Дослідження дисперсії оптичного скла, Контент-платформа
Лабораторна робота №5
ДОСЛІДЖЕННЯ ДИСПЕРСІЇ ОПТИЧНОГО СКЛА
Мета роботи- визначення показників заломлення оптичного скла для різних довжин хвиль та побудова кривої дисперсії.
Дисперсією світла прийнято називати залежність показника заломлення від довжини хвилі чи частоти електромагнітних світлових коливань. Це пояснюється різною фазовою швидкістю поширення речовині світлових хвиль різної довжини. Показник заломлення речовини є відношенням фазової швидкості світла в порожнечі до швидкості його в даному середовищі. Якщо швидкість світла в середовищі залежить від довжини хвилі, то показник заломлення середовища повинен залежати від довжини хвилі. Дисперсією речовини називають відношення , де - Довжина хвилі світла у вакуумі. Дисперсію мають практично всі прозорі середовища, крім вакууму, де швидкість поширення всіх електромагнітних хвиль будь-якої довжини однакова.
Будь-який метод, який застосовується визначення показника заломлення (заломлення в призмах, повне внутрішнє відбиток, інтерференційні методи), може бути виявлення дисперсії.
У цій роботі вимірювання показників заломлення проводиться для органічного скла, що має форму призми. Розкладання білого світла в спектр при проходженні через призму викликане явищем дисперсії. Світло різних довжин хвиль (різного кольору) неоднаково переломлюється на межі двох прозорих середовищ, оскільки .
При деякому певному куті падіння променів на призму кут відхилення променів призмою приймає найменше значення і називається кута найменшого відхилення. У цьому випадку кут падіння променів на призму (рис. 1) дорівнює куту виходу їх із призми, тобто промінь у призмі йде паралельно до основи. Встановимо при цьому випадку зв'язокn,Аі .
Запишемо закон заломлення світла для вхідної грані призми. З рис. 1 видно, що ,= з чотирикутникаNKCM.. Звідси. Підставляючи значення і закон заломлення, отримуємо
.
З формули видно, що в роботі повинні бути виміряні кутиАі для різних довжин хвиль і розраховані значення показника заломлення.
Опис лабораторної установки.
КоліматорКмає на одному кінці вертикальну щілинуSрегульованої ширини та об'єктив . Щілина розташована у фокальній площині об'єктива коліматора, тому освітлювальний коліматор дає паралельний пучок променів, що прямує на призму.
Зорова трубаNможе обертатися навколо осі гоніометра, залишаючись спрямованою завжди по радіусу кругового лімбаR.В окулярі зорової труби є вертикальний відліковий індекс (нитка), який повинен бути чітко видно.
Вздовж шкали лімба разом з зоровою трубою рухається жорстко скріплений зній ноніусL,має 30 поділів. Точність ноніуса – 1 хв. Переміщаючи зорову трубу, потрібно домогтися суміщення нитки окуляра труби з віссю лінії спектру і зняти кутову координату труби (і, отже, даної спектральної лінії) за ганою шкали і ноніусу з точністю до 1 хв. Відлік цілих градусів і напівградусів робити за шкалою лімба проти нуля лімба. До цього відліку додати кількість хвилин, знятих за шкалою ноніуса (перший поділ ноніуса, що збігається з розподілом шкали лімба).
Вхідна щілина коліматораSвисвітлюється світлом ртутної газорозрядної лампи, лінійний спектр випромінювання якої і спостерігається в окуляр зорової трубиN.
1. Увімкнути джерело світла, висвітлити вхідну щілину коліматора і повернути зорову трубу так, щоб її оптична вісь збігалася з віссю коліматора. При цьому у полі зору зорової труби з'явиться зображення вхідної щілини коліматора. Переміщаючи окуляр зорової труби фокусувальним гвинтом, домогтися різкого зображення щілини. Повертаючи вхідну щілину коліматора за її оправлення, встановити зображення щілини паралельно відлікової нитки зорової труби.
2. Визначити заломлюючий кутАпризми. На столик гоніометра поставити призму так, щоб бісектриса переломного кута призми приблизно збіглася з віссю освітлювального коліматора (рис. 3). Бічні грані призми у цьому становищі працюють як дзеркала. Спочатку неозброєним оком, а потім за допомогою зорової труби зловити зображення вхідної щілини освітлювального коліматора у напрямку відбитих від бічних граней призми променів. Повертаю зорову трубу, поєднати нитку окуляра із зображенням щілини спочатку в положенні 1, потім 2 і при цьому зняти відліки за шкалою та лімбою гоніометра ( і ). Легко показати, що при цьомуположенні призми шуканий кутАдорівнює половині кутаD;.Тоді кут . Якщо при переміщенні з положення 1 положення 2 зорова труба проходить через нуль лімба, тоді кут . Заломлюючий кут призми визначити не менше трьох разів.
3. Виміряти кути найменшого відхилення для різних довжин хвиль спектра ртуті: жовта 578; зелена 546; блакитна 491,6; синя 435,8; фіолетова 407,8; фіолетова 404,7 нм.
Насамперед необхідно побачити в зорову трубу лінійний спектр парів ртуті. Для цього елементи установки розташувати відповідно до рис. 2. Злегка повертаючи столик із призмою та зорову трубу поблизу вказаних на малюнку положень, досягти чіткого зображення ліній спектру. Далі повернути столик із призмою в одному напрямку та простежити за рухом спектральної лінії. Помітити, що при якомусь певному куті падіння променя на призму спостережувана спектральна лінія зупиняється в полі зору труби, а потім починає рухатися в бік, зворотний її руху, до зупинки. Положення спектральної лінії на момент зупинки відповідає куту найменшого відхилення променя . Поєднати відлікову нитку окуляра зорової труби з лінією спектра в положенні мінімального відхилення. Потім, трохи повертаючи столик, перевірити ще раз, що зміна напрямку руху лінії відбувається точно на нитці. Зняти відлік по лімбу та ноніусу зорової труби. Ці вимірювання зробити аналогічним чином для всіх ліній спектру ртуті не менше трьох разів.
Отримавши відліки для відхилених призмою променів, виміряти кутову координату променів, що падають на призму. Для цього зняти призму зі столика гоніометра та повернути зорову трубу так, щоб побачити біле зображення вхідної щілини коліматора. Поєднавши відлікову нитку зорової труби з білимзображенням щілини, зняти відлік , тоді кут для будь-якої спектральної лінії:
(Див. рис. 1)
4. За виміряними в досвіді кутамиAта обчислити показники заломлення оптичного скла призми для шести значень довжин хвиль. Показник заломлення вважати до тисячних часток.
5. Побудувати графік, що зображує дисперсію світла оптичному склі призми, т. е. .
6. Вивести формулу похибки для показника заломлення скла та по ній розрахувати відносну та абсолютну помилки розрахунку показника заломлення скла для зеленої лінії ртуті ( = 546 нм).
7. Розрахувати дисперсію оптичного скла у жовто-зеленій та синьо-фіолетовій областях спектра за формулоюD= .
1. У чому полягає явище дисперсії?
2. Зобразіть якісно вид залежності показника заломлення речовини від довжини хвилі у разі нормальної дисперсії.
3. Зобразіть якісно вид залежності кута відхилення променя призмою від кута падіння його на призму.