Лабораторна робота №16

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ РІДИНИ ЗА ДОПОМОГОЮ РЕФРАКТОМЕТРА АББЕ

Мета роботи: ознайомитись з роботою рефрактометра Аббе і визначити показник заломлення розчинів цукру з різною концентрацією. Встановити залежність показника заломлення від концентрації цукру.

Обладнання: рефрактометр Аббе, розчини цукру різної концентрації, дистильована вода.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Технічний рефрактометр Аббе призначений для швидкого (порівняно грубого) виміру показників заломлення рідких і, твердих тел. Принцип дії рефрактометра Аббе ґрунтується на явищі повного внутрішнього відбивання.

Нехай промінь світла падає на границю розділу двох середовищ з боку оптично більш густішого середовища (n=n₂). Для кутів падіння r, менших граничного r_гр світло частково проходить в оптично менш густе середовище(n=n₁), а частково відбивається. При r_гр заломлений промінь відсутній, і наступає повне відбиття (рис. 1, а).

Рис. 1. Граничний кут повного внутрішнього відбивання (а) і граничний кут заломлення (б).

В результаті цього у відбитих променях утворюється границя між світлою областю (повне відбивання) і напівтінню (часткове відбивання).

Граничний кут відповідає куту заломлення ; отже

. (1)

Знаючи показник заломлення одного із середовищ і визначивши на досліді граничний кут, можна за допомогою (1) визначити показник заломлення другого середовища.

Нехай світло падає на границю розділу з боку оптично густішого середовища (мал. 1, б)). В залежності від кута падіння промінь з другого середовища може складати з нормаллю кути, що розташовані в інтервалі від нуля до . Граничний кут заломлення відповідає куту падіння (ковзний промінь). В результаті в заломлених променях утворюється різка границя між світлою і темною областями. Легко побачити, що величина граничного кута і в цьому випадку визначається формулою (1).

При вимірюванні показника заломлення за допомогою рефрактометра Аббе можна використовувати як метод повного внутрішнього відбивання, так і метод ковзного променя.

Оптична схема рефрактометра Аббе і хід променів при вимірюванні показника заломлення рідини методом ковзного променя показані на малюнку 2.

Рис. 2. Хід променів в рефрактометрі при вимірюванні показника заломлення рідини методом ковзного променя.

Основною частиною рефрактометра є дві скляні прямокутні призми і , які виготовлені зі скла з великим показником заломлення. В розрізі призми мають вигляд прямокутник трикутників, які повернуті один до одного гіпотенузами; відстань між призмами близько 0,1 мм для вміщення рідини, що досліджується. Світло проникає в призму через грань і попадає в рідину через матову грань . Світло, розсіяне матовою поверхнею, проходить шар рідини і під різними кутами падає на грань призми .

Ковзному променю в рідині відповідає граничний кут заломлення . Заломлені промені з кутами більшими не виникають. У зв’язку з цим кут виходу променів із грані може змінюватись лише в деякому інтервалі.

Якщо світло, що виходе з грані , пропустити через збиральну лінзу , то в її фокальній площині спостерігається різка границя світла і темноти. Границя розглядається за допомогою лінзи . Лінзи і утворюють зорову трубу, установлену на нескінченість. В їх загальній фокусній площині знаходиться зображення шкали величин показника заломлення і покажчика (нитка и перехрестя). В полі зору окуляра труби одночасно можна побачити тільки частину зображення шкали і частину поля сфокусованих променів, що виходять з призми . Обертаючи систему призм і , тобто змінюючи нахил граничного пучка променів відносно вісі зорової труби, можна досягти, щоб границя світла і тіні виявилась в полі зору окуляра і співпала з положенням покажчика. При обертанні системи призм повертається і шкала показників заломлення, що встановлена на пластині, жорстко зв’язаної з системою призм і (на мал. 2 шкала не показана). Значення показника заломлення рідини відраховується по шкалі на рівні різкої границі світла і тіні.

