КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ВМ № 6

ИЗУЧЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА

ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

И ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПРИБОРА

Прибор гониометр Г-5 имеет подключение к электрической сети.

При работе соблюдать нормы электробезопасности согласно инструкции №170, определяющей правила работы в лаборатории оптики.

. Гониометр Г-5, на котором предстоит выполнять работу, – точный оптический прибор, служащий для измерения углов с точностью до 1 секунды. Прибор настроен так, чтобы обеспечить успешное проведение измерений при минимальных затратах времени, поэтому не рекомендуется сбивать настройку прибора. Необходимо пользоваться только органами управления, помеченными цифрами. Нельзя прилагать больших усилий при работе с узлами и органами управления прибора. Прибор настроен, рекомендуется выполнять только те операции и в той последовательности как указано в описании.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: наблюдение дисперсии света, определение зависимости показателя преломления от длины волны светового излучения для конкретного вещества.

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: гониометр Г-5, стеклянная призма.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Одним из наиболее давно известных человеку оптических эффектов является преломление света, заключающееся в том, что при переходе через границу двух сред луч света скачком меняет свое направление, как бы претерпевает излом.

Преломление света характеризуется относительным показателем преломления. Пусть линия представляет границу раздела двух сред, которые мы условно назовем среда 1, среда 2 (рис.1).

В соответствии с законом геометрической оптики относительным показателем преломления среды 2 относительно среды 1 называется физическая величина, равная:

, (1)

где - угол падения луча, - угол преломления. В случае, если среда 1 – вакуум, показатель преломления называют абсолютным.

Явление преломления получает логическое и последовательное объяснение с позиций электромагнитной волновой теории света. При переходе светового луча из одной среды в другую меняется скорость распространения и длина волны светового излучения, а частота колебаний поля волны, определяющая цветность светового луча, остается неизменной.

Рис. 1.Ход лучей при преломлении

Волновые представления приводят к выводу, что относительный показатель преломления среды 2 относительно среды 1 может быть выражен следующим образом:

, (2)

где – скорость распространения света в среде 1; – скорость распространения света в среде 2.

Абсолютный показатель преломления среды п может быть записан, как это следует из (2), в виде:

, (3)

где с – скорость света в вакууме; – скорость света в среде.

Если известны абсолютные показатели преломления сред, то их относительный показатель , как легко показать, может быть выражен через абсолютные показатели п₁ и п₂:

. (4)

Среда, у которой показатель преломления больше, называется оптически более плотной, чем сравниваемые с нею.

С точки зрения электромагнитной волновой теории скорость распространения света зависит от характеристик среды – диэлектрической и магнитной проницаемостей. Соответствующие выкладки приводят к следующему результату:

, (5)

где – электрическая и магнитная постоянные; – диэлектрическая и магнитная проницаемости соответственно. Скорость света в вакууме . Таким образом, в общем случае

. (6)

На основании формулы (3) и (6) имеем:

. (7)

Так как для прозрачных диэлектриков , то , где под понимается динамическая диэлектрическая проницаемость, т.е. проницаемость в переменном электрическом поле.

Вывод (7) имеет основополагающее значение для понимания и описания одного из очень важных оптических явлений – дисперсии света.

Разложение белого света на семь основных цветов при прохождении его через стеклянную призму было впервые обнаружено и исследовано Ньютоном в 1672 г. Это явление, называемое дисперсией света, обусловлено зависимостью показателя преломления от длины волны излучения , для материала стеклянной призмы показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны (для видимого светового излучения). Такая зависимость называется нормальной дисперсией.

Дисперсия может быть объяснена на основании представлений электромагнитной волновой природы света. Под воздействием электрического поля световой волны электроны, входящие в состав частиц вещества, придут в состояние вынужденных колебаний относительно своих ядер:

, (8)

где – напряженность электрического поля световой волны; х – смещение электрона относительно равновесного состояния на электронной оболочке; – параметр, характеризующий затухание колебаний электрона в атоме (молекуле); – частота собственных колебаний электрона в атоме (молекуле), – заряд и масса электрона (соответственно). Вследствие вынужденных колебаний электронов частицы вещества, становясь источниками вторичных волн, приобретают некоторый электрический момент, величина которого зависит от соотношения частоты собственных колебаний и частоты излучения .

Как известно из курса электричества, электрический момент единицы объема представляет собой вектор поляризации вещества . Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость связаны простым соотношением: .

Соответствующие выкладки при малом поглощении света ( – мало) приводят к результату:

(9)

где – некоторые константы, а – длины волн, соответствующие условиям резонанса. Подробное обоснование этого результата приведено в литературе.

Отметим, что резонансные частоты определяют те участки спектра, которые наиболее интенсивно поглощаются частицами вещества. При этом

определяют линии поглощения вещества. Общий ход дисперсии представлен на рис. 2.

Рис. 2. Общий ход дисперсии при

Область монотонного изменения показателя преломления между двумя соседними линиями поглощения передает характер дисперсии прозрачных веществ и называется нормальной дисперсией.

Рис. 3. Ход луча в призме

В нашей работе исследуется нормальная дисперсия жидкостей. Исследуемое вещество помещается в призматическую кювету. В общем случае расчет показателя преломления по наблюдаемому ходу луча является довольно сложным. Однако если рассматривать ход луча в главном сечении призмы, сечении, перпендикулярном ее ребрам, и при наименьшем угле отклонения , то значение п может быть определено по следующей формуле:

, (10)

где – преломляющий угол призмы, равный в нашем случае 45⁰

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Гониометр Г-5, на котором предстоит выполнять работу, – точный оптический прибор, служащий для измерения углов с точностью до 1 секунды. Прибор настроен так, чтобы обеспечить успешное проведение измерений при минимальных затратах времени, поэтому не рекомендуется сбивать настройку прибора. Необходимо пользоваться только органами управления, помеченными цифрами.

