Лабораторна робота № 1 Визначення показника заломлення скла за допомогою лазера.

Прилади: оптична лава, лазер, рейтери, короткофокусна лінза, екран, плоско-паралельна скляна пластина.

Теоретичні відомості.

Відомо, що промінь світла на межі двох середовищ заломлюється. Виключення складає випадок, коли промінь падає на межу поділу нормально. В цьому випадку промінь не змінює свого напрямку. На мал. 1 показано хід променя, що падає на плоско-паралельну пластинку під кутом .

Якщо грані S і S пластинки плоско-паралельні, то промінь АО буде паралельним вісі ОО, тобто початковому напрямку. Зміщення променя в пластинці h = АС. Величина h залежить від товщини d пластинки, показників заломлення скла і середовища, в якому ця пластинка знаходиться, а також від кута падіння .

Знайдемо цю залежність з мал. 1:

з ОАС: h = ОА sin ( -), (1)

ОА= d/ cos , (2)

H = d sin ( - )/ cos  (3)

З закону заломлення для випадку скляної пластинки в повітрі можна записати: (4)

де n – показник заломлення скла.

Мал.1.

Із (3) і (4) можна одержати формулу для визначення показника заломлення скла:

(5)

В пластинах з товщиною d декілька сантиметрів зміщення буде порядку декількох міліметрів. Для кращого спостереження величини h бажано застосувати короткофокусну лінзу. Хід променів в такому випадку показаний на мал.2.

Мал. 2

На екрані Е₂ отримаємо збільшене зміщення променя Н, яке зв’язане з h виразом:

(6),

де D – оптична сила лінзи,

b – віддаль лінза-екран.

Враховуючи (6) можна записати (5) у вигляді:

(7)

Остання формула дозволяє визначити показник заломлення скла при відомих значеннях , d, H.

Опис установки

На оптичній лаві, на одній оптичній осі розміщується лазер, екран з діафрагмою (Е₁), плоско-паралельна пластинка (ПП), лінза (Л) і екран (Е₂). Діафрагма в Е₁ служить для звуження променя лазера. Пластина ПП закріплена на юстовочному столику, який може повертатись і має лімб для відліку кутів повороту, Екран Е₂ розташований на віддалі b від лінзи. В даній роботі використовується лінза з фокусною віддаллю F= 0,11 м (D= 9 діоптрій) і скляна пластина товщиною 0,02 м. На Мал. 3 наведена схема установки.

Мал.3.

Порядок виконання роботи

1. Розташувати на оптичні лаві всі прилади згідно

2. Промінь лазера направити в діафрагму екрану Е₂ регулюючими гвинтами лазера.

3. Виставити лінзу на одній оптичній вісі з променем лазера. Для цього зняти разом з рейтером плоско-паралельну пластинку ПП, так, щоб промінь лазера попадав на лінзу. Відрегулювати лінзу так, щоб промінь попадав строго в центр і, відбиваючись від її передньої поверхні, падав назад в отвір діафрагми (цей промінь більш яскравий із відбитих променів).

4. Ставимо рейтер з пластинкою ПП на оптичну лаву. Пластинку ПП з допомогою гвинтів ставимо так, щоб промінь лазера падав на неї нормально. При нормальному падінні відбитий від пластинки промінь йде в отвір діафрагми.

5. Відмітити положення лімбу столика ₀ і на екрані положення променя лазера H₀. Результати занести в таблицю.

6. Обертаючи гвинт, повернути пластинку на кут , вказаний в п.1 таблиці.

7. Відмітити на екрані Е₂ нове положення променя лазера H₁ і обчислити його зміщення на екрані H₁=H₁ – H₀.

8. Пункти 4, 5, 6, 7 проробити для всіх значень , вказаних в таблиці.

9. Виміряти відстань b від лінзи до екрана Е₂.

10. По формулі (7) обчислити значення n для кожного .

11. Знайти середнє значення показника заломлення скла n та обчислити похибку вимірювань.

