Цель работы — определение скорости света в растворах

Лабораторная работа №5.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ СВЕТА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ
КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ
РЕФРАКТОМЕТРА
Цель работы — определение скорости света в растворах жидкостей по
экспериментально установленной с помощью рефрактометра зависимости
показателя преломления от концентрации растворов.
Показатель преломления является основной характеристикой оптических
свойств среды. Абсолютный показатель преломления n (или просто показатель
преломления) показывает, во сколько раз скорость света в среде υ меньше, чем
в вакууме.
n = c/υ,
(1)
где с — скорость света в вакууме, одинаковая для волн всех длин.
Относительным показателем преломления двух сред называют
величину, показывающую, во сколько раз скорость света в одной среде υ1
больше (или меньше), чем в другой υ2:
n21 = υ1/υ2.
(2)
Очевидно, что относительный показатель преломления двух сред равен
отношению абсолютных показателей преломления:
n21 = n2/n1.
(3)
Чтобы разобраться в сущности явления полного внутреннего отражения,
проследим по рис. 2, как с увеличением угла падения увеличиваются углы
отражения и преломления.
Луч
преломленный
r
n1
n2
n2
i
Луч
падающий
r= π/2
n1
Луч
отражённый
n1
Луч преломленный
n2
θ
Луч
падающий
i
Луч
отраженный
Рис. 1
Луч
падающий
–i
Луч
отраженный
При угле падения θ, называемом предельным, преломленный луч скользит
вдоль поверхности раздела сред, т. е. угол преломления r = 90° (π/2 рад). При
угле падения, большем предельного (i  θ), наступает полное внутреннее
отражение — свет совсем не переходит в первую среду и, полностью отражаясь,
остается в оптически более плотной среде. При этом интенсивность отраженного
луча возрастает, а преломленного уменьшается.
При угле падения, равном предельному углу θ, закон преломления имеет
вид
sin
n
 2 ,
sin(  / 2) n1
или
n
sin   2 .
n1
Зная показатель преломления n2 и измерив предельный угол θ, можно
найти показатель преломления n1:
n1 
n2
.
sin 
Для определения показателя преломления используют приборы,
называемые рефрактометрами. В нашей лаборатории применяется
рефрактометр, действие которого основано на явлении полного внутреннего
отражения. Это явление может иметь место при переходе света из среды с
бόльшим показателем преломления n2 в среду с меньшим показателем
преломления n1 (см. рис. 1).
Методика измерения
Рефрактометр служит для измерения показателя преломления в
зависимости от концентрации раствора C (%) исследуемой жидкости.
Основной частью рефрактометра является призма (основная призма — ОП) с
известным показателем преломления, большим показателя преломления
исследуемой жидкости n1. Кроме того, имеется вторая, дополнительная,
призма (ДП) с матовой гранью (откидная), которой она соприкасается с
основной призмой (рис. 4). Когда призмы сложены, между ними образуется
зазор толщиной 0,1 мм. В этот зазор вводят исследуемую жидкость (Ж). Свет,
отраженный от зеркала (З), попадает в рефрактометр через дополнительную
призму (ДП). На матовой грани он рассеивается и входит в жидкость под
самыми различными углами. Луч, скользящий вдоль границы раздела
жидкости и основной призмы, входит в эту призму под углом θ, т. е. под
предельным (критическим) углом. Угол θ определяет границу
распространения света в основной призме, так как угла больше θ быть не
может.
Свет, выходящий из основной призмы, попадает в зрительную трубу.
Поле зрения оказывается разделенным на две части — темную и светлую.
Положение границы раздела светлой и темной частей поля зрения
определяется углом θ, следовательно, зависит от показателя преломления
жидкости. Трубу поворачивают вокруг горизонтальной оси до тех пор, пока
перекрестие нитей окуляра не будет совмещено с границей раздела света и
тени. С трубой связан указатель, который дает возможность отсчитывать по
шкале величину показателя преломления жидкости n. Показатель
преломления, измеренный на рефрактометре, соответствует лучам света с
длиной волны 690 мкм (красный свет), что ослабляет дисперсию на границе
раздела темного и светлого полей зрения.
Темное поле
Светлое поле
ОП
θ
Ж
ДП
N
Луч света
З
Рис. 4
Порядок выполнения работы
1. Осмотрите рефрактометр и разъедините расположенные под правой
трубой призмы. С помощью винта освободите дополнительную призму (ДП)
с матовой поверхностью и основную призму (ОП). Промойте их поверхности
несколькими каплями дистиллированной воды, а затем просушите их
фильтровальной бумагой.
2. Поставьте нижнюю призму (ДП) горизонтально и нанесите на ее
поверхность несколько капель дистиллированной воды. После этого вновь
соедините призмы и прижмите их винтом.
3. Наклоните правую зрительную трубу, связанную с призмами, на себя
до упора и на протяжении опытов не меняйте ее положение. Поставьте
зеркало (З) в такое положение, чтобы свет от красного фонаря падал на
нижнюю грань дополнительной призмы (ДП). Установите окуляр правой
зрительной трубы по глазу так, чтобы отчетливо было видно перекрестие
нитей. Вращая компенсатор (К), добейтесь резкой границы между светлой и
темной частями зрительного поля. Поворачивайте призмы компенсатором до
тех пор, пока перекрестие нитей не окажется совмещенным с горизонтальной
границей раздела полей. Глядя в левый окуляр, определите цену деления
шкалы рефрактометра и снимите величину показателя преломления n
дистиллированной воды.
4. Таким же способом измерьте показатели преломления пяти растворов
известной концентрации. Заменяя испытуемые жидкости, каждый раз
промывайте поверхности призм и просушивайте их фильтровальной бумагой.
Начинать надо с раствора самой маленькой концентрации.
5. Измерьте показатели преломления двух растворов с неизвестной
концентрацией.
6. Все экспериментальные данные занесите в таблицу.
7. По формуле (1) вычислите скорость света в дистиллированной воде и
во всех растворах.
8. Используя полученные результаты, постройте график зависимости
скорости света от показателя преломления растворов υ = f(n).
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
Концентрация
раствора С, %
0
Показатель
преломления n
Скорость света υ, м/с
Контрольные вопросы
1. Что характеризуют абсолютный и относительный показатели преломления вещества?
2. Как зависит абсолютный показатель преломления от электрических и
магнитных свойств среды?
3. В чем заключается явление полного внутреннего отражения? Какой
угол называют предельным (критическим)?
4. Почему при работе с рефрактометром поле зрения оказывается
разделенным на светлую и темную области?
5. Что такое современное стекловолокно и как свет распространяется
внутри него, не выходя в окружающую среду?
6. Как применяется стекловолоконная оптика в настоящее время и
каковы перспективы ее использования?