Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Скачать 119.43 Kb.

Название	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Дата публикации	15.07.2013
Размер	119.43 Kb.
Тип	Методические указания

100-bal.ru > Право > Методические указания

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования
"Уфимский государственный нефтяной технический университет"

Филиал УГНТУ в г. Салавате
Кафедра "Общенаучные дисциплины"

СОГЛАСОВАНО УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой ОНД Зам. директора по учебной работе, доцент

______________ Ю.А.Жаринов Г. И. Евдакимов

________________________2006 ____________________________2006

Методические указания к лабораторной работе
Определение показателя преломления прозрачных сред
Дисциплина «Физика»

СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ

Инженер по охране труда ассистент кафедры ОНД
_____________ Г. В. Мангуткина ______________В.Г. Прачкин
___________________ 2006 __________________2006

Салават 2006

Методические указания предназначены для специальностей 140610 «Электрооборудование и электрохозяйства предприятий, организаций и учреждений», 240801 «Машины и аппараты химических производств», 240403 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов».

Рассмотрено на заседании кафедры ОНД

Протокол №__________ от_____________2006
© Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате
Взаимодействие света с веществом

"Определение показателя преломления прозрачных сред"
Цель работы: "Ознакомление с одним из способов измерения показателя преломления твердых тел"

Приборы и принадлежности: микроскоп ШМ-1 (рисунок 6), индикатор малых перемещений КИ 2, набор стеклянных пластин, покрытых с обеих сторон микрокапельными метками.
Введение
Взаимодействие света с веществом проявляется в таких явлениях как отражение, поглощение, преломление и дисперсия света. При падении на границу двух диэлектриков световая волна частично отражается, частично преломляется. Из законов геометрической оптики следует, что отраженный и преломленный лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и нормалью восстановленной в точке падения. Угол отражения  (рисунок 1) равен углу падения  (закон отражения); отношение синуса угла падения к синусу угла преломления  есть величина постоянная для данных веществ и называется относительным показателем преломления второго вещества по отношению к первому (закон преломления):

. (1)

 



Рисунок 1 – Отраженный и преломленный лучи
Если первая среда – вакуум, то отношение, аналогичное (1), называется абсолютным показателем преломления n₂ второй среды. Можно показать, что

. (2)

Показатель преломления определяется отношением фазовых скоростей света в соответствующих средах:

. (3)

. (4)

Из уравнений Максвелла следует, что скорость электромагнитной волны в среде зависит от ее электрических и магнитных свойств:

, (5)

где  и - соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемости среды.

Для немагнитных материалов  близка к единице. Поэтому на основании (4) и (5) можно считать

. (6)

Из закона преломления (1) следует, что при переходе света из вещества с большим показателем преломления (оптически более плотного) в вещество с меньшим показателем преломления (оптически менее плотного) луч удаляется от нормали к поверхности раздела сред (рисунок 2, толщина линий, изображающих лучи, соответствует их интенсивности). В этом случае, очевидно, существует такой угол падения

, (7)

при котором угол преломления  равен (рисунок 2,в)

 


а

 


б

Рисунок 2

Такой угол называется предельным углом. При углах падения, заключенных между _преди

, свет полностью отражается от второй среды. Это явление называется полным внутренним отражением.

Дисперсией света называется зависимость оптических характеристик вещества от частоты v или длины волны  падающего света. В частности, дисперсия показателя преломления n выражается зависимостью

n=f ()

Дисперсия света называется нормальной, если показатель преломления монотонно убывает по мере роста длины волны:

(рис.3, участки 1-2 и 3-4). Вблизи полос поглощения наблюдается иная зависимость показателя преломления от длины волны падающего света:

(рис.3, участок 2-3). Пунктирной линией показана зависимость интенсивности поглощения от длины волны. Такая дисперсия называется аномальной.

_{0 рез} ₀

Рисунок 3 – Дисперсия света
Поглощением света называется явление уменьшения энергии световой волны по мере проникновения в глубь вещества, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества.

Опыт показывает, что интенсивность света, поглощенного веществом, пропорционального толщине dl элементарного слоя и интенсивности J падающего света:

-dJ= к J dl, (8)

где к – линейный коэффициент поглощения.

Из (8) легко получить закон Бугера-Ламберта

J=J₀e^-^k^l, (9)

где J – интенсивность света, прошедшего через слой;

J₀ – интенсивность падающего света;

l – толщина слоя прозрачного диэлектрика.

При l=

, следовательно, физический смысл коэффициента поглощения заключается в том, что при толщине слоя, обратной k, интенсивность света ослабляется в е раз.

