Мерење индекса преламања стакла. Лабораторијски рад

Познавање индекса преламања одређеног стакла је важно за његову употребу као материјала за оптичка сочива. У овом чланку представљамо лабораторијски рад на мјерењу индекса лома стакла, узимајући у обзир све потребне формуле на путу.

Сврха и циљеви лабораторијског рада

Лабораторијско мерење индекса преламања стакла има за циљ постизање следећег циља: научити како измерити карактеристике лома транспарентних материјала и обрадити резултате.

У току рада треба ријешити сљедеће задатке:

• Проучавање теоријског материјала.
• Проучавање експерименталног постава и његовог принципа рада.
• За израчунавање углова упадања и рефракције.
• Одредите критични угао.
• Нађите вредност индекса преламања за стакло, обрадите резултате.
• Извући закључке о раду.

Теорија феномена рефракције

Овај феномен се састоји у промени правца праволинијског кретања светлосног снопа када се креће из једног прозирног медија у други. Таква ситуација настаје, на примјер, када свјетло прелази границу вода - зрак или стакло - зрак.

Закони рефракције су заинтересовали човечанство током његове историје. Били су ангажовани у древним Грцима (Птоломеј, И-ИИ век наше ере), Арапи у средњем веку (Ибн Сахл, Кс век), као и многи научници у новом времену (Хуигенс, Невтон, Десцартес, Снелл). Тренутно се верује да је Холанђанин Снелл прво формулисао закон рефракције у модерном облику, сумирајући многе експерименталне податке.

Формула за феномен рефракције има следећи облик:

н ₁ * син (θ ₁ ) = н ₂ * син (θ ₂ ) = цонст.

Овде је θ ₁ угао у односу на нормалу до интерфејса између медијума у ​​којем сноп удара на ову површину, θ ₂ је угао у односу на исту норму за ломљени зрак. Вредности н ₁ , н ₂ су индекси преламања медија 1 и 2, респективно. Индикатор н одређује колико снажно медијум успорава брзину светлости у односу на то у вакууму, односно:

н = ц / в, ц је брзина светлости у вакууму, в је у медијуму.

Критични угао

Снеллов закон показује да је угао упада већи од кута преламања ако је први медиј оптички мање густ (н ₁₎ 2). И обратно.

Када се сноп креће у оптички гушћем медију и пролази кроз међупростор између медија у мање густу прозирну супстанцу, онда постоји и угао под којим ће се ломљени сноп кретати дуж површине која раздваја медиј. Овај угао је критичан. Сви углови упада који су већи него што ће довести до чињенице да ниједан дио свјетлости не пролази кроз сучеље. Овај феномен се назива унутрашња потпуна рефлексија.

С обзиром на Снелл-ов закон и објашњења горе, за критички кут можете написати:

θ ₁ = арцсин (н ₂ / н ₁ ), где н ₁ > н ₂ .

Овај феномен се користи у оптичким влакнима за пренос електромагнетне енергије на велике удаљености без губитка.

Екпериментал сетуп

Одређивање индекса преламања стакла врши се помоћу инсталације, што је приказано на слици испод.

Бројеви на фотографији означавају сљедеће:

1. Градирана линија, на којој се налазе главни радни уређаји инсталације.
2. Извор електричне енергије.
3. Лампа, која је извор светлости.
4. Лећа за прикупљање са познатом жижном даљином (на пример, 10 цм).
5. Касета за дијафрагме.
6. Отвор у облику решетке (отвори се користе за боље фокусирање светлосног снопа.).
7. Оптички дипломирани диск.
8. Стаклени предмет, чији се индекс рефракције треба мерити. Има облик полу-цилиндра, односно његове три површине су равни, а четврта је цилиндрична.
9. Оптичка призма (не користи се за овај лабораторијски рад).

Зашто је потребно користити стаклени предмет у облику полу-цилиндра, биће објашњено у наставку.

Припрема инсталације за рад

Принцип рада инсталације за експериментално мерење индекса преламања стакла је изузетно једноставан: потребно је само формирати уски сноп светлости, послати га паралелно оптичком диску кроз стаклени полу-цилиндар и, помоћу градације диска, измерити угао удара и угао преламања.

Припрема за инсталацију се врши редом:

1. Поставите извор светла (лампу) на степенасту равнину у положају "0 цм".
2. Поставите тело са сакупљајућом лећом на степенасту равнину у положају који је једнак жижној даљини. У овом случају, 10 цм.Због ове позиције, све зраке које лампа емитира из сочива излази паралелно са степенастом равнином.
3. Укључите извор напајања и, подешавањем положаја мембрана, осигурајте да је сноп светлости што је могуће ужи. Његова дебљина би требало да буде много мања од најмање поделе на оптичком диску.
4. Подесите висину положаја оптичког диска тако да светлосни сноп прође преко њега, готово додирујући његову површину. Диск би такође требало да се подеси у односу на бочну ос, тако да сноп пролази тачно кроз његов центар, тј. Кроз један од пречника.
5. У средини диска, морате ставити стаклени полу-цилиндар тако да се његова бочна раван подудара са једним од пречника диска.

Подешавање је спремно за експеримент.

Провођење експеримента

Рад лабораторије "Мјерење индекса лома стакла" састоји се од двије фазе. Прво, спроведите експеримент за померање снопа светлости из ваздуха у стакло, а затим из стакла у ваздух:

• Од ваздуха до стакла. Прво, потребно је ротирати оптички диск тако да након проласка кроз полу-цилиндар, зрак не ломи. Ова позиција ће одговарати пореклу (0 ^о ). Након тога, потребно је ротирати диск за сваких 5 ^о и унети податке у одговарајућу табелу: α и β - углови упадања и рефракције. Потребно је провести око 10-15 мјерења. Положај пола цилиндра на диску може се видети на слици испод (а).
• Од стакла до зрака. У том случају, диск са полу-цилиндром треба ротирати за 180 ^о . У том случају, упадни сноп ће прво пасти на цилиндричну површину. Пошто пада на њега дуж радијуса (под углом од 90 ^о ), не долази до преламања на улазу у стакло, а јавља се само на излазу из њега кроз равну површину. Ова ситуација је приказана на слици испод (б). Ако изаберете референтну тачку као у случају изнад, окрените диск сваких 5 ^о и измерите углове.

Када се изведе експеримент „стакло-ваздух“, ситуација се јавља под одређеним углом упадања греде када не излази кроз равну површину полу-цилиндра. Овај угао је критичан.

Обрада резултата

За сваки пар углова α и β израчунати вредност н _и за стакло. То се ради помоћу формула за мјерење индекса лома стакла. Решење из Снелловог закона је следеће:

• Од ваздуха до стакла: н _и = н _в * син (α) / син (β).
• Од стакла до зрака: н _и = н _в * син (β) / син (α).

Индекс преламања ваздуха је једнак н _в = 1,00029.

Тако добијамо низ вредности н (њихов број је једнак укупном броју извршених мерења). Нека овај број буде м. Сада је потребно пронаћи просечну вредност индекса преламања стакла н¯, као и варијансу Δн (средња квадратна девијација), која показује тачност експеримента. Ове вредности су одређене следећим формулама:

н¯ = = _{и = 1} ^м (н _и ) / м;

Δн = √ ( _{= и = 1} ^м (н _и -н¯) ² / м).

Крајњи резултат се пише у облику:

н¯ ± Δн.

Закључци о лабораторијском раду

Након извођења радова "Мерење индекса преламања стакла", закључци се могу извести на следећи начин:

• зрак светлости се прелази у прелазак на други медиј;
• критични угао настаје само у случају преласка светлости из стакла у ваздух, али не и обрнуто;
• за поузданост добијених резултата треба извршити неколико мерења (више од 10), а онда коначну вредност треба представити као просечну вредност, указујући на границу њене тачности.