод.

Контрольные вопросы

1. Дать определение закона отражения и преломления света и их геометрическое доказательство.

2. Что такое показатель преломления и, каков его физический смысл?

3. Полное внутреннее отражение и его использование в оптических приборах.

4. Поворотные и оборачивающие призмы.

5. Эволюция световых теорий.

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.

2. Кортнев А.В. Практикум по физике. /Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Кузнецов А.М.: – М: Высшая школа, 1963. – 516с.

3. Лабораторные занятия по физике: Учебное пособие /Гольдин Л.Л., Игошин Ф.Ф., Козел С.М. и др.; Под ред. Гольдина Л.Л. – М.: Наука. Главная редакция физико–математической литературы, 1983. – 704с.

Лабораторная работа №6

Изучение дисперсии света в стекле с помощью микроскопа

Цель работы: 1.Познакомиться с устройством и работой микроскопа.

2.Исследовать зависимости показателя преломления стекла от длины волны.

Приборы и принадлежности: Микроскоп, стеклянные пластинки, микрометр, набор светофильтров.

Краткая теория

Световая волна в вакууме представляет собой переменное электромагнитное поле высокой частоты, распространяющееся с постоянной скоростью с=3·10⁸ м/с, не зависящей от частоты. При попадании в материальные среды свет испытывает изменение скорости. Для различных частот скорость в средах оказывается различной. Показатель преломления n (n=c/V) (где с– скорость распространения света в вакууме, V–скорость распространения света в среде) зависит от частоты или длины волны:

n=f().

Явление, обусловленное зависимостью коэффициента преломления вещества от длины световой волны  (частоты света ν) или зависимость фазовой скорости υ световых волн от его частоты ν называют дисперсией света.

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму. Первые экспериментальные наблюдения дисперсии света принадлежат И.Ньютону (1672г.).

При дисперсии света в призме луч оказывается отклоненным от первоначального направления на угол φ

,

где А – преломляющий угол призмы (постоянная призмы);

n – показатель преломления призмы,

т.е. угол отклонения лучей призмой зависит от величины n–1, а n–функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн после прохождения призмы окажутся отклоненными на разные углы, т.е. пучок белого света за призмой разлагается в спектр, что и наблюдалось И.Ньютоном. Таким образом, с помощью призмы, так же как и с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав. Между дифракционными и призматическими спектрами существуют различия, обусловленные самими оптическими явлениями.

Величина

,

называемая дисперсией вещества, показывает, как быстро изменяется показатель преломления с длиной волны. Графически зависимость показателя преломления n от длины световой волны  представлена кривой (рис.1).

Здесь показатель преломления непрерывно возрастает с уменьшением длины волны. Принято называть такую дисперсию нормальной. Но имеется и другая зависимость n=f(), а именно, наблюдается увеличение показателя преломления с ростом длины волны (аномальная дисперсия рис.2). Такая зависимость наблюдается в интервале длин волн, поглощающихся средой. В среде обычно наблюдаются оба вида дисперсии нормальная и аномальная, что графически может быть представлено следующим образом (рис.3). Здесь кривая АВ представляет область аномальной дисперсии.

рис.1 рис.2 рис.3

Исследование дисперсионных свойств различных тел, например, таких, как различные сорта оптических стекол, имеет громадное значение в вопросах практической оптики. Для обнаружения дисперсии может служить любой метод, который применяется для определения показателей преломления различных твердых, жидких и газообразных тел.

Методы определения:

1. При помощи микроскопа;

2. При помощи призмы и спектрометра;

3. Метод, основанный на явлении полного внутреннего отражения;

4. При помощи интерференционных приборов

и некоторые другие.

На явлении нормальной дисперсии основано действие призменных спектрографов. Несмотря на их некоторые недостатки (например, необходимость градуировки, так как наблюдается различная дисперсия в разных участках спектра) при определении спектрального состава света, призменные спектрографы находят широкое применение в спектральном анализе. Это объясняется тем, что изготовление хороших призм значительно проще, чем изготовление хороших дифракционных решеток. В призменных спектрографах легче получить большую светосилу.

Поглощением (абсорбцией) света называется явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе вследствие преобразования энергии волны в другие виды энергии. В результате поглощения интенсивность света при прохождении через вещество уменьшается.

Поглощение света в веществе описывается законом П.Бугера:

где I₀ и I – интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной х;

α – коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения зависит от длины волны света, химической природы и агрегатного состояния вещества и не зависит от интенсивности света.

На рис.4 представлена типичная зависимость коэффициента поглощения α от длины волны света λ и зависимость показателя преломления n от λ в области полосы поглощения. Из рисунка следует, что внутри полосы поглощения наблюдается аномальная дисперсия (n убывает с уменьшением λ). Однако поглощение света веществом должно быть значительным, чтобы повлиять на значение показателя преломления.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны объясняет окрашенность поглощающих тел. Например, стекло, слабо поглощающее красные и оранжевые лучи и сильно поглощающее зеленые и синие, при освещении белым светом будет казаться красным. Если на такое стекло направить зеленый и синий свет, то из–за сильного поглощения света этих длин волн стекло будет казаться черным. Это явление используется для изготовления светофильтров, которые в зависимости от химического состава (стекла с присадками различных солей, пленки из пластмасс, содержащие красители, растворы красителей и т.д.) пропускают свет только определенных длин волн, поглощая остальные. Разнообразие пределов селективного (избирательного) поглощения у различных веществ объясняет разнообразие и богатство цветов и красок, наблюдающееся в окружающем нас мире.

рис.4

Первое объяснение явления дисперсии света дано с точки зрения макроскопической электромагнитной теории Максвелла. Абсолютный показатель преломления среды

где ε – диэлектрическая проницаемость среды;

μ – магнитная проницаемость среды.

В оптической области спектра для всех веществ , поэтому

Однако формула противоречит опытным значениям: величина n, являясь переменной, остается в то же время равной определенной постоянной . Трудности объяснения дисперсии света с точки зрения электромагнитной теории Максвелла устраняются электронной теорией Лоренца. В теории Лоренца дисперсия света рассматривается как результат взаимодействия электромагнитных волн с заряженными частицами, входящими в состав вещества и совершающими вынужденные колебания в переменном электромагнитном поле волны.

В настоящей работе производится оценочное изучение явления дисперсии света в стекле (используется первый из указанных методов). Сущность этого метода сводится к определению показателя преломления стекла для световых волн различной длины. Измеряя показатель преломления для разных длин волн, можно исследовать дисперсионную способность вещества, т.е. функцию n=f().