Визначення показника заломлення твердого тіла за допомогою мікроскопа – МАНЛаб


Визначення показника заломлення твердого тіла за допомогою мікроскопа

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Визначити експериментальне значення показника заломлення прозорих зразків.

Обладнання:

Мікроскоп, 3 зразки прозорих середовищ, скляна пластинка, штангенциркуль, ПК.

Теоретична частина

Згідно із законом заломлення світла заломлений промінь лежить у площині падіння; відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для двох прозорих середовищ залежить лише від довжини світлової хвилі і не залежить від кута падіння:

,

де величина n12 називається відносним показником заломлення. Він визначається відношенням швидкості поширення світла в першому середовищі до швидкості світла в другому середовищі. Показник заломлення середовища відносно вакууму називають абсолютним показником (коефіцієнтом) заломлення цього середовища. Оскільки швидкість світла в повітрі близька до швидкості його у вакуумі, то показник заломлення середовища, виміряний відносно повітря, практично дорівнюватиме абсолютному показникові заломлення цього середовища. Для повітря при тиску 1010,8 гПа і температурі 293К n = 1,000274. Оскільки n залежить від частоти (довжини хвилі) падаючого світла, то його прийнято нормувати до лінії натрію D і записувати nD. Часто індекс D опускають, зауважуючи згадану вище умову.

При великих інтенсивностях падаючого світла (лазерні промені) показники заломлення оптичних середовищ нелінійно залежать від інтенсивності світла. Такий характер цієї залежності спостерігається тоді, коли напруженість електричного поля падаючої хвилі порівнянна з напруженістю поля всередині атомів речовини.

У зв’язку з труднощами безпосереднього вимірювання кутів падіння і заломлення світлових променів розроблено інші методи визначення n. У роботі розглядається метод визначення показника заломлення прозорої твердої плоскопаралельної пластинки за допомогою мікроскопа для білого світла.

Розглянемо шар прозорої речовини, обмеженої двома плоскопаралельними поверхнями NN та ММ. Нехай товщина шару d. Якщо розглядати шар зверху в мікроскоп, то здаватиметься, що нижня поверхня шару займає положення N’N’. Це можна показати, побудувавши зображення кожної точки площини NN. Якщо на нижній поверхні пластинки

розташований дрібний об’єкт S, то він буде джерелом розсіяних променів. Розглянемо два промені SАК і SВL, які розходяться під малим кутом, оскільки в протилежному випадку вони не попадуть в об’єктив мікроскопа. На верхній поверхні розділу речовина – повітря (лінія ММ) обрані промені переходять в оптично менш густе середовище, а отже, розходяться ще більше. Для спостерігача, який дивиться вздовж нормалі РS, промені АК і ВL перетнуться на продовженні в точці S’ – уявному зображенні точки S. Сукупність точок, аналогічних S’, утворює уявне зображення поверхні NN. Як видно з рисунка, уявна товщина пластинки менша за дійсну товщину d. Покажемо, що абсолютний показник заломлення шару прозорої твердої речовини можна обчислити, вимірявши дійсну d і уявну d’ товщину пластинки. З трикутника OSА запишемо: ОА = OS · tg β, з трикутника OS’А: ОА = OS’ · tg α. Тому

.

Тоді .  (1)

Хід роботи

  1. Створіть у математичних таблицях Excel таблицю результатів.
  2. За допомогою штангенциркуля виміряйте реальну товщину кожного із запропонованих зразків d. Результат занесіть до таблиці.
  3. Увімкніть освітлювач мікроскопа та досягніть рівня нормальної освітленості в полі зору окуляра.
  4. Підніміть тубус мікроскопа у верхнє положення.
  5. Установіть на предметному столику предметне скло та поверх нього – перший досліджуваний зразок.
  6. Установіть мінімальну кратність збільшення мікроскопа, добираючи окуляр.
  7. Повільно опускаючи тубус мікроскопа за допомогою рукояті тонкого налаштування, досягніть чіткого зображення поверхні зразка. Зафіксуйте позначку на рукояті тонкого налаштування.
  8. Продовжуйте опускати тубус мікроскопа до чіткого зображення нижньої сторони досліджуваного зразка. Зафіксуйте кількість позначок на рукояті тонкого наведення з урахуванням повних обертів.
  9. Обчисліть за ціною поділки рукояті уявну товщину зразка d та занесіть значення до таблиці.
  10. Перемістіть зразок на предметному столику мікроскопа та двічі повторіть вимірювання уявної товщини зразка. Результат занесіть до таблиці.
  11. Змініть зразок на предметному столику та повторіть вимірювання. Результати заносьте до таблиці.

Аналіз даних

  1. Засобами математичних таблиць розрахуйте середнє арифметичне значення уявної товщини для кожного зразка d’ср .
  2. Засобами математичних таблиць розрахуйте показник заломлення n для кожного зразка з використанням середнього значення уявної товщини зразка. Розраховані значення занесіть до таблиці.

 

Таблиця результатів

№ зразка d (мм) d’ (мм) d’ср (мм) n
1.
2.
3.