Якщо джерело не є монохроматичним, то границя світла і тіні, що спостерігається в окулярі труби часто виявляється розмитою і пофарбованою із-за дисперсії показника заломлення речовини, що досліджується (тобто із-за залежності від довжини хвилі ). Для того щоб отримати і в цьому випадку різке зображення границі, на шляху променів, що виходять з призми , поміщають компенсатор зі змінною дисперсією. Компенсатор містить дві однакові дисперсійні призми Амічі (призми і на мал. 2), кожна з яких складається з трьох склеєних призм з різними показниками заломлення і різною дисперсією. Призми розраховуються так, що монохроматичний промінь з довжиною хвилі нм (середнє значення довжини хвилі жовтого дублета натрію) не зазнавав відхилення. Промені з двома іншими довжинами хвиль відхиляються в ту чи іншу сторону. Якщо положення призми відповідає мал. 2, то дисперсія двох призм рівна подвоєній дисперсії кожної з них. При повороті одній з Амічі на відносно іншої (навколо оптичної вісі) повна дисперсія компенсатора виявляється рівною нулю, так як дисперсія однієї із призм скомпенсована дисперсією іншої. В залежності від взаємної орієнтації призм дисперсія компенсатора змінюється, таким чином, в рамках від нуля до подвоєного значення дисперсії одної призми.

Для повороту призм навколо одна одної слугує спеціальна рукоятка і система конічних шестірень, за допомогою яких призми одночасно повертаються в протилежних напрямках. Повертаючи ручку компенсатора, слід досягти того, щоб границя світла і тіні в полі зору стала достатньо різкою. Положення границі при цьому відповідає довжині хвилі , для якої звичайно і приводяться значення показника заломлення.

В деяких випадках, коли дисперсія рідини, що досліджується, особливо велика, діапазон компенсатора виявляється недостатнім і різкої границі отримати не вдасться. В даному випадку рекомендується встановлювати перед світильником жовтий світлофільтр.

Поворотна призма (призма Дове), що застосовується в рефрактометрі, дозволяє зробити прилад більш компактним.

На мал. 3 показаний хід променів в рефрактометрі при роботі по методу повного внутрішнього відбивання. В цьому випадку світло від джерела після відбиття від дзеркала падає на матову грань призми (в методі ковзного променя ця поверхня закривається металевою шторкою). Після розсіяння на грані світло падає на границю розподілу скло – рідина під всіма можливими кутами. При наступає повне внутрішнє відбивання, при світло відображується частково. В полі зору труби спостерігається границя світла і напівтіні.

Рис. 3. Хід променів в рефрактометрі при вимірюванні показника заломлення рідини методом повного внутрішнього відбивання.

Так як умови, що визначають величину граничного кута в методі ковзного променя і в методі повного внутрішнього відбивання, співпадають, положення лінії розподілу в обох випадках також виявляється однаковим.

Відмітимо, що, на відміну від методу ковзного променя, метод повного внутрішнього відбивання дозволяє виміряти показники заломлення непрозорих речовин. Рефрактометр Аббе можна використовувати і для вимірювання показників заломлення твердих тіл.

ВИКОНАННЯ РОБОТИ

За допомогою рефрактометра Аббе можна визначити показник заломлення рідини двома методами: методом ковзного променя і методом повного внутрішнього відбивання.

І. Визначення показника заломлення рідини методом ковзного променя.

1. Закрити ваткою вхід в нижню призму. На нижню призму помістити 2-3 краплі розчину цукру і опускають верхню призму.

2. Встановити джерело світла так, щоб поле зору, що спостерігається в окуляр, добре освітлювалось.

3. Змінюючи положення окуляра, досягти різкого зображення шкали рефрактометра. При цьому поле зору буде розділено на темну і світлу частину кольоровою границею.

4. Обертаючи сектор, що зв’язаний з компенсатором, досягти того, що границя світла і тіні в полі зору стала достатньо різкою. Пересуваючи окуляр вздовж шкали, досягти спів падання трьох горизонтальних ліній з границею поділу світла і тіні.

