Определение показателя преломления стекла реферат

Обновлено: 05.07.2024

Цель работы:определить показатель преломления стекла.

Теория. При переходе света из одной среды в другую происходит преломление лучей, изменяется направление распространения света. Это явление объясняется тем, что в различных средах скорость света различна.

Снеллиусом экспериментально для преломления света было установлено:

1. Падающий и преломленный лучи и нормаль к границе раздела лежат в одной плоскости;

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скоростей распространения света в этих средах:

Здесь V и V - скорость распространения света в средах, характеризуемых соответственно показателями преломления n₁ и n₂. Это соотношение можно переписать в виде:

где: относительный показатель преломления второй среды (по отношению с первой).

Соотношение (2) называется законом преломления света.Он показывает:во сколько раз скорость света в первой среде больше или меньше скорости света во второй.

Если первой средой является вакуум, то , где - абсолютный показатель преломления. Показатель преломления показывает, во сколько раз скорость распространения света в вакууме больше, чем в данной среде.

Зная показатели преломления двух сред, по формуле (2) можно найти их относительный показатель преломления. При сравнении двух сред, среду, обладающую большим показателем преломления, называют оптически плотной. Законы преломления света справедливы для однородных и изотропных сред.

Приборы и принадлежности: стеклянная пластинка в форме параллелепипеда, лист картона, чистый лист бумаги, иглы швейные четыре штуки, линейка измерительная, угольник.

Порядок выполнения работы:

1. Построение рисунка 1.1. в протоколе лабораторной работы; для этого нужно:

1.1. Положить лист протокола на картон.

1.2. Проведите на бумаге прямую линию MN.

1.3. Положите на бумагу стеклянную пластинку плашмя так, чтобы длинной гранью она соприкасалась с линией MN.

1.4. Воткните в точке В вертикально расположенную иголку вплотную к грани пластинки.

1.5. Воткните подальше от пластинки в точке А вторую иголку (см. рис.1.1.).

Рисунок 1.1.

1.6. Глядя сквозь противоположную грань пластинки на иголки в точках А и В, воткните в плотную к пластинке третью иглу в точке С на линии М₁N₁, совпадающей с нижней гранью пластины, так, чтобы она закрыла собой изображение иголок в точках А и В.

1.7. Четвёртую иглу воткнуть в точке D так, чтобы она закрыла собой изображение иголок в точках С, B и А.

1.8. Уберите пластинку с бумаги и проведите лучи ВА, ВС и СD через иголочные проколы. Луч АВ будет падающим лучом, луч ВС - преломленным лучом. Все построения выполняйте аккуратно с помощью карандаша и линейки.

1.9. Восстановите к линии MN перпендикуляр в точке В (прямая L₁L₂) .Угол падения , угол преломления .

1.10.Отложите от точки В на лучах ВА и ВС равные произвольные отрезки BK₁, BK₂. Опустите из точек К₁К₂ на прямую L₁L₂ перпендикуляры K₁L₁, K₂L₂.

2. Определить показатель преломления стекла. Для этого нужно:

2.1. Согласно закону преломления, который выражен формулой

, чтобы определить показатель преломления, нам нужно знать синус угла падения и синус угла преломления.

2.2. Выразим синусы этих углов из прямоугольных треугольников , .

2.3.Подставим значения (2.2) в формулу (2.3) и получим: .

2.4.Т.к. BK₁ = BK₂ по построению, то они сокращаются, и получим рабочую формулу для определения показателя преломления: , (2.4) .

3. Подставим значения К₁L₁ и К₂L₂ из рисунка протокола в формулу (2.4.) и найдём показатель преломления стекла.

4.Повторить опыт два раза, каждый раз изменяя угол падения луча, перекалывая иголку из точки А в другие точки на листе бумаги, используя для работ пункты 1 – 3.

5.Найти среднее значение показателя преломления стекла, используя значения трёх опытов:

6.Определить относительную погрешность измерения : ,

где n_таб. – табличное значение показателя преломления органического стекла (плексигласа) n_таб.=1,50.

7.Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 7.1.

Таблица 7.1.

Номер опыта

BK₁, мм

ВК₂, мм

K₁L₁, мм

K₂L₂, мм

n_ср.

