МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ МОГИЛЕВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ КАФЕДРА ФИЗИКИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
МОГИЛЕВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА ФИЗИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N1
"ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА."
Раздел "Оптика" курса общей физики для студентов всех специальностей
Могилев 1999
2
УДК 53
Рассмотрено и рекомендовано к изданию на заседании кафедры физики
"4" июня 1999 г. (протокол № 10)
Составитель: ассистент Светлова Т.В.
Рецензенты: доцент Цупрев Н.И., доцент Скапцов А.С..
С
Могилевский технологический институт
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение законов распространения света в различных средах
и определение показателя преломления стекла.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: микроскоп, стеклянные пластинки со
штрихами на обеих поверхностях, осветитель, микрометр
(штангенциркуль).
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ
Первые законы оптических явлений были установлены на основании
представлений о прямолинейности световых лучей. Эти законы относятся к
изменениям направления распространения света при отражении от границы
раздела двух сред и при переходе света из одной прозрачной среды в другую.
В геометрической оптике рассматривают распространение световых лучей без
каких-либо представлений об их природе. Каждый световой луч представляет
собой линию, вдоль которой распространяется лучистая энергия. Такое
представление о свете, с точки зрения волновой оптики, не всегда может дать
объяснение наблюдаемым явлениям. Но для объяснения обширного класса
явлений и конструирования многих весьма важных приборов это упрощенное
представление вполне достаточно. К числу явлений, рассматриваемых в
геометрической оптике, принадлежат отражение и преломление света.
При прохождении света через ровную и плоскую границу двух
прозрачных веществ неодинаковой оптической плотности падающий луч света
АО (рис.1) разделяется на два луча - отраженный луч ОВ и преломленный луч
ОД.
P
A
i
B
i'
v1
v2
I
O
II
r
D
Рис.1
Направление этих лучей определяется следующими законами отражения
и преломления света:
4
1. Луч АО, падающий на преломляющую поверхность, нормаль к
поверхности в точке падения РОР, луч отраженный ОВ и луч преломленный
OD лежат в одной плоскости.
2. Угол отражения i' численно равен углу падения i.
3. Синус угла падения i относится к синусу угла преломления r, как
скорость света в первой среде v1 относится к скорости света во второй среде v2.
Отношение синуса угла падения sin i к синусу угла преломления sin r является
величиной постоянной для данных двух сред и называется относительным
показателем преломления n21 второй среды относительно первой, т.е.
sin i
= n21 ,
(1)
sin r
Относительный показатель преломления равен отношению скоростей
распространения световой волны в первой и второй средах:
v
n21 = 1 ,
(2)
v2
Если одна из сред, например, I - вакуум, то показатель преломления n
данной среды по отношению к вакууму называется абсолютным показателем
преломления данной среды.
Абсолютный показатель преломления среды:
c
n2 = ,
(3)
v2
где с - скорость света в вакууме (с=3*108 м/с), v2 - скорость света во
второй среде.
Следовательно, абсолютный показатель преломления
или просто
показатель преломления среды есть отношение скорости света в вакууме к
скорости света в данной среде:
A
P
i
v1
I
O
v2
II
r'
r
B
D
P
Рис.2
5
c
n= ,
v
(4)
Относительный показатель преломления двух сред n21 связан с
абсолютными показателями преломления сред n1 и n2 таким образом:
v
n
n21 = 1 = 2 ,
(5)
v2 n1
Опыт показывает, что если луч , идя из второго вещества (рис. 2), падает на
границу раздела под углом r , то он пойдет в первом веществе под углом i,
связанным с углом r тем же соотношением (1):
sin i
= n21
sin r
С другой стороны, можно записать
sin r
= n21 ,
(6)
sin i
где n21 - относительный показатель преломления первого вещества по
отношению ко второму. Из сравнения формул (1) и (6) можно установить
связь между обоими показателями n21 и n12:
1
n21 =
,
(7)
n12
Таким образом, показатель преломления первого вещества по отношению
ко второму и показатель преломления второго вещества по отношению к
первому являются взаимно обратными величинами.
Для определения показателя преломления веществ существуют
различные методы. Одним из них является метод определения показателя
преломления стекла при помощи микроскопа. В основе его лежит кажущееся
уменьшение толщины стеклянной пластинки или слоя жидкости при
наблюдении их со стороны одной из ограничивающих поверхностей. Нижняя
поверхность кажется
S
A
A
Рис.3
6
расположенной ближе к верхней , чем в действительности. Из точки S
(рис.3) рассмотрим предмет А, помещенный на дно сосуда, наполненного
прозрачной жидкостью. Благодаря преломлению АО в жидкости предмет будет
казаться приподнятым в точку А1.
Рассмотрим слой прозрачной среды, ограниченной двумя плоскими
поверхностями ММ и NN (рис.4). Толщина слоя d. Если рассматривать
пластинку сверху, то нанесенный на поверхность ММ штрих будет казаться на
поверхности М'M'.
Рассмотрим два луча OCD и ОВЕ, исходящих из одной точки плоскости
О и попавших в глаз наблюдателя или объектив микроскопа. После
преломления эти лучи пойдут в направлении CD и ВЕ. На рис. 4 углы i и r
соответственно углы падения и преломления лучей ОС и CD. Точка О' , в
которой пересекутся продолжения лучей CD и ВЕ в сторону, обратную
направлению их распространения, будет являться мнимым изображением
точки О. Совокупность точек, аналогичных О', образуют мнимое изображение
M'M' нижней плоскости ММ. Кажущаяся толщина d1=М1N меньше
действительной толщины d=MN.