5. Проти ліній відраховуємо по лівій шкалі показник заломлення розчину, а по правій – його концентрацію .

ІІ. Визначення показника заломлення методом повного внутрішнього відбивання.

6. Відкрити вхід в нижню призму, закрити вхід в верхню. В окуляр спостерігаємо поле зору. Воно тепер складається із світлової частини і напівтіні, причому границя поділу повинна співпадати з границею розділу світла і тіні при визначенні методом ковзного променя.

7. Змінюючи концентрацію, визначимо показник заломлення розчинів, причому кожне вимірювання проводиться не менше трьох разів. Дані занести до таблиць. Визначити відносну похибку результату.

Результати виконання роботи:

Таблиця 1.

Визначення показника заломлення рідини методом ковзного променя.

№ речовини	№ вимірювання	Показник заломлення,	Концентрація	Середнє значення	Середнє значення
1.	1.
2.
2.	1.
2.
3.	1.
2.
4.	1.
2.

Таблиця 2.

Визначення показника заломлення методом повного внутрішнього відбивання.

№ речовини	№ вимірювання	Показник заломлення,	Концентрація	Середнє значення	Середнє значення
1.	1.
2.
2.	1.
2.
3.	1.
2.
4.	1.
2.

За отриманими даними накреслити графік

0

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Основні закони геометричної оптики.

2. Явище повного внутрішнього відбивання.

3. Будова і принцип дії рефрактометра Аббе:

· методом повного внутрішнього відбивання;

· методом ковзного променя.

ЛІТЕРАТУРА

1. Білий М.У. Загальна фізика.: Оптика: Навч. посібник для студ. пед. ін-ту. / М.У.Білий, А.Ф.Скубенко. – К.: Вища школа, 1987. – 376с.

2. Бутиков Е.И. Оптика.: Учеб. пособие для физ. спец. вузов. / Е.И.Бутиков; Под ред. Н.И.Калитеевского. – М.: Высшая школа, 1986. – 511с.

3. Бушок Г.Ф. Курс фізики: Навч.посібник для студ.фіз.-мат. спец.вищ.пед.навч.закл.: У 2-х кн.: Кн.2: Оптика. Фізика атома і атом.ядра. Молекул.фізика і термодинаміка / Г.Ф.Бушок, Ї.Ф.Венгер. – К.: Либідь, 2001. – 422с.

4. Кучерук І.М. Загальний курс фізики. Т.3. Оптика. Квантова фізика: Навч. посібник для студ. вищ. техн. і пед. закл. освіти: У 3-х т. / І.М.Кучерук, І.Т.Горбачук. – К.: Техніка, 1999. – 518с.

5. Кучерук І.М. Загальний курс фізики: У 3-х т. Т.3: Оптика. Квантова фізика: Навч. посібник / І.М.Кучерук, І.Т.Горбачук; За ред. І.М.Кучерука. – 2-ге вид., виправ. – К.: Техніка, 2006. – 518с.

6. Ландсберг Г.С. Оптика.: Учебник для студентов физических спец. вузов. / Г.С.Ландсберг. – Изд. 5-е, перераб. и доп. – М.: Наука, 1976. – 926с.

7. Сивухин Д.В. Общий курс физики.: Оптика. / Д.В.Сивухин. – М.: Наука, 1980. – 751с.

8. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 4. Оптика.: Для физ. спец. вузов. / Д.В.Сивухин. – 2-е изд., испр. – М.: Наука, 1985. – 751с.

9. Сминтина В.А. Оптика Ч. 3: [Навч. посібник] / В.А.Сминтина. – Одеса: Астропринт, 2007. – 98с.

10. Фізичний практикум. У 2-х ч./ Під ред. Дущенко В.П. – К.: Вища школа, ч. 2, 1984. – 252 с.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені А.С. МАКАРЕНКА

Кафедра фізики

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ З ФІЗИКИ

Дата добавления: 2015-06-04