1 Лабораторная работа № 0 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВА С ПОМОЩЬЮ ЗАКОНОВ ПРЕЛОМЛЕНИЯ И ПОЛНОГО ОТРАЖЕНИЯ Цель работы: изучение законов отражения, преломления и полного отражения света. Оборудование: прозрачный полуцилиндр, осветитель с узкой щелью, источник питания, диск с разметкой. Все мы знаем что такое «солнечный зайчик», в детстве мы наблюдали как свет, от солнца падающий на поверхность зеркала отражался, при чем мы могли наблюдать что он отражался под строго определенным углом, а именно пот тем же углом пот которым он упал на зеркало. Объясняется это тем, что пучок света, падая на зеркало, отражается от него, то есть изменяет направление. Солнечный «зайчик» — это след отражённого пучка света на каком-либо экране. Опыт показывает, что свет всегда отражается от границы, разделяющей две среды разной оптической плотности. γ Рис. 1 При отражении пучка света от гладкой поверхности можно обнаружить, что луч падающий и луч отраженный (рис. 1) лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, восставленным в точке падения. Угол падения α равен углу отражения γ: α = γ. (1) Это утверждение называют законом отражения света. γ β 2 Рассмотрим случай, когда свет переходит из одной среды в другую. На границе раздела происходит отражение части падающего на неё света, а остальная часть света проникает в новую среду. Если свет падает под углом к поверхности раздела, отличным от прямого, то на границе световой луч изменяет своё направление. Это и называется явлением преломлением света. Явление преломления света наблюдается на границе двух прозрачных сред и объясняется разной скоростью распространения света в различных средах. В вакууме скорость света составляет приблизительно 300000 км/с, во всех других средах она меньше. Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред: sin n sin (2) Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления. Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления: n n2 . n1 Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2: n 2 . 1 Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде: n с . В большинстве случаев приходится рассматривать переход света через границу воздух - твердое тело или воздух - жидкость, а не через границу вакуум среда. Однако абсолютный показатель преломления n2 твердого или жидкого вещества отличается от показателя преломления того же вещества относительно воздуха незначительно. Так, абсолютный показатель преломления воздуха при нормальных условиях для желтого света равен приблизительно n1 1,000292. Следовательно, n n2 n2 . n1 Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной. При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n2 < n1 (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это яв- 3 ление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол αпр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения. При прохождении света из оптически менее плотной среды в более плотную, например, из воздуха в стекло или воду n1 n2 ; и согласно закону преломления показатель преломления n 1 , поэтому (рис.3 а): преломленный луч приближается к перпендикуляру к границе раздела сред. α β β α б а Рис.3 Если направить луч света в обратном направлении – из оптически более плотной среды в оптически менее плотную вдоль бывшего преломленного луча (рис. 3 б), то закон преломления примет следующий вид: (3) Преломленный луч по выходе из оптически более плотной среды пойдет по линии бывшего падающего луча, поэтому < , т. е. преломленный луч отклоняется от перпендикуляра. По мере увеличения угла угол преломления больше угла и также увеличивается, становясь всё время еще больше. Наконец, при некотором угле падения значение угла преломления приблизится к 90 и преломленный луч пойдет почти по границе раздела сред (рис. 4) Наибольшему возможному углу преломления =90 соответствует угол падения = αпр. n1 β=90° n2 αпр 4 Рис. 4 Попробуем выяснить, что произойдет при >пр. При падении света на границу двух сред световой луч, как об этом уже упоминалось, частично преломляется, а частично отражается от нее. При >пр преломление света невозможно. Значит, луч должен полностью отразиться. Это явление и называется полным отражением света. Для наблюдения полного отражения можно использовать стеклянный полуцилиндр с матовой задней поверхностью. Полуцилиндр закрепляют на диске так, чтобы середина плоской поверхности полуцилиндра совпадала с центром диска (рис.5). Узкий