Лабораторная работа 3 Определение коэффициента

Лабораторная работа 3
Определение коэффициента преломления плоскопараллельной
стеклянной пластины.
Н.И.Ескин, И.С.Петрухин
Описание и методика проведения опытов подготовлены под редакцией проф кафедры общей
физики МФТИ Локшина Г.Ρ.
Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с материалом
[1],[2].
При определении коэффициента преломления стекла и для построения
схемы опыта используется особенность прохождения луча света через
плоскопараллельную пластину (рис.1).
Луч лазера падает под углом φ0 на плоскопараллельную пластину из
стекла. Коэффициент преломления воздуха n0 , коэффициент преломления
пластинки - n1 . В пластинке луч лазера отклоняется и распространяется под
углом φ1. Угол преломления луча φ1 зависит от коэффициента преломления - n1.
Согласно закону преломления Снеллиуса, (см.[1]), преломленный луч
лежит в плоскости падения, причем отношение синуса угла падения φ0 (рис.1) к
синусу угла преломления φ1 для рассматриваемых сред зависит только от длины
световой волны, но не зависит от угла падения, т.е.
Постоянная величина п10 называется относительным показателем или
коэффициентом преломления второй среды относительно первой. Показатель
преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем
(коэффициентом) преломления этой среды. Его будем обозначать через n ,
снабжая эту букву соответствующим индексом.
Относительный показатель преломления п10 выражается через
абсолютные показатели п0 и п1 соотношением:
С учетом (2) закон преломления можно записать в симметричной форме:
Чем
больше
коэффициент
преломления,
тем
меньше
угол
преломления. На выходе из плоско-параллельной пластины луч лазера опять
идет параллельно начальному направлению, но со сдвигом на величину h0
(см.рис.1).
Из рисунка видно, что чем больше толщина пластины d0 , тем
больше параллельный
снос лазерного луча h0 .
Величина сдвига луча
(параллельного переноса) зависит от угла преломления и толщины пластины.
Зная величину параллельного сноса луча можно найти коэффициент
преломления n1 для пластины. Для этого вернемся к рис. 1.
Рассмотрим треугольники АСЕ, ADE и ABD. Параллельное смещение
луча BD на величину h0 можно найти как:
BD = h0 = d0 [tg φ0 - tg φ1 ] Sin(90° - φ0)
Учитывая
соотношение (3)
можно
записать
(4)
для коэффициента
преломления n1 пластины:
Зная взаимосвязь угла падения φ0, угла преломления φ1, величину угла
преломления φ0 , коэффициента преломления воздуха n0 и толщины пластины
d0 , можно найти коэффициент преломления п1 для пластины.
Цель работы.
В работе изучается прохождение света через плоскопараллельную
пластину и определяется величина коэффициента преломления стекла.
Принадлежности: направляющая, набор рейтеров, полупроводниковый
лазер для лабораторных работ, кассета для стеклянных пластин, стеклянные
пластины, экран, линейка, лист бумаги, карандаш, магнитные шайбы.
Методика проведения. Для наблюдения параллельного смещения луча
лазера плоскопараллельной пластиной используется установка, схема которой
дана на рис.2. Схема собирается на направляющей (рис.3).
Согласно схеме лазер (1) устанавливают в положение 1 направляющей
(4). Экран ставят в положение 7 направляющей. На нем закрепляют чистый лист
бумаги с помощью магнитных шайб. После этого в положение 4 помещают
кассету для пластин. Затем делают отметку карандашом положения луча лазера
на экране Каждый раз когда устанавливается пластина, положение луча
смещается. Новое положение луча отмечают на экране карандашом.
После
проведения опыта бумагу снимают и линейкой измеряют расстояния между
отметками и определяют смещения луча. Угол, под которым стоят пластины,
определяют с помощью транспортира. Толщину пластины измеряют линейкой
(или штангенциркулем).
Величина коэффициента преломления воздуха n0
находится по справочной литературе.
Измерения проводят несколько раз,
определяются средние значения и ошибки По расчетной формуле определяют
коэффициент преломления п1 пластины из кварцевого стекла. Это значение
сравнивают с табличными данными.
Задание
1.Соберите
схему согласно рис.2. Для этого лазер в оправе и на рейтере
ставится в положение 1 направляющей (см.рис.5), кассета для пластин в
оправе и на рейтере ставится в положение 4 направляющей. Экран
наблюдения Э, помещается на рейтере в положение 7 направляющей. На
экране закрепляется чистый лист бумаги с помощью магнитных шайб.
Положение лазерного луча отмечается карандашом на листе бумаги.
2.В
кассету ставится одна за другой плоскопараллельные пластины. При
постановке каждой пластины лазерный луч смещается. Новое положение
луча отмечается карандашом. После этого пластины снимаются. Бумага
сдвигается. Затем снова делается отметка положения лазерного луча без
пластин. Снова вносятся пластины и положение луча отмечается
карандашом. Делается не менее пяти повторов. Определяется среднее
значение сдвига и дается оценка ошибки.
3.Кассета
для образцов разворачивается на 180°. В этом случае смещение
лазерного луча будет происходить в обратную сторону. Для этого
положения образцов повторяются измерения п.2.
4.Зная
геометрию опыта и полученные значения смещения, определите по
формуле (5) коэффициент преломления стеклянной пластины, дайте
оценку ошибки опыта и сравните результаты с табличными значениями.
Литература
1.Сивухин Д.В. Общий курс физики. T.IV. Оптика. - М.: Наука, 1980. гл.1. § 2.
2.Кузнецов Е.П. Сборник задач со справочным материалом и решениями Протвино: РЦФТИ, 1997.
Рис. 1 Схема прохождения лазерного луча через плоскопараллельную
пластину
1. Лазер. 2.Пластины. 3.Экран. 4.Направляющая
Рис.2
Рис. 3 Направляющая