Часть 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА МИКРОСКОПОМ
Теоретическое обоснование
Для определения показателя преломления стекла используется явление кажущегося уменьшения толщины пластинки, обусловленное преломлением световых лучей при переходе из оптически более плотной в оптически менее плотную среду.
Рассмотрим луч света 0В, выходящий из точки 0, лежащей на нижней поверхности стеклянной пластинки (рис. 1).
 |
Рисунок 1
Направление ОВ образует небольшой угол с нормалью ОА, восстановленной в точке 0. Преломившись на верхней поверхности пластинки в точке В, рассматриваемый луч пойдет по направлению BE. Глаз наблюдателя, находящийся на нормали ОА, увидит мнимое изображение 01 источника света 0 в точке пересечения нормали с продолжением преломленного луча BE. В этой же точке 01пересекутся также продолжения всех преломленных лучей, образующих небольшие углы с нормалью ОА. Таким образом, наблюдателю будет казаться, что все лучи выходят из точки 01, а не из точки 0.
Пусть микроскоп наведен наблюдателем на верхнюю поверхность пластинки. В этом случае, чтобы увидеть нижнюю поверхность пластинки, необходимо сдвинуть тубус микроскопа не на расстояние ОА, равное толщине пластинки d, а на меньшее расстояние АО1, равное кажущейся толщине пластинки d1.
Так как в объектив микроскопа попадает очень узкий пучок света, то углы rи i малы и синусы этих углов могут быть заменены их тангенсами.
Из рисунка 1 видно, что
Но так как АВ=ОС, АО1 = d1, ВС=d, то
(1)
Таким образом, для определения показателя преломления стекла необходимо истинную толщину пластинки разделить на кажущуюся толщину.
Описание установки
Для определения показателя преломления стекла используется плоскопараллельная стеклянная пластинка с нанесенными на ее обеих сторонах царапинами. Для того, чтобы легче было распознать, какая именно поверхность пластинки наблюдается в микроскоп, удобно на одной стороне провести царапину вдоль пластинки, а на другой - поперек её.
Истинная толщина пластинки d=2,2 ммизмеряется микрометром. Кажущаяся толщина пластинки d1 равна разности отсчетов положений тубуса при наведении микроскопа на верхнюю и нижнюю царапины. Перемещение тубуса микроскопа от верхней до нижней царапины осуществляется с помощью микрометрического винта, который служит для медленного перемещения с точностью до 0,002 мм в пределах 23-24 оборотов. Стопорный механизм, скрытый в тубусодержателе, ограничивает возможность дальнейшего движения. При работе микрометрическим винтом следует помнить, что от неосторожного нажима на стопорный механизм может произойти его поломка, вследствие чего микроскоп будет выведен из строя.
Выполнение работы
1. Положить пластинку на предметный столик так, чтобы пересечение царапин оказалось в центре поля зрения микроскопа.
2. Навести микроскоп на верхнюю царапину и отметить по диску микрометрического винта деление K1, стоящее против указателя.
3. Вращая микрометрический винт, добиться ясного видения нижней царапины, отсчитывая при этом число полных оборотов m и отметив K2 - деление диска, стоящее против указателя
4. Вычислить кажущуюся толщину пластинки по формуле:
учитывая, что m полных оборотов винта перемещают тубус микроскопа на (mS) мм, а разность делений винта K2-K1 соответствует перемещению тубуса на расстояние (K2-K1)Z мм, и где:
S - шаг винта микроскопа, равный 0,100 мм;
Z - цена деления барабана, равная 0,002 мм.
5. Вычислить показатель преломления стекла по формуле (1).
Часть II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ ПРИ ПОМОЩИ РЕФРАКТОМЕТРА АББЕ
Описание установки
Основной деталью рефрактометра является призма, состоящая в действительности из двух прямоугольных призм. Эти призмы сложены гипотенузами и вмонтированы в полые кожухи, выполненные в виде полуцилиндров. Нижний из них неподвижно прикреплен к корпусу, а верхний откидывается на шарнире. Обе призмы изготавливаются из тяжелого стекла, имеющего показатель преломления n=1,7, и вмонтированы в полуцилиндры так, что при наложении одной из них на другую, между основаниями призм остается свободное пространство. Это пространство при измерении заполняется исследуемой жидкостью.
Определение показателя преломления жидкости с помощью рефрактометра может быть выполнено двумя способами. При первом способе (рис.2 а) пучок световых лучей, испускаемых источником света S, с помощью зеркальца Z направляется на грань АВ призмы ABC. Преломившись на грани АВ, лучи проходят в призму ABC и достигают грани АС. Так как эта грань сделана матовой и вызывает рассеяние света, то лучи войдут в жидкость и достигнут грани ДЕ под различными углами. Наибольший возможный угол преломления лучей на грани ДЕ равен βпред, чем и определяется граница распространения света.
 | ||||||||
 | ||||||||
 | ||||||||
 | ||||||||
 | ||||||||
а) б)
Рисунок 2.
При втором способе (рис. 2 б) пучок световых лучей направляется на грань ДР. Грань ДF также матовая и поэтому лучи входят в призму ДЕF под разными углами. Положение границы раздела света и тени соответствует световым лучам, угол отражения которых от грани ДЕ равен βпред
В случае бесцветных и слабоокрашенных жидкостей, слабо поглощающих свет, следует пользоваться первым способом. При измерении показателя преломления интенсивно окрашенных жидкостей, сильно поглощающих свет, применим лишь второй способ. В обоих случаях в окуляр трубы видно поле зрения, разделенное на две части - светлую и темную. Одновременно в окуляр также видна визирная линия, состоящая из трех черточек, и шкала рефрактометра. Левая сторона шкалы позволяет отсчитать показатели преломления различных жидкостей в пределах от 1,4 до 1,54, а с правой стороны поле зрения окуляра проградуировано на процентное содержание сахара.
Выполнение работы
1. Приподняв верхнюю призму, поместить 1-2 капли исследуемой жидкости (глицерина) на поверхность нижней призмы. При этом не следует ее касаться, чтобы не поцарапать.
2. Опустить верхнюю призму, направить луч света на систему призм согласно рис. 2 а.
3. Перемещая при помощи рычага окуляр, добиться совмещения трех черточек визирной линии с границей преломления и провести по шкале с левой стороны отсчета показателя преломления глицерина. Если граница между освещенной и неосвещенной частями окрашена в разные цвета, то следует добиться ее резкости путем поворота компенсатора. Занести в отсчет полученное значение коэффициента преломления глицерина.
4. Изменив положение зеркальца, направить отраженные лучи на систему призм в соответствии с рис. 2 б и снова сделать отсчет показателя преломления глицерина. Сравнить между собой значения показателя преломления, полученные первым и вторым способами. После окончания измерений тщательно очистить призмы рефрактометра от глицерина ваткой.
5. Аналогично найти концентрацию раствора сахара, делая отсчет с правой стороны шкалы, и полученное значение также занести в отчет.
Контрольные вопросы
1.Законы геометрической оптики. Закон преломления света.
2.Явление полного внутреннего отражения света от границы с оптически менее плотной средой. Предельный угол полного внутреннего отражения.
3.Почему говорят, что предмет, находящийся в оптически более плотной среде, кажется приближенным к наблюдателю?
4.Использование явления полного внутреннего отражения света для измерения показателя преломления.