пучок света от осветителя направляют снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается. Отражение происходит в соответствии с законом отражения, a преломление – в соответствии с законом преломления. Рис. 5 Если увеличивать угол падения, то можно заметить, что яркость (и следовательно, энергия) отраженного пучка растет, в то время как яркость (энергия) преломленного пучка падает. Особенно быстро убывает энергия преломленного пучка, когда угол преломления приближается к 90. Наконец, когда угол падения становится таким, что преломленный пучок идет вдоль границы раздела (рис. 4), доля отраженной энергии составляет почти 100%. Повернем осветитель, сделав угол падения большим пр. Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела, т. е. происходит полное отражение света. При β=90° получаем sin=1, формула (3) принимает вид: sin пр 1 n (4) Из этого равенства и может быть найдено значение предельного угла полного отражения пр. Для воды (n=1,33) он оказывается равным 4835', для стекла (n=1,5) он принимает значение 4151', а для алмаза (n=2,42) этот угол составляет 2440'. Во всех случаях второй средой является воздух. Показатель преломления зависит от длины волны света, т. е. от его цвета. Различным цветам соответствуют различные показатели преломления. Это явление, называемое дисперсией, играет важную роль в оптике. В таблице 1 представлен перечень наиболее часто встречающихся веществ и их показателей преломления для белого света. 5 Показатели преломления различных сред Таблица 1. Среда Показатель n Среда Воздух (при обычных 1,0002926 Киноварь условиях) Вода 1,332986 Топаз Глицерин 1,4729 Лёд Бензол 1,500 Масло оливковое Фианит (CZ) 2,15–2,18 Спирт этиловый Кремний 4,010 Слюда Кварц 1,544 Стекло Показатель n 3,02 1,63 1,31 1,46 1,36 1,56–1,60 1,43 — 2,17 Ход работы. Упражнение № 1 1. Узкий пучок света от осветителя направьте снизу на боковую поверхность полуцилиндра перпендикулярно его поверхности. На этой поверхности луч не преломляется. На плоской поверхности луч частично преломляется и частично отражается. Отражение происходит в соответствии с законом отражения, a преломление – в соответствии с законом преломления. 2. Поверните осветитель так, чтобы угол падения света на плоскую грань полуцилиндра относительно перпендикуляра к этой гране стал равен 10ْ . Проверьте, попадает ли свет в середину плоской грани полуцилиндра. Измерьте и занесите в таблицу значения улов падения, отражения и преломления света. 3. Повторите опыт 5 раз, увеличивая каждый раз угол падения на 10ْ . 4. Заполните таблицу. № Опыта 1 2 3 4 5 Угол падения α, º Sin(α) Угол отражения γ, º Угол преломления β, º Sin(β) Показатель преломления n 5. По результатам измерений сделайте вывод о том, как зависит угол отражения света от угла падения. 6. После проведённой серии опытов вычислите значения синусов углов падения и преломления для каждого из них, после чего по полученным значениям вычислите отношение синусов углов падения и преломления (2), т.е. показатель преломления вещества из которого изготовлен полуцилиндр. 7. Сравните значения полученных отношений, найдите среднее значение показателя преломления. 6 Упражнение №2. 1. Направляем луч света так, как изображено на рисунке 4. Увеличивая угол падения, добиваемся полного отражения света. Мы увидим, что преломленный пучок исчез и весь свет отражается от границы раздела, т. е. происходит полное отражение света. 2. Определив угол падения, при котором происходит полное отражение света, вычисляем по формуле (4) показатель преломления вещества, из которого сделан полуцилиндр. 3. По полученному показателю преломления и приложенной таблице (Таблица 1) определите из какого вещества сделан используемый в нашей работе прозрачный полуцилиндр. Контрольные вопросы: 1. В чем состоит явление полного внутреннего отражения света? При каких условиях оно возможно? 2. Приведите примеры наблюдения полного отражения. 3. Какой угол называется предельным углом полного внутреннего отражения? По какой формуле можно его вычислить? 4. Чему равен предельный угол полного отражения на границе алмаз – воздух? 5. Может ли произойти явление полного внутреннего отражения при переходе светового луча из воды в стекло? Литература: 1) http://www.ftl.kherson.ua/EDU/OC/op26p2/content/chapter3/section/paragraph1/theory.html 2) http://optika8.narod.ru/norma.htm 3) http://www.fizika9kl.pm298.ru 4) http://egephizika.26204s024.edusite.ru/DswMedia/optika1.htm