Коэффициент поглощения зависит от природы среды и от длины волны света. У одноатомных газов и паров (при не очень высоком давлении) коэффициент поглощения резко возрастает в определенных узких спектральных областях, т.е. спектр поглощения у них линейчатый (рис.4а). Газы с многоатомными молекулами проявляют полосатый спектр поглощения. Жидкие и твердые диэлектрики дают сплошные широкие спектры поглощения (рис.4б).

 

Рисунок 4 – Спектры поглощения

Для разбавления растворов веществ в не поглощающем растворителе соблюдается закон Бера

k=c, (10)

где с – концентрация раствора;

 - коэффициент пропорциональности.

Для объяснения явлений поглощения, преломления и дисперсии света необходимо рассмотреть механизм взаимодействия света с веществом.

В электромагнитном поле на микроскопические заряды действует переменная сила Лоренца (причем вторым слагаемым во многих случаях можно пренебречь):

F(t)=q E(t)+q v B(t), (11)

где Е и В – напряженности электрического и магнитного полей;

v – скорость заряженной частицы.

Под действием этой силы электроны и ионы вещества совершают вынужденные гармонические колебания (осциллируют) с частотой  падающей волны, излучая при этом вторичные волны этой же частоты. Процесс непрерывного поглощения и переизлучения энергии электромагнитного поля осциллирующими диполями и представляет собой распространение света в диэлектрике. Часть энергии возбужденных диполей передается тепловому движению частиц вещества, результатом чего является поглощение им света.

Смещение от положения равновесия электронных оболочек в неполярных молекулах и ионов в ионных структурах приводит к поляризации диэлектрика. Амплитуда указанных колебаний резонансным образом зависит от частоты падающей световой волны. Когда частота света намного меньше любой из собственных частот электронных и ионных осцилляторов, поляризованность Р(t) диэлектрика линейно зависит от напряженности электрического поля:

Р(t)=₀

Е(t), (12)

где ₀ – электрическая постоянная;

 - диэлектрическая восприимчивость вещества.

При приближении частоты волны  к одной из собственных частот ₀ (или полосы частот) осцилляторов резко возрастает амплитуда А колебаний и, следовательно, дипольные моменты _а атомов и молекул:

(без учета потерь на затухание), (13)

где m – масса осциллятора;

F – вынуждающая сила (сила Лоренца).

, (14)

где q – заряд диполя.

Как известно из электростатики, поляризованность Р неполярного диэлектрика пропорциональна дипольному моменту атомов и молекул:

Р=n₀ Р_а, (15)

где n₀- число атомов в единице объема.

Из формул (12)-(15) вытекает, диэлектрическая проницаемость (=1+) и, следовательно, показатель преломления (n=

) в указанном диапазоне частот являются функциями частоты падающей волны:

=f(), n²=f().

В области частот видимого излучения определяющую роль играют электронные осцилляторы. На основании вышеизложенных рассуждений зависимость n²от  может быть представлена в виде

, (16)

где е – элементарный заряд;

m_е – масса электрона;

₀_ - одна из собственных частот внешних электронов.

Примечание. По квантовой теории электроны в атомах имеют несколько собственных частот.

График функции (16) изображен на рис.5 пунктиром. Учет затухания электромагнитной волны приводит к зависимости n²=f(), изображенной на этом же рисунке сплошной линией. Перейдя от n² к n и от  к , можно получить кривую, изображенную на рис.3.

При частотах, близких к резонансным (_о), резко возрастает амплитуда колебаний осцилляторов, а следовательно, и поглощение света.

Последовательность собственных частот электронов в атомах и атомов в молекулах вещества может быть дискретной или непрерывной в относительно узком или широком диапазоне. В первом случае спектры поглощения называются линейчатыми, во втором – полосатыми или сплошным.

n²

₀₁ ₀₂ 

Рисунок 5 – График зависимости n² от 

Определение показателя преломления прозрачных сред

1КРАТКАЯ ТЕОРИЯ МЕТОДА
Предметы, рассматриваемые через плоскопараллельный слой вещества, кажутся нам расположенными ближе. Это объясняется преломлением света. Пусть точка О (рисунок 7) расположена на нижней плоскости пластины. Наблюдая сверху, мы увидим ее на пересечении лучей АВ и СД в точке О^’, то есть эта точка покажется нам приподнятой на величину ОО’, а кажущаяся толщина пластины будет d=ОЕ. Найдем связь между показателем преломления n пластины, ее толщиной и кажущейся толщиной . Из рисунка имеем:

,

Отсюда, учитывая, что

, получаем

При 0; 0

.

