Департамент образования мэрии города Новосибирска
Дворец творчества детей и учащейся молодежи «Юниор»
ХХХVIII Городская открытая научно-практическая
Конференция НОУ «Сибирь»
Секция: Физика
Тема: «Определение показателя преломления в среде с переменной плотностью»
Авторы:
Маркина София Дмитриевна,
Коноплёва анастасия Николаевна
10 кл., МБОУ Лицей № 126
Калининского района г. Новосибирска
Научные руководители:
Баранов Александр Викторович
доцент кафедры ОФ НГТУ
Петров Никита Юрьевич
старший преподаватель кафедры ОФ НГТУ
Новосибирск 2018
Оглавление
Введение. 2
Цель исследования. 3
Актуальность. 3
Решаемые задачи. 3
Методика и проведение эксперимента. 4
Обработка результатов эксперимента в MathCad. 6
Расчеты в MathCad. 7
Результаты.. 9
Литература. 10
Введение
Выбирая данную тему проекта, мы хотели увидеть с помощью эксперимента, а после изучить искривления света жидкостью в оптически неоднородной среде.
Объяснение явлению. В нижней части кюветы находится раствор поваренной соли, имеющий большую оптическую плотность, чем расположенная над ним вода. Поэтому показатель преломления жидкости в образовавшемся за счёт диффузии переходном слое между раствором соли и водой непрерывно изменяется вдоль вертикальной оси y(Рис.), плавно уменьшаясь с ростом значения y.поскольку абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе n=c/u, скорость распространения света в верхних слоях жидкости больше, чем в нижних.
Если на кювету перпендикулярно оси y падает параллельный пучок света от источника S, лежащего в бесконечности, то плоская волновая поверхность Σs внутри жидкости будет поворачиваться, последовательно занимая положения Σs/, Σs// и т.д. Это ясно, так как сверху кюветы свет распространяется быстрее, чем внизу. А световые лучи всегда перпендикулярны волновым поверхностям. Поэтому вместе с поворотом волновой поверхности произойдёт и поворот лучей, так что образованны ими световой пучок изогнётся в сторону от меньших к большим значениям показателя преломления вдоль оси y, тем больше и изгиб светового пучка. Когда показатель преломления меняется скачком, наблюдаются обычное или полное внутреннее отражение света, и изгибпучка выражен наиболее сильно.
Цель исследования
На основе изучения искривления света оптически неоднородной жидкостьюразработать методику определения градиента показателя преломления этой жидкости.
Актуальность
Полученные данные позволят разработать методику определения показателя преломления в неоднородных средах, а также определять градиент плотности растворов оптическими методами, что зачастую сложно сделать, используя классические методы. Также данные могут быть использованы для моделирования движения тел (например, погружения подводной лодки) в средах с переменной плотностью.
Решаемые задачи
1. Знакомство с информацией о распространение света в различных средах.
2. Знакомство с методами определения показателя преломления среды.
3. Конструирование экспериментальной установки, исследовать распространение света в среде с переменной плотностью.
4. Проведение экспериментов.
5. Планирование эксперимента по визуализации искривлению лазерного луча оптически неоднородной средой.
6. Разработка и реализация в MathCad численного алгоритма для расчета градиента показателя преломления оптически неоднородной жидкости.
7.Обработка полученных данных с помощью разработанного алгоритма.
Методика и проведение эксперимента
Для проведения эксперимента бала сконструирована установка, состоящая из прозрачной стеклянной кюветы прямоугольной формы (Рис.1), на одной из стенок которой нанесена миллиметровая сетка, и источника лазерного излучения.
Рис.1. Кювета с раствором жидкости
В качестве источника светового пучка использовались зеленый и красный полупроводниковые лазеры. В кювету наливалась жидкость (Рис.2), оптическая неоднородность которой вызвана вертикальным градиентом плотности растворенного вещества (NaCl). Градиент плотности обусловлен изменением концентрации соли в слоях воды (внизу кюветы насыщенный раствор соли, вверху дистиллированная вода).
Также градиент плотности можно получить, нагревая верхние слои воды, но данный метод не позволил обеспечить требуемый эффект.
Рис.2. Закачка раствора жидкости в кювету
Для визуализации лазерного луча жидкость подкрашена флюоресцентом. Визуализация хода луча в жидкости происходила с использованием цифровой фотокамеры (Рис.3).
Рис.3. Лазерный луч в растворе жидкости