, %

8.Сделать вывод о проделанной работе.

9.Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Что показывает коэффициент преломления света?

2. В каких случаях свет на границе раздела двух сред не преломляется?

3. Как изменяется длина и частота световой волны при переходе из менее плотной среды в более плотную среду?

4. В чем различие абсолютного и относительного коэффициентов преломления?

5. Как изменяется длина и частота световой волны при переходе из более плотной среды в менее плотную среду?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №16.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Почему в автомобиле с тонированными стеклами ехать более комфортно, а стеклянная линза может поджечь траву - ответы на подобные вопросы можно найти, если знать законы преломления света в стекле. Современные оптические приборы тоже появились благодаря изучению оптических свойств стеклянных линз. Важнейшая их характеристика - показатель преломления стекла.

О законе преломления светового потока

Волновая природа света устроена так, что скорость прохождения волны уменьшается с увеличением плотности среды. Направление потока света также изменяется, это и есть преломление света (ПС) - важнейший физический процесс.

В вакууме нет никаких препятствий для движения световой волны, поэтому там она достигает максимальной скорости, которая принимается за эталон. В любой другой среде плотность больше, и скорость распространения светового потока меньше. Часто в расчетах за вакуум принимают воздух, так как скорость движения света в нём близка к скорости движения в вакууме, и направление мало отклоняется от первоначального.

В законе о преломлении света формулируется следующее соотношение для светового потока, проходящего через воздух в иную среду:

Здесь под углом падения понимают направление света в воздушной среде, а под углом преломления - направление движения луча в следующей среде.

Два показателя процесса преломления

Рассмотрим это соотношение, для этого введем некоторые обозначения.

Пусть a - угол падения, b - угол преломления, тогда: Этот коэффициент (вычисляется как sin a/sin b) – константа, постоянная величина для каждого вещества (или среды).

Если свет проходит через вакуум (воздух), то коэффициент называется в физике абсолютным показателем ПС. Для большинства веществ его величина находится в диапазоне от единицы до двух, например, показатель преломления

Редко он превышает двойку, например, у алмаза 2,42. Если же световой луч (поток) проходит через две среды разной плотности, то применяется относительный показатель ПС (обозначается латинской буквой n). Этот коэффициент вычисляется как частное от деления абсолютных показателей обеих сред. Например, показатель воды к воздуху 1,33; стекла к воздуху 1,52. Значит, показатель стекла относительно воды будет: 1,52/1,33 = 1,14.

Еще пример - величина показателя для стекла относительно спирта 1,1.

От чего зависит показатель ПС

Некоторые свойства любой среды оказывают влияние на величину коэффициента преломления. Рассмотрим основные факторы, влияющие на изменение показателя ПС: плотность среды (или вещества). Чем плотней среда, тем меньше скорость продвижения в ней света, и угол преломления меньше; температура среды (тела). Повышение температуры уменьшает показатель; длина световой волны. Чем короче длина волны, тем больше показатель ПС, поэтому в спектре он у фиолетовых лучей больше, чем у красных; состав стекла. Различные добавки могут изменять показатель преломления в ту или иную сторону. Например, SiO2 его уменьшает, а такие добавки, как PbO, ВаО, СаО, ZnO, увеличивают показатель.

Методы определения показателя преломления стекла

Значения показателя преломления, указанные в таблицах, могут не учитывать все тонкости и нюансы конкретной среды, при необходимости высокоточных значений проводят измерения показателя ПС различными способами.

Есть совсем простые методы с использованием подручных материалов и инструментов. Их обычно проводят со студентами и школьниками для наглядного обучения. Например, используют транспортир, плоскопараллельную пластину, микроскоп.

Для высокоточных измерений определение показателя преломления стекла и других сред проводят с помощью современных сложных приборов. Например, с помощью рефрактометров, интерферометров, эллипсометров, разных экспериментальных установок.

Где применяется закон

Практическое значение закона преломления света огромно. Любые устройства, приборы, использующие различные линзы, базируются на законах преломления и отражения света. Даже если это линза не из стекла, а из органической ткани. Хрусталик и стекловидное тело человеческого глаза тоже работают на основе законов света. Современные оптические приборы, от простейшего бинокля и до мощных телескопов и перископов, тоже не могли бы работать без этих законов. Можно отметить и такое важнейшее направление, как волоконная оптика. Это инновационные виды связи, скоростная передача информации, медицинские приборы и инструменты, эффективные системы освещения и многое другое.