Следовательно, при наблюдении перпендикулярно плоскости пластины имеем

. (17)
2ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1 Взять стеклянную пластинку 1 (рисунок 6) согласно заданному варианту работы.

2 Измерить ее толщину  микрометром или штангенциркулем с ценой деления нониуса не более 0,01 мм.

3 Установить пластину на предметный столик микроскопа 1 (рис.6), прижать ее зажимом.

4 Вращая ручку 4, опускать тубус микроскопа до тех пор, пока в поле зрения его окуляра не станут отчетливо видны метки верхней поверхности пластины.

5 Записать с точностью до сотых долей миллиметра показания индикатора – Д₁.

6 Продолжить опускать тубус микроскопа до тех пор, пока в окуляре микроскопа не появится четкое изображение меток нижней поверхности пластины. Записать показания индикатора Д₂.

7 Повторить измерения Д₁ и Д₂ несколько раз. Полученные результаты занести в таблицу.

Рисунок 6 – Микроскоп ШМ-1

Рисунок 7 – Преломление света

Таблица 1 - Толщина пластины

Номер измерений	Толщина пластины, мм d	Показания индикатора, мм		Кажущаяся толщина, мм (d=Д₂-Д₁)	d - d_i
		для верхней поверхности Д₁, мм	для нижней поверхности Д₂, мм
1 2 3 4 5 Сред.

По результатам измерений рассчитать среднее значение кажущейся толщиныd, стандартное отклонение (S_d S_d_), доверительный интервал для истинной (S_dt) и кажущейся (S_d_t) толщины пластинки. Результаты измерения (прямого) записать в виде

d=d  S_t,

d=d  S_t.

Вычислить показатель преломления стекла , доверительный интервал (S_nt) и результат измерения (косвенного) записать в виде

n=n  S_nt.

Контрольные вопросы.

Законы геометрической оптики.
Показатель преломления света. Определение абсолютного относительного показателя преломления.
Какую скорость называют фазовой, групповой.
Виды дисперсии.
Явление полного внутреннего отражения. Расчет придельного угла.
Метод определения показателя преломления.

Техника безопасности

Требования безопасности перед началом работ:
1. К работе в лаборатории допускаются студенты, прошедшие инструктаж на рабочем месте с соответствующей отметкой в журнале.
2. Работа в лаборатории проводится согласно общего расписания занятий. Во внеурочное время работа может выполняться только с согласия преподавателя и в присутствии лаборанта.
3. Запрещается включать электрооборудование и приборы без разрешения преподавателя или лаборанта.
4. Работа в лаборатории разрешается при наличии:

исправного электрического оборудования и электрической проводки;
заземления;
средств пожаротушения (огнетушитель, кошма, песок);
аптечки 1-ой медицинской помощи.

До начала работы студенты обязаны тщательно ознакомиться с инструкциями к лабораторным работам, устройством установок и принципом их работы.

Требования безопасности во время работы:
1. Запрещается оставлять включенные электрические установки и приборы без надзора;
2. Не допускается сборка, разборка и монтаж приборов, находящихся под напряжением;
3. Запрещается касаться неизолированных токоведущих частей.
Требования безопасности по окончании работы:
1. По окончании работы необходимо отключить питание электрических приборов, привести в порядок рабочее место;

Литература

Савельев И.В. Курс общей физики, т.1,2,3 – М.: Наука, 2000. – 432с,496с,304с.
Яворский Б.М, Сивухин А.А. Основы физики, т.1,2 – М.: Наука, 2001 – 576c,552c.
Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.1,2,3– М.: Наука, 2000. 339с,368с,446.
Волькинштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики – М.: Наука,2001. – 328с.
Трофимова Т.И. Курс общей физики – М.: Наука, 2001. – 541с.
Трофимова Т.И. Сборник задачо курсу физики с решениями – М.: Высш. Шк., 2002. – 591с
Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.1,2,3,4,5 –М.: ФИЗМАТЛИТ. 2006. – 560с, 544с, 656с, 792с, 784с.

Добавить документ в свой блог или на сайт

	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Государственное бюбжетное образовательное учреждение высшего профессионального... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольская государственная медицинская академия»...
	Правительство Российской Федерации Государственное образовательное... Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Федеральное агентство по образованию государственное образовательное... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ставропольская государственная медицинская академия»...
	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение... Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Рабочие программы дисциплин Титул Министерство здравоохранения и... Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Рабочие программы дисциплин Титул Министерство здравоохранения и... Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Рабочие программы дисциплин Министерство здравоохранения и социального... Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Министерство сельского хозяйства РФ федеральное государственное бюджетное... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Рабочая программа Министерство здравоохранения и социального развития... Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального... Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального... Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования