Учебное пособие по экспериментальной физике составлено в соответствие с программой по общему курсу физики и по физическому практикуму для студентов очного и заочного обучения инженерно-технических специальностей нефтегазовых университетов.
Скачать 2.09 Mb.
|
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет»
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 200102 «Приборы и методы контроля качества и диагностики» Составители Г. Н. Федюкина, Н. П. Исакова Под общей редакцией В. Ф. Новикова Тюмень ТюмГНГУ 2010
ББК 22.343.4я73+22.383я73 Ф 505 Рецензенты: доктор физико-математических наук, профессор А. Г. Кутушев кандидат физико-математических наук, доцент В. В. Агеев Федюкина, Г. Н.Ф 505 Физический практикум. Волновая оптика. Квантовая физика [Текст] : учебное пособие / сост. Г. Н. Федюкина, Н. П. Исакова / под общей редакцией В. Ф. Новикова. – Тюмень : ТюмГНГУ, 2010. – 96 с.ISBN 978-5-9961-0210-5 Учебное пособие по экспериментальной физике составлено в соответствие с программой по общему курсу физики и по физическому практикуму для студентов очного и заочного обучения инженерно-технических специальностей нефтегазовых университетов. Пособие состоит из двух частей: волновая оптика и квантовая оптика. Обе части содержат по шесть экспериментальных заданий, каждое из которых рассчитано на одно лабораторное занятие. Учебное пособие предназначено для студентов вузов.
ББК 22.343.4я73+22.383я73 . ISBN 978-5-9961-0210-5 © Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет», 2010 Часть 1 ВОЛНОВАЯ ОПТИКА ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5–1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВА С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА Цель работы – изучение принципа действия рефрактометра и определение показателей преломления водных растворов CuSO4 различной концентрации. Краткое теоретическое введение Постановка задачи Согласно экспериментально установленному закону преломления луч света, падающий на границу раздела двух сред, луч преломлённый и перпендикуляр, проведённый к границе раздела в точке падения луча, лежат в одной плоскости, а отношение синуса угла падения i к синусу угла преломления r – величина постоянная для данных сред: , или в симметричном виде n1sin i = n2sin r , где n1 и n2 абсолютные показатели преломления 1 и 2 сред соответственно, n21 относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Волновая теория позволяет установить соотношение между показателями преломления n1 и n2 и скоростями распространения света соответственно v1 и v2: в веществе оптически более плотном свет распространяется медленнее, чем в веществе, оптически менее плотном: . Для вакуума n = 1, а v = c, то - абсолютный показатель преломления, который показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в веществе. Приборы, служащие для определения показателя преломления, называются рефрактометрами. Методы рефрактометрии, как правило, основаны на явлении полного внутреннего отражения, суть которого заключается в следующем. Если свет идет из среды оптически более плотной в среду менее плотную, так, что, соответственно, n1 > n2, то sin r > sin i и r > I, т.е. при прохождении луча света из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную угол преломления r всегда больше угла падения i. Схема хода лучей, соответствующая этому случаю, представлена на рис. 1а. При увеличении угла падения до i0 (рис. 1б) преломлённый луч отклоняется на угол 900 и идёт вдоль границы раздела сред. При углах падения i>i0 свет во вторую среду не проходит, а полностью отражается обратно в первую среду (рис. 1в). Это явление и называется явлением полного внутреннего отражения. Угол падения i0, при котором r = 900, называется предельным углом полного внутреннего отражения. В данной работе используется рефрактометр ИРФ системы Аббе. Основной частью этого прибора являются две прямоугольные стеклянные призмы, показатели преломления которых nп одинаковы и обычно имеют значения nп 1,7. Между призмами имеется узкий зазор, в который помещается исследуемая жидкость. Показатель преломления жидкости n меньше показателя преломления nп призм, n < nп. Схема хода лучей в призмах рефрактометра приведена на рис. 2. Пучок света, отражённый от зеркала, направляется на боковую грань BC призмы ABC (на рисунке правая верхняя призма) и попадает на матовую грань AC призмы ABC, которая служит для создания рассеянного света. Жидкость, находящаяся в зазоре между призмами, освещается