D
E
N
r
r
N
Z
B
C
r
M'
M
d1
O'
d
O
M'
M
Рис.4
Найдем связь между показателем преломления стекла n, действительной
и кажущейся толщиной d и d1. Треугольники OZC и O'ZC прямоугольные, ZC у них общий катет, для которого можно записать соотношения:
ZC = O'Z tg r = d1 tg r
ZC = OZ tg i = d tg i ,
откуда
d1 tg r = d tg i,
или
7
d tgr
=
.
d1 tgi
Для лучей, близких нормально падающим лучам, углы падения и
преломления малы. В этом случае синусы можно заменить тангенсами:
tg i ≈ sin i
tg r≈ sin r
d
sin i
=
.
d1 sin r
sin i 1
Согласно закону преломления
= ,
sin r n
где n - показатель преломления пластинки.
Сравнивая последние две формулы, получим для показателя преломления
следующее выражение:
d
n=
(8).
d1
Из этого соотношения видно, что кажущаяся толщина пластинки меньше
ее действительной величины в n раз. Определив d и d1 можно найти показатель
преломления вещества, из которого изготовлена пластинка.
Действительная толщина пластинки измеряется микрометром или
штангенциркулем.
Кажущаяся толщина пластинки d1 находится при помощи микроскопа.
Микроскоп состоит из двух собирающих линз: объектива и окуляра.
Напомним, что линзой называют прозрачное тело, ограниченное двумя
сферическими поверхностями. Для построения изображений, получаемых с
помощью собирающей линзы, фокусы и оптический центр которой заданы,
можно использовать любые два из трех "удобных" лучей, ход которых через
линзу известен:
- лучи, параллельные главной оптической оси, которые после
преломления проходят через фокус линзы;
- лучи, идущие к линзе через ее фокус, которые после преломления
пойдут параллельно главной оптической оси;
-. лучи, проходящие через оптический центр линзы, которые не меняют
своего направления.
Построим изображение предмета АВ (рис. 5). Чтобы найти изображение точки
А, направим луч АС параллельно главной оптической оси. После преломления
он пойдет через фокус линзы. Другой луч - АD - можно направить через фокус.
После преломления он пойдет параллельно главной оптической оси. В точке
пересечения этих двух преломленных лучей будет находиться изображение А1
точки А. Также можно построить и все остальные точки изображения.
8
A
C
O
B
B1
F
F
A1
D
Рис. 5
Аналогично строится изображение предмета АВ микроскопе (рис.6)
Ок
Об
А
В
F1
F1 F2
В'
В1
F2
А1
A'
Рис.6
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Измерить микрометром не менее трех раз толщину исследуемой
пластинки в точке пересечения штрихов.
2. Поместить пластинку на предметный столик микроскопа так, чтобы на
продолжении оси тубуса находилась точка пересечения штрихов. Пластинку
закрепить. Свет от лампы с помощью зеркала направить на пластинку.
3. Повернуть маховичок микрометрического механизма точной
фокусировки на себя до упора. При этом нулевое деление маховичка должно
совпадать со штрихом на неподвижной части микрометрического механизма.
(Внимание!!! Поворачивать маховичок механизма точной фокусировки очень
осторожно, не применяя больших услий, т.к. в крайних положениях от
неосторожного нажима может произойти поломка стопорного механизма).
9
Вращая маховичок механизма грубой наводки, сфокусировать микроскоп
на отчетливое видение штриха на верхней части пластинки.
4. Опустить тубус микроскопа, вращая маховичок микрометрического
механизма точной наводки, и сфокусировать микроскоп на точное видение
штриха на нижней поверхности пластинки. Записывают показание барабана
микрометра k. Затем возвратить тубус микроскопа в исходное положение,
вращая маховичок микрометрического механизма считать число оборотов
механизма точной фокусировки N.
Рассчитать кажущуюся толщину пластинки, учитывая, что один оборот
маховичка микрометрического механизма соответствует перемещению тубуса
микроскопа на 0,1мм, а цене деления барабана микрометрического механизма
равна 0,002мм.
d1 = N*0,1 + k*0,002 (мм)
5. Повторить измерения не менее трех раз.
6. По формуле (8) рассчитать показатель преломления стеклянной
пластинки, подставляя среднее значение d и d1.
7. Рассчитать погрешности измерения показателя преломления.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сформулируйте основные законы геометрической оптики.
2. Как связан показатель преломления среды со скоростью
распространения света в ней?
3. Почему при рассмотрении предмета через стеклянную пластинку он
кажется ближе?
4. При каких условиях справедлива расчетная формула?
5. Выведите расчетную формулу.
6. Постройте изображение предмета в микроскопе.
7. Какая точка называется главным фокусом линзы?
8. Постройте изображение в рассеивающей линзе.
10
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики. т.3, - М.: Наука, 1994 г.
2. Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. М.: В.Ш., 1970,
стр.313-317.
3. Трофимова Т.И. Курс общей физики. - М.:ВШ,1997
4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.:ВШ, 1989
11
Составитель: Светлова Татьяна Вячеславовна
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 1
" ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА.
"
Раздел “Оптика” курса общей физики
для студентов всех специальностей
Нормоконтроль
Редактор
Лицензия N226 от 12.02.98
Подписано в печать
Печать офсетная. Усл.печ.л.
Тираж
Заказ
Отпечатано на ротапринте МТИ.
212027, г.Могилев, пр.Шмидта 3
Хасаншина С.А.
Стрельцова С.Г.
Формат 60х84
Уч.изд.л.
Бесплатно
1/16