Контрольные вопросы. Теория метода и описание установки

1. Ознакомиться с экспериментальной установкой.

2. Включите питание излучателя.

3. Ориентировав соосно рупорные антенны излучателя и приемника, добиться максимального отклонения стрелки индикатора.

4. Используя двояковыпуклую и плосковыпуклую линзы, проверить наличие эффекта фокусировки электромагнитных волн.

5. Определить направление поляризации и электромагнитной волны с помощью поляризаторов.

6. Используя набор поглотителей разного рода материалов и толщины, определить коэффициенты поглощения по закону Бугера-Ламберта.

7. Построить диаграмму направленности рупорной антенны излучателя в полярных координатах с шагом в 10°.

 

Контрольные вопросы

1. Что такое э/м волна?

2. Что такое осциллятор?

3. Условия возникновения э/м водны?

4. Что такое поляризация э/м волны?

5. Какие виды поляризации существуют?

6. Что такое диаграмма направленности?

7. Как построить полярную диаграмму?

 

 

Лабораторная работа № 402

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА

Цель работы - изучение законов геометрической оптики, знакомство с рефрактометрическим методом исследования веществ, определение зависимости показателя преломления от концентрации раствора.

Приборы и принадлежности: рефрактометр УРЛ, набор растворов сахара с известной концентрацией, раствор с неизвестной концентрацией сахара, дистиллированная вода.

 

Теория метода и описание установки

При распространении света через границу двух сред наблюдается его частичное отражение от границы раздела под углом i и частичноепреломление во вторую среду под углом r (рис. 2.1).

Рис. 2.1.

 

 

Законы геометрической оптики утверждают, что:

1) свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно;

2) отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол отражения i' (рис. 2.1) равен углу падения i (закон отражения света);

3) луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношениесинусаугла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред (закон преломления света)

, (2.1)

где n₁ и п₂ - абсолютные показатели преломления первой и второй сред,

п₂₁ - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Абсолютным показателем преломления среды (показателем преломления относительно вакуума) называется отношение скорости распространения света с в вакууме к скорости распространения света v в данной среде

, (с =3×10⁸ м/с) (2.2)

С учетом (2.2) п₂₁ можно представить как

(2.3)

где и - скорости распространения света в первой и во второй среде.

При изменении плотности среды изменяется скорость распространения света в ней и, следовательно, ее показатель преломления (2.2), (2.3).

Среда с показателем преломления п₂ и скоростью распространения света v₂ называется оптически более плотной, чем среда с показателем преломления п₁ и скоростью распространения v₁, если п₂ > п₁, v₂ < v₁. Этому случаю соответствует рис.1, на нем угол падения больше угла преломления.

Показатели преломления газообразных, жидких и твердых тел могут измеряться с большой точностью и являются важнейшими параметрами, характеризующими вещество. На основании изучения значений показателя преломления можно судить о структуре сложных молекул, устанавливать типы химической связи между их атомами, определять с большой точностью процентный состав газообразных и жидких смесей, измерять их плотности, изучать диффузию и другие явления, происходящие в различных средах.

Соответствующий раздел науки, занимающийся такого рода исследованиями, носит название рефрактометрии. В основе рефрактометрического метода исследования лежит формула Лоренц-Лорентца, связывающая показатель преломления п изотропного вещества с числом молекул N в объеме вещества V и поляризуемостью его молекул α:

. (2.4)

Формула (2.4) позволяет находить α по измерениям показателя преломления вещества п. Из нее следует, что для данного химического вещества при данной температуре и для света с заданной длиной волны (эти параметры определяют концентрацию N/V и поляризуемость) выполняется соотношение

(2.5)

где r - плотность вещества, пропорциональная концентрации молекул. Величи­на R называется удельной рефракцией. Практически удельная рефракцияне за­висит от плотности вещества. Следовательно, изменение плотности вещества (например, концентрации раствора) влияет на величину его показателя преломления.

Предлагаемый метод измерения показателя преломления растворов с помощью рефрактометра УРЛ основан на использовании явления полного внутреннего отражения света. Оно имеет место при переходе светового луча из оптически более плотной среды в среду с меньшей плотностью.

Пусть луч света выходит из стекла в воду (n_ст > n_воды) под разными углами преломления r₁<r ₂ <r ₃ (рис. 2.2).

Им соответствуют углы падения i₁< i ₂< i₃. Луч 3 после преломления скользит по границе двух сред АВ, т.е. r₃=90⁰.

 

Рисунок 2.2.

Если угол падения будет больше угла i₃, то луч света полностью отразится от границы АВ в стекло (луч 4 и 4'), причем интенсивности отраженного и падающего лучей будут одинаковы. Это явление называется явлением полного внутреннего отражения.

Угол падения, при котором преломленный луч скользит по границе раздела двух сред, называется предельным углом полного внутреннего отражения.

На рисунке 2.2 i_пр=i₃. С учетом (2.1) sin i_nр=n₂₁.

Основными элементами оптической схемы рефрактометра являются две призмы АВС и А'В'С' (рисунок 2.3). Они изготавливаются из стекла сорта флинтгласа с большим показателем преломления (п =1,72).

Между призмами вводят несколько капель исследуемой жидкости, которая расплывается в тонкий (0,02 мм) слой при опускании верхней призмы на нижнюю.

Пучок света от осветителя, пройдя через грань А'С' осветительной приз­мы А'В'С', падает на ее матовую грань А'В', соприкасающуюся с жидкостью и рассеивающую свет в этой жидкости по всем направлениям. Часть рассеянных лучей падает на грань АВ второй, измерительной призмы АВС под различными углами. Наибольший возможный угол падения лучей 1,2,3 равен r= 90°. Ему соответствует угол преломления i_пр- предельный угол полного внутреннего отражения, если бы угол i_np был углом падения, а r - углом преломления для тех же двух сред. Это возможно по принципу обратимости хода световых лучей в геометрической оптике (см. на рисунках 2.2 и 2.3 ход лучей 3 и 3').

 

c ´

Рисунок 2.3.

 

В поле зрения трубы Т рефрактометра, поставленной на пути лучей, про­шедших систему двух призм, наблюдаются две области: одна светлая, куда преломленные лучи проходят (нижняя половина), другая темная, куда лучи не проходят. Положение границы светотени, наблюдаемой через окуляр рефрактометра, определяет предельный угол i_np, величина которого зависит от плотности (концентрации) исследуемого раствора. Он же определяет показатель преломления раствора n₂₁ (2.1).

Для разных длин волн света показатели преломления различны (явление дисперсии). Поэтому при освещении призм рефрактометра естественным све­том граница светотени будет окрашена в разные цвета и не будет отчетливо резкой. Устранить эту окрашенность можно вращением на рефрактометре дисперсионного кольца-компенсатора (см. указания на лабораторном стенде).

В окуляре трубы зрения рефрактометра имеется две шкалы: показателя преломления n₀ (слева) и процентного содержания сухих веществ 0% (справа), а также перекрестие сетки. Отсчет соответствующих величин производится по положению границы светотени, совмещенной с центром перекрестия сетки.