этим рассеянным светом под самыми различными углами (от 0 до 900). При углах падения i < i0 свет, преломляясь, проходит в жидкость, а затем и в призму ACD (на рисунке левая нижняя призма), освещая ее. Лучи света, падающие под углами i ≥ i0, испытывая полное внутреннее отражение, не проходят в жидкость и в нижнюю левую призму ACD, а значит, и не освещают ее. Поэтому боковая грань AD левой нижней призмы ADC оказывается разделенной на два поля: освещенное светлое (i < i0) и неосвещенное темное (i≥i0). Между ними можно видеть резкую границу (рис.3), соответствующую соотношению i = i0. Рассмотрим ход лучей, падающих на призму, под углом, близким к углу полного внутреннего отражения i i0, так как именно соотношение i i0 определяет положение границы раздела между светлым и темным полем. На рис.2 представлена схема хода луча при угле падения, близком, но немного меньшем, чем i0 (i ≤ i0). Для этого луча угол преломления 900. Так как показатели преломления призм одинаковы, то луч света, падающий в т. О1, преломится из жидкости во вторую призму под тем же углом (i i0) и выйдет из неe под углом . Лучи, падающие под углом i < i0 в точку О1, выходят из левой грани призмы под углами, большими, чем . Лучи, падающие под углом i > i0, не проходят во вторую призму. Таким образом, угол является границей раздела тёмной и светлой областей (рис. 3), что и фиксируется оптической визирной системой. Величина угла будет определяться значением показателя преломления исследуемой жидкости. Получим формулу, связывающую показатель преломления жидкости n и угол . Согласно закону преломления для точек О1 и О2 имеет место соотношение и , или nп sin i0 = n, и nп sin r0 = sin . Из геометрических соображений следует, что преломляющий угол призмы связан с углами i0 и r0 простым соотношением = i0 + r0. Тогда , и , или Учитывая, что и , получим . Тогда , или . Полученная формула выражает связь между граничным углом и показателем преломления. Экспериментально определив по рефрактометру , а также из паспортных имея значения показателя преломления nп и преломляющего угла α призм, можно рассчитать показатель преломления исследуемой жидкости n. Однако в современных приборах ИРФ шкала рефрактометра проградуирована не в градусах (), а сразу в значениях показателя преломления жидкости n, соответствующих . Причем прибор отградуирован при температуре (призм и жидкости) 20°С. При термостатировании рефрактометра точность этого метода может достигать 10-5. Если измерения проводятся без термостатирования, то при значительном отклонении температуры t от 20°С необходимо вводить поправку n: n = 0,073(t 200C) 10-4. Следует заметить, что эта поправка несущественна при отклонении температуры от 200С на 50C. Практическая часть
Внешний вид рефрактометра ИРФ представлен на рис. 4. Принципиальная оптическая схема прибора изображена на рис. 5. Свет, отражённый от зеркала 1, направляется в осветительную призму 2, проходит тонкий слой исследуемой жидкости и измерительную призму 3, затем через защитное стекло 4 и компенсатор 5 попадает в объектив 6; проходит через призму полного внутреннего отражения 7, пластину с перекрестием 8 и через окуляр 9 попадает в глаз. Компенсатор 5 состоит из двух призм прямого зрения, имеющих возможность вращаться во взаимно противоположных направлениях, и служит для устранения окраски на границе раздела тёмного и светлого полей зрения вследствие дисперсии. Вращение компенсатора осуществляется маховичком 10, расположенным на приборе справа от наблюдателя. Для нахождения границы светотени и совмещения её с перекрестием измерительную головку нужно вращать с помощью маховичка 11, находящегося на корпусе прибора слева от наблюдателя. Шкала освещается с помощью зеркала 12, расположенного слева от наблюдателя, и проектируется системой призм (на рис. 5 не показано) в фокальную плоскость окуляра 9. В этом случае в поле зрения видны одновременно граница светотени, перекрестие в окуляре и шкала с визиром. По шкале отсчитывается непосредственно показатель преломления в пределах от 1,3 до 1,7 с точностью до четвёртого знака после запятой. При необходимости поддерживать при постоянной температуре призмы рефрактометра (2 и 3) в оправе призмы сделаны камеры, по которым может циркулировать вода, подводимая с помощью штуцеров от термостата. Однако в данной работе особая точность не требуется, поэтому измерения проводятся при комнатной температуре. В оправе призм, называемой зрительной головкой, имеется три окошка (рис. 6). Окошко 1 используется для проведения измерений, окошко 2 – для освещения верхней призмы при измерении показателя преломления прозрачных сред. Нижнее окошко 3 используется для освещения тем же зеркалом (которое может поворачиваться) нижней призмы при измерении показателя преломления мутных или сильно окрашенных сред. В этом случае измерения проводятся в отражённом свете, так как измерения в проходящем свете невозможны. В данной работе используются прозрачные среды (окошко ). 2. Порядок выполнения работы 1. Откинуть верхнюю часть измерительной головки. На грань нижней призмы нанести 2-3 капли исследуемого водного раствора CuSO4 самой малой концентрации C1 (это снизит неточность последующих измерений при случайных остатках жидкости от предыдущих измерений). Опустить верхнюю часть головки. 2. С помощью зеркала 1 направить свет от лампы в окошко 2 (рис. 6). Зеркало закрепить винтом. 3. С помощью второго зеркальца 12 (рис.5), находящегося на приборе слева от наблюдателя, направить свет для освещения шкалы прибора. 4. Поворачивая измерительную головку с помощью маховичка 11, находящегося также слева, найти границу светотени. Совместить перекрестие с границей светотени (рис.3). 5. Маховичком 10 устранить окрашенность границы раздела. 6. Точно совместить границу раздела с перекрестием и сделать отсчёт показателя преломления n1 для C1. Измерения повторить 5 раз. 7. Поменять раствор, предварительно удалив предыдущий раствор с поверхности обеих призм фильтровальной бумагой. Поместить 2-3 капли раствора другой концентрации. Измерить показатель преломления. 8. Провести аналогичные измерения для растворов других концентраций. Результаты свести в таблицу. 9. По окончании работы поверхности призм тщательно протереть фильтровальной бумагой. Прибор накрыть чехлом. ПоказательКонцентрация водного раствора CuSO4 (%) преломленияC1=C2=C3=C4=Cх= n1 n 2 n3 n 4 n 5 n ср Таблица 3. Обработка результатов измерения 1. По результатам измерений найти средние значения nср показателей преломления водного раствора CuSO4 для разных концентраций. 2. Если температура в помещении отличается от 200С более, чем на 50, то в окончательный результат внести поправку (по указанию преподавателя). 3. Построить график зависимости показателя преломления жидкости n от концентрации раствора C. 4. Из графика определить концентрацию раствора Cх. Контрольные вопросы 1. Сформулируйте законы преломления света. Что называется абсолютным и относительным показателями преломления. 2. В чём заключается явление полного внутреннего отражения? 3. Какой прибор называется рефрактометром? Объясните принцип действия рефрактометра системы Аббе. Для чего поверхность гипотенузной грани одной из призм делается матовой? 4. Какой свет используется в работе - монохроматический или естественный? 5. В чём причина возникновения тёмного и светлого полей зрения? 6. Почему граница светотени окрашена? 7. Для чего служит компенсатор? 8. В каком свете (проходящем или отражённом) производят измерения показателя преломления прозрачных сред, мутных сред? 9. Выведите формулу (6) для показателя преломления жидкости. |
Похожие:
 | Учебное пособие по английскому языку для студентов заочного обучения экономических специальностей |  | Учебное пособие предназначено для студентов заочного отделения, обучающихся по направлению подготовки 43. 03. 03 Гостиничное дело.... |
| Методические указания предназначены для самостоятельного изучения предмета, выполнения контрольной работы и подготовки к экзамену... | | Методическое пособие для выполнения контрольной работы по курсу «Психология и педагогика» составлено старшим преподавателем Л. В.... |
| Учебно-методическое пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения для всех специальностей, предусматривающих... | | Учебное пособие предназначено для подготовки студентов экономико-управленческих специальностей по программе группового проектного... |
| Ч 15. English Grammar (Term I): Учебное пособие по грамматике английского языка для студентов всех специальностей очной и очно-заочной... | | Учебное пособие предназначено для студентов специальности 270105 Городское строительство и хозяйство, может быть использовано для... |
| Методические рекомендации предназначены для студентов и выпускников всех специальностей очного и заочного обучения, могут использоваться... | | Методические рекомендации предназначены для студентов и выпускников всех специальностей очного и заочного обучения, могут использоваться... |