С законами света связаны многие явления в нашей обычной жизни. Знание всех нюансов процесса преломления и отражения световых лучей сделает нашу жизнь более безопасной и комфортной. Человечеству предстоит еще множество открытий в мире стекла и в исследовании его важнейшей характеристики – показателя преломления стекла.

Введение 3
1. Методы определения показателей преломления стекла 4
1.1 Метод наименьшего отклонения. 4
1.2 Метод автоколлимации. 7
1.3 Рефрактометр. 7
1.4 Иммерсионный метод И. В. Обреимова. 7
1.5 Компенсационный метод. 7
2. Методы определения показателей преломления плёнок 7
2.1 Эллипссометрия 7
2.2. Спектрофотометрия 7
Заключение 7
ЛИТЕРАТУРА 7

Вложенные файлы: 1 файл

Ракитин курсовая.docx

Кафедра общей и теоретической физики

Методы определения показателей преломления

стекла и тонких плёнок

Специальность Физика. Информатика

Автор работы

студент 3 курса

303 группы ______________ Ракитин.М. Н.

Доцент _______________ Вабищевич.И.А.

1. Методы определения показателей преломления стекла 4

1.1 Метод наименьшего отклонения. 4

1.2 Метод автоколлимации. 7

1.3 Рефрактометр. 7

1.4 Иммерсионный метод И. В. Обреимова. 7

1.5 Компенсационный метод. 7

2. Методы определения показателей преломления плёнок 7

2.1 Эллипссометрия 7

2.2. Спектрофотометрия 7

Введение

Оптика - раздел физики, в котором изучается природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, и поэтому оптика - часть общего учения об электромагнитном поле.

Оптика - это учение о физических явлениях, связанных с распространением коротких электромагнитных волн, длина которых составляет приблизительно

10 -5 -10 -7 м . Значение именно этой области спектра электромагнитных волн связано с тем, что внутри нее в узком интервале длин волн от 400-760 нм лежит участок видимого света, непосредственно воспринимаемого человеческим глазом.

Но, проходя через любую , даже абсолютно прозрачную преграду, свет преломляется и изменяется его структура . При этом во многих случаях необходимо точно знать показатель преломления этого вещества , через которое прошёл световой поток.

В своей курсовой работе я хотел бы рассмотреть большинство методов определения показателей преломления веществ. Определить какой из них более точен и в каких случаях его удобнее использовать .

Задачи курсовой работы:

Проанализировать научно-методическую литературу по данному вопросу.

2. Обобщение научной информации по теме курсовой.

1. Методы определения показателей преломления стекла

1.1 Метод наименьшего отклонения.

Рис 1.К измерению показателя преломления и дисперсии стекла методом наименьшего отклонения па гониометре-спектрометре

Этот метод основан на определении угла минимального отклонения луча призмой. Последний образуется при нормальном падении луча на биссектрису преломляющего угла призмы,при этом и , а угол отклонения луча SS' от первоначального направления SN имеет наименьшее значение.

В этом случае и ,откуда и

Так как , то, подставляя значения находим

Точность измерения показателя преломления п можно найти после логарифмирования и дифференцирования выражения (1.1.1) по переменным п,:

Переходя к квадратам дифференциалов и заменяя их средними квадратическими погрешностями, получаем:

Если углы и измерены с одинаковыми погрешностями, то

Чтобы измерить п с точностью ±1,5-, требуется иметь гониометр-спектрометр, позволяющий измерять углы и с погрешностью не более ±2", например гониометр-спектрометр ГС-2. Основание образца призмы рис.1 должно быть не менее 25 мм, высота 10 мм и обе рабочие грани отполированы с точностью ¼ интерференционной полосы.

Стандартом рекомендуется преломляющие углы призмы в зависимости от показателя п выдерживать в пределах 60° для n o -для п = 1,65-1,75 и 40° - для n>1,75.Однако предел преломляющих углов без потери точности может быть увеличен до 70-75 o . Для метода автоколлимации преломляющие углы призм должны быть вдвое меньше.

Преломляющий угол призмы измеряется методом автоколлима-Чнп несколькими приемами совмещения перекрестия трубы с его а втоколлимационным изображением от каждой грани и взятием соответствующих отсчетов по лимбу. Искомый угол определяется по Формуле =180° — , где — разность отсчетов по лимбу.

Призму на столике гониометра устанавливают так, чтобы биссектриса преломляющего угла прошла примерно над осью вращения лимба, а пучок лучей, идущий из объектива коллиматорной трубы, падал бы на середину грани призмы.

Угол 6 наименьшего отклонения находится из разности отсчетов места нуля (МО) (визирные оси зрительной и коллиматорной труб совмещены) и наведения оси зрительной трубы па луч S', находящийся в положении наименьшего отклонения. Соответствующее положение призмы определяется вращением столика гониометра с призмой в одну сторону, например против хода часовой стрелки и наблюдения в зрительную трубу за поведением изображения щели коллиматора, освещенной монохроматическим светом. Можно заметить, что сначала перемещение изображения щели совпадает с направлением вращения столика, затем останавливается и начинает двигаться обратно, хотя столик продолжает вращаться в том же направлении. Момент остановки изображения щели соответствует положению призмы для угла наименьшего отклонения, который измеряется для нужной спектральной линии.

Поскольку желтая линия натрия D состоит из двух близко расположенных линий с = 589,0 нм и = 589,6 нм, а синяя линия водорода длина волны которой = 434,1 нм мало интенсивна, то целесообразно углы отклонения измерять для желтой линии гелия и оиней линии ртути g с последующим пересчетом на

используя поправки и взятые из каталога оптического стекла.

Для повышения точности определения п и дисперсии стекла необходимо преломляющий угол призмы измерять несколькими приемами на разных участках лимба,а угол - при двух симметричных положениях призмы, дающих двойные углы отклонения 2 (рис. 2)

Цель: экспериментально определить относительный показатель преломления стекла.

Необходимо знать: основные законы распространения света.

Необходимо уметь: работать с приборами, делать выводы на основе экспериментальных данных.

Оборудование: стеклянная пластинка, имеющая форму трапеции, картон, 4 иголки, источник света.

Теоретические сведения

Известно, что скорость света в веществе υ всегда меньше скорости света в вакууме c.

Отношение скорости света в вакууме c к ее скорости в данной среде υ называется абсолютным показателем преломления:

Также, абсолютный показатель преломления можно выразить через отношение синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе луча из вакуума в данную среду:

Законы преломления:

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред.

Лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к плоскости границы раздела двух сред.

Для преломления выполняется принцип обратимости световых лучей: луч света, распространяющийся по пути преломленного луча, преломившись в точке O на границе раздела сред, распространяется дальше по пути падающего луча. Из закона преломления следует, что если вторая среда оптически более плотная через первая среда,

После прохождения через стеклянную плоскопараллельную пластинку луч света смещается, однако его направление остается прежним. Анализируя ход луча света, можно с помощью геометрических построений определить показатель преломления стекла.

Задание №1.

Положите на стол лист картона, а на него – стеклянную пластинку.

Воткните в картон по одну сторону пластинки две булавки – 1 и 2 так, чтобы булавка 2 касалась грани пластинки. Они будут отмечать направление падающего луча.

Глядя сквозь пластинку, воткните третью булавку так, чтобы она закрывала первые две. При этом третья булавка тоже должна касаться пластины.

Задание №2.

Уберите булавки, обведите пластину карандашом и в местах проколов листа картона булавками поставьте точки.

Начертите падающий луч 1-2, преломленный луч 2-3, а также перпендикуляр к границе пластинки.

Отметьте на лучах точки А и В такие, что ОА=ОВ. Из точек А и В опустите перпендикуляры АС и ВD на перпендикуляр к границе пластинки.

Задание №3. Измерив отрезки АС и ВD, вычислите показатель преломления стекла, используя следующие формулы:

Задание №4 Повторите опыт еще 2 раза, изменяя каждый раз угол падения. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:

Читайте также: