Измерение показателя преломления света

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА

Введение

Цель работы: определение показателя преломления стекла.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, плоскопараллельная стеклянная пластинка на поворотном столике, штангенциркуль, шкала, полупроводниковый лазер, пластиковые бутылки с водой, растительным или машинным маслом, другими жидкостями.

Меры предосторожности: не допускать направление прямого или отраженного луча лазера в глаза, в том числе других людей, находящихся в лаборатории. Сразу после завершения измерений лазер выключить.

План работы:

Изучение отражения и преломления света.

Измерение интенсивности плоскополяризованного луча света после отражения от диэлектрической пластинки.

Измерение смещений луча света после прохождения через плоскопараллельную пластинку.

Расчеты показателя преломления материала пластинки.

Измерение показателя преломления жидкостей.

Наблюдение полного внутреннего отражения на поверхности жидкости.

Изучение полного внутреннего отражения на компьютерной модели.

1. Отражение и преломления света

При падении луча света на границу раздела двух сред имеют место отражение и преломление света. Закон преломления света: луч, падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела двух сред в точке падения, лежат в одной плоскости, угол падения б и угол преломления в связаны соотношением

(1)

где п₂₁ - относительный показатель преломления второй среды относительно первой, п₂ и n₁ -абсолютные показатели преломления второй и первой сред. Для вакуума и для воздуха п=1, для оптически более сред.

(2)

где с - скорость электромагнитных волн в вакууме, v - их фазовая скорость в среде,и - соответственно электрическая и магнитная проницаемости среды. При переходе луча из более плотной среды в менее плотную (при п₂₁ < 1) преломленный луч существует пока

(3)

Предельным углом полного внутреннего отражения называется угол б_пр, для которого

 (4)

Припадающий луч полностью отражается в первую среду - происходит полное внутреннее отражение.

При падении естественного света на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла) отраженные и преломленные лучи частично поляризованы. Степень поляризации зависит от угла падения и показателя преломления. Согласно закону Брюстера при угле падения б (угле Брюстера), определяемого формулой

tgб = n (5)

где п - показатель преломления второй среды относительно первой, отраженный луч является плоскополяризованным.

2. Измерение интенсивности плоскополяризованного луча света после отражения от диэлектрической пластинки

При падении на диэлектрическую пластинку под углом Брюстера отражается лишь свет, который при падении имел плоскость поляризации перпендикулярную плоскости падения. Если на пластинку направить луч полупроводникового лазера, поляризованный, в основном, в плоскости падения, то углу Брюстера будет соответствовать минимум интенсивности отраженного луча, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. Поэтому по интенсивности плоскополяризованного луча света после отражения от диэлектрической пластинки можно найти угол Брюстера, а затем и показатель преломления.

Измерения выполните в следующем порядке:

1. Поверните столик с диэлектрической пластинкой так, чтобы луч лазера падал бы на пластинку под малым углом и отражался бы на экран (или стену) за оптической скамьей. Включите лазер (выключатель находится на блоке питания). Не допускайте направление прямого или отраженного луча лазера в глаза, в том числе других людей, находящихся в лаборатории.

2. Медленно поворачивайте столик с диэлектрической пластинкой и увеличивайте угол падения луча, при этом следите за интенсивностью отраженного луча на экране (или стене). Найдите положение столика, при котором интенсивность отраженного луча минимальна. Запишите (с учетом неоднозначного определения точки минимума интенсивности) три значения угла а.

3. Найдите три значения - три значения показателя преломления.

Вычислите среднее значение и погрешность.

3. Измерение смещений луча света после прохождения через плоскопараллельную пластинку

При прохождении света через плоскопараллельную стеклянную пластинку луч испытывает два преломления (см. рис. 1), в результате чего смещается по отношению к первоначальному направлению на величину х.

Рис. 1. - Смещение луча света после прохождения через

плоскопараллельную прозрачную пластинку y₀

Измерения выполните в следующем порядке:

Измерьте толщину d прозрачной пластинки, установленной на поворотном столике.

Включите лазер (выключатель находится на блоке питания). Не допускайте направление прямого или отраженного луча лазера в глаза, в том числе других людей, находящихся в лаборатории.

3. Запишите в табл. 1.1 (в строке ) положение падения луча на шкалу y₀, при котором отраженный луч проходит наиболее близко к падающему лучу

4. Поверните поворотный столик на уголтак, чтобы отраженный луч лазера падал на стену за оптической скамьей. Измерьте положение луча y₁ и внесите в табл. 1. Определите смещение лучаи также внесите в табл. 1.

Таблица 1

5. Выполните аналогичные измерения у для углов б. от 20є до 80є с шагом 10є. Внесите результаты измерений в табл. 1. После завершения измерений лазер выключите.

6. Постройте точки с координатами (б_i,х_i) в координатах (б,х). Поскольку при измерениях неизбежно присутствуют погрешности, точки не соединяйте.

4. Расчеты показателя преломления материала пластинки

Формула для смещений луча света после прохождения через плоскопараллельную стеклянную пластинку

(6),

получается после решения геометрической задачи. Из формулы (6) можно получить выражение для показателя преломления

(7)

В частности, при х = 0 получаем п = 1. Выполните следующие действия:

1. Выполните расчеты показателя преломления по формуле (7) для пяти углов от 30є до 70є, поскольку для малых и больших углов погрешности являются значительными.

- толщина пластины

5. Контрольные вопросы

луч свет преломление оптика

Основные положения геометрической оптики: световые лучи, законы отражения и преломления света.

- Свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно.

- Эффект, производимый отдельным пучком, не зависит от того, действуют ли одновременно остальные пучки или они устранены.

- Отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; угол отражения равен углу падения.

- Луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред:

sin i₁/ sin i₂ = n₂₁,

где n₂₁ - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

- Абсолютный показатель преломления n равен отношению скорости с электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости v в среде:

n= c / v.

Полное внутреннее отражение и его применение для измерения показателя преломления.

Если свет распространяется из среды с большим показателем преломления n₁ (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления n₂ (оптически менее плотную) (n₁ > n₂), например, из стекла в воду, то

>1.

Отсюда следует, что преломленный луч удаляется от нормали и угол преломления i₂ больше, чем угол падения i₁ (рис. 2, а). С увеличением угла падения увеличивается угол преломления (рис. 2, б, в) до тех пор, пока при некотором угле падения (i₁ = i_пр) угол преломления не окажется равным .

Угол i_пр называется предельным углом. При углах падения i₁ > i_пр весь падающий свет полностью отражается (рис. 2, г).

По мере приближения угла падения к предельному интенсивность преломленного луча уменьшается, а отраженного - растет.

Рис 2

Если i₁ = i_пр, то интенсивность преломленного луча обращается в нуль, а интенсивность отраженного равна интенсивности падающего. Таким образом, при углах падения в пределах от i_пр до луч не преломляется, а полностью отражается в первую среду, причем интенсивности отраженного и падающего лучей одинаковы. Это явление называется полным отражением.

Предельный угол i_пр определяется:

Это уравнение удовлетворяет значениям угла i_пр при n₂?.n₁. Следовательно, явление полного отражения имеет место только при падении света из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную.

Литература

Трофимова Т.П. Курс физики - М.: Высш. школа, 2004 - 542 с. - § 165, с. 316.

Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 1. - М., Наука, 1978. - 510 с.

Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс общей физики - М.: Высш. школа, 2002.

Енохович А.С. Справочник по физике и технике. - М.: Просвещение, 1983.

Размещено на Allbest.ru