Прибор Г-5 смонтирован на массивном металлическом основании. Его оптическая система состоит из коллиматора 1, обеспечивающего получение параллельного пучка света, зрительной трубы 2 и угломерного устройства 3. Осветитель прибора 4 снабжен набором сменных светофильтров, с помощью которых из дисперсионного спектра можно выделить узкие участки света.

Исследуемое вещество – образец стекла призматической формы, размещается на предметном столике 5, который может вращаться вокруг вертикальной оси. Фиксация столика производится винтом 6, малые перемещения столика вокруг оси – винтом 7. Винты, находящиеся под ними трогать запрещается, так как при этом будет сбита установка угломерного отсчета. Непосредственно под предметным столиком расположен крупногабаритный узел 8, называемый алидадой. Внутри ее корпуса расположен отсчетный лимб. Показания прибора снимаются с помощью отсчетного микрометра 3

Рис. 4. Гониометр Г-5

.

Можно приступать к работе только после ознакомления с инструкцией по технике безопасности и описанием прибора. Электрическая цепь прибора предполагает питание части узлов непосредственно от электрической сети, а части узлов – через понижающий трансформатор. После подсоединения прибора к электрической сети с помощью двух вилок включается питание измерительной оптической линии с помощью тумблера 10 на левой стороне корпуса (внизу), а питание осветительного блока 4 с помощью тумблера 2 на корпусе понижающего трансформатора. Трансформатор имеет регулятор напряжения, позволяющий регулировать накал лампы осветителя. Желательно накал лампы осветителя устанавливать не предельный, а несколько ниже, чтобы не допускать перегрева корпуса. На предметном столике находится стеклянная призма с преломляющими углами 45⁰, 60⁰, 90⁰. Призма закрепляется в держателях, ее положение регулируется так, чтобы обеспечить удачное проведение опыта.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Первоначально развернуть предметный столик так, чтобы биссектриса преломляющего угла призмы 45⁰ была примерно перпендикулярна оси коллиматора (см. рис. 4).

2. Поворачивая рукой алидаду 8 в сторону основания призмы (влево) в зрительную трубу 2 наблюдать спектр.

Рис. 5. Первоначальная установка прибора

1. Определить угол падения , при котором достигается наименьший угол преломления. Для этого медленно поворачивать зрительную трубу в сторону уменьшения угла , как показано на рис. 5, уход спектра из поля зрения трубы необходимо компенсировать соответствующим поворотом столика.

соответствует тому положению трубы, при котором дальнейшее уменьшение невозможно ни при каких компенсирующих вращениях столика: спектр начнет уходить в сторону, противоположную первоначальному уходу из поля зрения. Найдя положение зрительной трубы, соответствующее , произвести измерения. Ввести в пучок света, идущий от осветителя, светофильтр, выделяющий соответствующую область спектра. Навести перекрестие нитей зрительной трубы на середину этой спектральной области.

Рис. 6. Поиск

2. Через микроскоп 3 сделать отсчет. Чтобы снять отсчет по лимбу, нужно, гладя в отсчетный микроскоп 3, повернуть маховичок 12 оптического микрометра так, чтобы верхние и нижние изображения штрихов лимба точно совпадали.

ПРИМЕЧАНИЕ! Если запаса хода маховичка не хватает и верхние и нижние штрихи все-таки не совпадают, следует немного сдвинуть зрительную трубу гониометра, чтобы совмещение штрихов произошло за счет смещения трубы и вращения маховичка 12.

Число градусов будет равно ближайшей левой цифре от вертикального индекса, находящегося несколько выше шкалы. Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между верхним штрихом, который соответствует отсчитанному числу градусов, и нижним оцифрованным штрихом, отличающимся от верхнего на 180⁰. Вести отсчеты с большей точностью не имеет смысла, т.к. значительны погрешности других сопутствующих операций.

Рис. 7. Пример отсчета показания прибора

Пример отсчета приведен на рис. 7. Показание прибора 22⁰30¢: ближайшая цифра от метки влево 22 и от цифры 22 по нижнему лимбу до цифры 22+180 = 202 три деления, это дает нам десятки минут. Итак, имеем 22⁰30¢.

Длина волны излучения, пропускаемого красным светофильтром нм, для нее (ваш отсчет). Эти данные заносятся в таблицу наблюдений.

5. Найти углы преломления для других монохроматических компонентов, выделяемых с помощью светофильтров (характеристики этих светофильтров приведены ниже – см. таблицу наблюдений – подчеркнутые данные). Для участков спектра, которые не выделяются светофильтрами, определить по своему цветоощущению, ориентируясь на середину участка. Отсчеты углов повторить 2-3 раза.

Рекомендуется производить отсчеты , сначала переходя от красного цвета к фиолетовому, а затем проделать те же определения для цветов в обратной последовательности. Все полученные результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п	Участок спектра	нм		п
	красный
	оранжевый
	желтый
	зеленый
	голубой
	синий
	фиолетовый

6. По формуле:

рассчитывается показатель преломления для отдельных составляющих белого цвета.

Таблица 2