Таблиця

	-0	sini	cosi	H010^-3, м	Hi10^-3, м	Hi10^-3, м	ni
1.	0
2.	15	0,26	0,96
3.	20	0,34	0,94
4.	30	0,50	0,87
5.	45	0,71	0,71
6.	60	0,87	0,50
7.	70	0,94	0,34

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ.

12. Сформулюйте закони заломлення світла.

13. Що називається показником заломлення світла, його зв’язок з характеристиками діелектрика.

14. Вивести формули (5), (6), (7).

15. Побудувати хід променів в плоскопаралельних пластинках, середовищах.

16. Показати зміщення променя в пластинці та знайти його величину.

Лабораторна робота № 2.

Визначення показника заломлення скла з допомогою

мікроскопа.

Прилади і матеріали: вимірювальний мікроскоп з мікрометричним гвинтом, мікрометр, скляна пластинка з штрихами на обох поверхнях.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ.

При проходженні світла через плоску межу двох прозорих речовин неоднакової оптичної густини, падаючий промінь розділяється на два промені – відбитий ОВ і заломлений OD.(мал.1.)

Напрям цих променів визначають закони відбивання і заломлення світла:

Промінь падаючий і відбитий лежать в одній площині з нормаллю до поверхні в точці падіння і кут відбивання чисельно дорівнює куту падіння.

Мал.1.

Промінь падаючий і заломлений лежать в одній площині з нормаллю до поверхні в точці падіння і відношення синуса кута падіння і до синуса кута заломлення дорівнює відношенню швидкості світла в першому середовищі v₁ до швидкості світла в другому середовищі v₂:

(1)

Явище заломлення світла говорить про те, що світло поширюється в різних середовищах з різною швидкістю.

Для двох даних середовищ відношення швидкості світла в середовищі 1 до швидкості світла в середовищі 2 – є величина стала і називається відносним показником заломлення другого середовища відносно першого. ; (2)

Якщо середовище 1 – вакуум, то показник заломлення n даного середовища 2 по відношенню до вакууму називається абсолютним показником заломлення даного середовища або просто показником (коефіцієнтом) заломлення. Абсолютний показник заломлення середовища

; (3)

де c – швидкість світла в вакуумі; - фазова швидкість в даному середовищі 2.

Показник заломлення залежить від довжини хвилі світла і від властивостей середовища. Абсолютні показники заломлення в області прозорості речовини більші одиниці. Це означає, що швидкість поширення світла в даному середовищі завжди менша, ніж у вакуумі.

Відносний показник заломлення двох середовищ n₂₁ пов‘язаний з абсолютним показником заломлення середовищ n₁ і n₂ відношенням:

(4)

Для визначення показників заломлення речовини існують різні методи. Одним з них є метод визначення показника заломлення за допомогою мікроскопу. основі методу лежить явище уявного зменшення товщини скляної пластинки внаслідок заломлення світлових променів, які проходять в склі при розгляданні пластинки нормально до її поверхні. Схема проходження променів показана на Мал.2.

Мал.2.

З точки А, яка знаходиться на нижній поверхні скляної пластинки виходять два промені світла 1 і 2. Промінь 2 падає на пластинку нормально до її поверхні і тому не зазнає заломлення. Промінь 1 падає під кутом і заломлюється виходячи з пластинки в точці О по напрямку до точки Д.

При виході із пластинки промінь ОД утворює кут заломлення r – більший, ніж кут падіння. Якщо дивитись на пластинку зверху, то спостерігач буде бачити точку перетину променів ОД і АС не в точці А, а в точці Е, тобто видима товщина пластинки СЕ =а менша дійсної її товщини СА=h.

Для променів, близьких до нормалі, кути падіння і заломлення малі. В цьому випадку синуси кутів можна замінити на тангенси і по закону заломлення світла написати (розглядаючи зворотний хід променів, тобто від Д до А):

(5)

З мал.2 видно, що ;

тоді одержимо:

Значить, показник заломлення скла можна знайти як відношення дійсної товщини пластинки до уявної її товщини.