Законы физики играют очень важную роль при проведении расчетов для планирования определенной стратегии производства какого-либо товара или при составлении проекта строительства сооружений различного назначения. Многие величины являются расчетными, так что перед стартом работ по планированию производятся измерения и вычисления. Например, показатель преломления стекла равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления.
Так что вначале идет процесс измерения углов, затем вычисляют их синус, а уже только потом можно получить искомое значение. Несмотря на наличие табличных данных, стоит каждый раз проводить дополнительные расчеты, так как в справочниках зачастую используются идеальные условия, которых добиться в реальной жизни практически невозможно. Поэтому на деле показатель обязательно будет отличаться от табличного, а в некоторых ситуациях это имеет принципиальное значение.
Абсолютный показатель
Опять-таки, если важен точный показатель, то без дополнительных измерений не обойтись. Но и они не дают стопроцентно достоверного результата, так как на итоговое значение будет влиять положение солнца на небосводе и облачность в день измерений. К счастью, в 99,99% случае достаточно просто знать, что показатель преломления такого материала, как стекло больше единицы и меньше двойки, а все остальные десятые и сотые доли не играют роли.
На форумах, которые занимаются помощью в решении задач по физике, часто мелькает вопрос, каков показатель преломления стекла и алмаза? Многие думают, что раз эти два вещества похожи внешне, то и свойства у них должны быть примерно одинаковыми. Но это заблуждение.
Максимальное преломление у стекла будет находиться на уровне около 1,7, в то время как у алмаза этот показатель достигает отметки 2,42. Данный драгоценный камень является одним из немногих материалов на Земле, чей уровень преломления превышает отметку 2. Это связано с его кристаллическим строением и большим уровнем разброса световых лучей. Огранка играет в изменениях табличного значения минимальную роль.
Относительный показатель
- — показатель преломления стекла относительно воды составляет примерно 1,18;
- — показатель преломления этго же материала относительно воздуха равен значению 1,5;
- — показатель преломления относительно спирта — 1,1.
Измерения показателя и вычисления относительного значения проводятся по известному алгоритму. Чтобы найти относительный параметр, нужно разделить одно табличное значение на другое. Или же произвести опытные расчеты для двух сред, а потом уже делить полученные данные. Такие операции часто проводятся на лабораторных занятиях по физике.
Определение показателя преломления
Вообще данный коэффициент показывает, во сколько раз замедляется скорость распространения световых лучей при прохождении через определенное препятствие. Поэтому он характерен только для прозрачных материалов. За эталонное значение, то бишь за единицу, взят показатель преломления газов. Это было сделано для того, чтобы можно было отталкиваться от какого-нибудь значения при расчетах.
Если солнечный луч падает на поверхность стекла с показателем преломления, который равен табличному значению, то изменить его можно несколькими способами:
- 1. Поклеить сверху пленку, у которой коэффициент преломления будет выше, чем у стекла. Этот принцип используется в тонировке окон автомобиля, чтобы улучшить комфорт пассажиров и позволить водителю более четко наблюдать за дорожной обстановкой. Также пленка будет сдерживать и ультрафиолетовое излучение.
- 2. Покрасить стекло краской. Так поступают производители дешевых солнцезащитных очков, но стоит учесть, что это может быть вредно для зрения. В хороших моделях стекла сразу производятся цветными по специальной технологии.
- 3. Погрузить стекло в какую-либо жидкость. Это полезно исключительно для опытов.
Если луч света переходит из стекла, то показатель преломления на следующем материале рассчитывается при помощи использования относительного коэффициента, который можно получить, сопоставив между собой табличные значения. Эти вычисления очень важны при проектировке оптических систем, которые несут практическую или экспериментальную нагрузку. Ошибки здесь недопустимы, потому что они приведут к неправильной работе всего прибора, и тогда любые полученные с его помощью данные будут бесполезны.
Чтобы определить скорость света в стекле с показателем преломления, нужно абсолютное значение скорости в вакууме разделить на величину преломления. Вакуум используется в качестве эталонной среды, потому что там не действует преломление из-за отсутствия каких-либо веществ, которые могли бы мешать беспрепятственному движению световых лучей по заданной траектории.
В любых расчетных показателях скорость будет меньше, чем в эталонной среде, так как коэффициент преломления всегда больше единицы.
Почему в автомобиле с тонированными стеклами ехать более комфортно, а стеклянная линза может поджечь траву — ответы на подобные вопросы можно найти, если знать законы преломления света в стекле. Современные оптические приборы тоже появились благодаря изучению оптических свойств стеклянных линз. Важнейшая их характеристика — показатель преломления стекла.
О законе преломления светового потока
Волновая природа света устроена так, что скорость прохождения волны уменьшается с увеличением плотности среды. Направление потока света также изменяется, это и есть преломление света (ПС) — важнейший физический процесс.
В вакууме нет никаких препятствий для движения световой волны, поэтому там она достигает максимальной скорости, которая принимается за эталон. В любой другой среде плотность больше, и скорость распространения светового потока меньше. Часто в расчетах за вакуум принимают воздух, так как скорость движения света в нём близка к скорости движения в вакууме, и направление мало отклоняется от первоначального.
В законе о преломлении света формулируется следующее соотношение для светового потока, проходящего через воздух в иную среду:
- «скорость света во второй среде во столько раз меньше скорости в вакууме (воздухе), во сколько раз синус угла преломления меньше синуса угла падения».
Здесь под углом падения понимают направление света в воздушной среде, а под углом преломления — направление движения луча в следующей среде.
Два показателя процесса преломления
Рассмотрим это соотношение, для этого введем некоторые обозначения.
Пусть a — угол падения, b — угол преломления, тогда: Этот коэффициент (вычисляется как sin a/sin b) – константа, постоянная величина для каждого вещества (или среды).
Если свет проходит через вакуум (воздух), то коэффициент называется в физике абсолютным показателем ПС. Для большинства веществ его величина находится в диапазоне от единицы до двух, например, показатель преломления
- обычного стекла 1,52;
- воды 1,33.
Редко он превышает двойку, например, у алмаза 2,42. Если же световой луч (поток) проходит через две среды разной плотности, то применяется относительный показатель ПС (обозначается латинской буквой n). Этот коэффициент вычисляется как частное от деления абсолютных показателей обеих сред. Например, показатель воды к воздуху 1,33; стекла к воздуху 1,52. Значит, показатель стекла относительно воды будет: 1,52/1,33 = 1,14.
Еще пример — величина показателя для стекла относительно спирта 1,1.
От чего зависит показатель ПС
Некоторые свойства любой среды оказывают влияние на величину коэффициента преломления. Рассмотрим основные факторы, влияющие на изменение показателя ПС: плотность среды (или вещества). Чем плотней среда, тем меньше скорость продвижения в ней света, и угол преломления меньше; температура среды (тела). Повышение температуры уменьшает показатель; длина световой волны. Чем короче длина волны, тем больше показатель ПС, поэтому в спектре он у фиолетовых лучей больше, чем у красных; состав стекла. Различные добавки могут изменять показатель преломления в ту или иную сторону. Например, SiO2 его уменьшает, а такие добавки, как PbO, ВаО, СаО, ZnO, увеличивают показатель.
Методы определения показателя преломления стекла
Значения показателя преломления, указанные в таблицах, могут не учитывать все тонкости и нюансы конкретной среды, при необходимости высокоточных значений проводят измерения показателя ПС различными способами.
Есть совсем простые методы с использованием подручных материалов и инструментов. Их обычно проводят со студентами и школьниками для наглядного обучения. Например, используют транспортир, плоскопараллельную пластину, микроскоп.
Для высокоточных измерений определение показателя преломления стекла и других сред проводят с помощью современных сложных приборов. Например, с помощью рефрактометров, интерферометров, эллипсометров, разных экспериментальных установок.
Где применяется закон
Практическое значение закона преломления света огромно. Любые устройства, приборы, использующие различные линзы, базируются на законах преломления и отражения света. Даже если это линза не из стекла, а из органической ткани. Хрусталик и стекловидное тело человеческого глаза тоже работают на основе законов света. Современные оптические приборы, от простейшего бинокля и до мощных телескопов и перископов, тоже не могли бы работать без этих законов. Можно отметить и такое важнейшее направление, как волоконная оптика. Это инновационные виды связи, скоростная передача информации, медицинские приборы и инструменты, эффективные системы освещения и многое другое.
С законами света связаны многие явления в нашей обычной жизни. Знание всех нюансов процесса преломления и отражения световых лучей сделает нашу жизнь более безопасной и комфортной. Человечеству предстоит еще множество открытий в мире стекла и в исследовании его важнейшей характеристики – показателя преломления стекла.
Оцените статью:
Рейтинг: 0/5 — 0
голосов
Приднестровский
государственный университет
им.
Т.Г. Шевченко
Лабораторные
работы
по
курсу общей физики
раздел: ОПТИКА
Лабораторная
работа № 4.04 (1)
Тема: Определение показателя
преломления стекла(1)
Кафедра
ОФТ
Тирасполь
– 2020
Тема: Определение
показателя преломления стекла.
Цель работы: Определить показатель преломления стекла с помощью микроскопа.
Приборы и принадлежности:
§
Измерительный микрометр.
§
Стеклянная пластинка со
штрихами на обеих поверхностях.
§
Микроскоп с
микрометрическим винтом.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ.
При прохождении света через
ровную и плоскую границу двух прозрачных веществ неодинаковой оптической
плотности падающий луч света AO разделяется на два луча — отраженный луч OB и
преломленный луч OD (рис.1).
 |
Направления этих лучей определяются
следующими законами отражения и преломления света:
1.Луч АО, падающий на преломляющую поверхность,
нормаль к поверхности в точке поверхности падения OP,
луч отраженный OB, луч преломленный OD
лежат в одной плоскости.
2.Угол отражения — РОВ численно равен углу
падения — РОА.
3.Синус угла падения i относится к синусу
угла преломления r, как скорость света в первой среде v1 относится к
скорости света во второй среде v2:
.
Последний закон говорит о том, что свет
распространяется в различных средах с различной скоростью.
Для двух данных сред и для луча данной длины волны
отношение скорости света в среде 1 к скорости света в среде 2 или отношение
синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, т.е.
; 
;
Величина n21 называется относительным показателем (коэффициентом) преломления
второй среды по отношению к первой.
Если одна из сред, например 1 — пустота или воздух, то
показатель преломления n данной среды 2 по отношению к пустоте
называется абсолютным показателем преломления данной среды или просто
показателем преломления.
Абсолютный показатель преломления среды 2 (рис.1)
где с — скорость света в пустоте;
V2
— скорость света в данной среде. Т.е. показатель преломления среды есть
отношение скорости света в пустоте к скорости света в данной среде:
Показатель преломления зависит от длины волны света и
от свойств среды. Абсолютные показатели преломления больше 1. Это значит, что
скорость распространения света в данной среде всегда меньше, чем в пустоте.
Относительный показатель преломления двух сред n21 связан с абсолютными показателями преломления
сред n1
и n2
следующим соотношением:
.
Для определения показателей преломления веществ следует воспользоваться
одним из методов. Одним из них является метод определения показателя
преломления стекла с помощью микроскопа.
 |
В основе метода лежит явление кажущегося
уменьшения толщины стеклянной пластинки вследствие преломления световых лучей,
проходящих в стекле при рассматривании пластинки нормально к ее поверхности.
Схема прохождения лучей через пластинку дана на рис.2.
В находящуюся точку A,
на нижней поверхности пластинки, падают два луча света 1 и 2.
Луч 2 падает на пластинку нормально к её поверхности и поэтому
проходит сквозь пластинку и выходит в воздух в точке C,
не испытывая преломления. Луч 1 преломляется и выходит из
пластинки в точку O по направлению к точке D.
При выходе из пластинки луч OD
образует угол преломления r больший,
чем угол падения i.Если смотреть из точки D по направлению DO,
то наблюдатель будет видеть точку пересечения лучей OD,
AC не в точке A, а в точке E,
т.е. толщина пластинки будет казаться равной CE.
Из рис.2 видно, что кажущаяся
толщина пластинки CE=h меньше истинной,
т.е. действительной её толщины CA=H.
Для лучей близких к нормально
падающим лучам, углы падения и преломления малы. В этом случае синусы можно заменить
тангенсами и по закону преломления света написать (рассматривая обратный ход
лучей, т.е. от D к A)
При рассмотрении рисунка и после
соответствующих преобразований имеем:
следовательно, показатель преломления стекла можно найти из отношения
истинной толщины стеклянной пластинки к кажущейся её толщине. Истинная толщина
пластинки измеряется микрометром, а кажущаяся– микроскопом с микрометрическим
винтом.
ХОД РАБОТЫ
1.
Измеряют микрометром
истинную толщину стеклянной пластинки H в том месте, где нанесены штрихи, и берут её
значения в миллиметрах.
2.
Определяют кажущуюся
толщину стеклянной пластинки h, для чего пластинку кладут на столик
микроскопа под объектив так, чтобы оба штриха пересекали оптическую ось прибора.
Затем:
а) Двигая тубус, добиваются чёткого изображения видимого в микроскоп
штриха, нанесённого на верхнюю поверхность пластинки. Записывают отсчёт
микрометрического винта и считают его за 0 деление.
б) Отпускают тубус микроскопа до
получения чёткого изображения штриха, на нижней поверхности пластинки. Новый
отсчёт микрометрического винта даёт сразу кажущуюся толщину h.
Очевидно h = (NZ + 0,002m) мм, где N – число полных оборотов барабана винта, Z –
– шаг винта, 50
– число делений на одном обороте барабана, 0,002 – цена
одного деления барабана винта, m –
число делений в неполном обороте барабана. За один полный оборот барабана
микрометрического винта тубус микроскопа перемещается на Z=0,1 мм.
3.Вычисляют показатель
преломления стекла по формуле:
4.Измерения производят не менее
трёх раз. Все данные вносят в таблицу №1.
Таблица №1.
|
№ |
H, мм |
N |
m |
h,мм |
n |
D n |
e ,% |
|
1. 2. 3. |
|||||||
|
Ср.зн. |
|||||||
|
1. 2. 3. |
|||||||
|
Ср. зн. |
|||||||
|
1. 2. 3. |
|||||||
|
Ср. зн. |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1.
Дать определение
показателя преломления (абсолютного).
2.
От чего зависит показатель
преломления?.
3.
Сформулировать законы
преломления и отражения света.
Литература.
1.
Г.С. Ландсберг «Оптика».
2.
Б.М. Яворский «Курс
физики» т.3 стр.99-101.
3.
С.Э. Фриш, А.В. Тиморева
«Курс общей физики», т.3, стр.13.
Показатель преломления — это безразмерная физическая величина, характеризующая отличие фазовых скоростей света в двух средах.
Более подробно о показателе преломления и о том, как его рассчитать, вы узнаете из данной статьи.
Простое объяснение.
Наблюдайте за ходом светового луча из одной среды, например воздуха, в другую среду, например воду. Это можно сделать, например, глядя снизу на поверхность воды над собой при нырянии в бассейне. Если вы это сделаете, то увидите изменение направления луча при переходе из одной среды в другую. Это изменение направления также называется преломлением света. Вы всегда можете наблюдать это в средах с различными показателями преломления.
Показатель преломления — это свойство оптического материала. Это отношение длины волны света в вакууме c0 к длине волны света в среде cM, то есть n = c0 / cM .
Показатель преломления является безразмерным числом и зависит от частоты света. Поскольку показатель преломления зависит от частоты волны (света), мы также говорим о дисперсии. Если две среды имеют разные показатели преломления, вы наблюдаете преломление и отражение света на их границах. Среда с более высоким показателем преломления имеет более высокую оптическую плотность.
Другими терминами для обозначения показателя преломления являются также индекс преломления или оптическая плотность.
Закон преломления Снеллиуса
Закон преломления Снеллиуса гласит, что луч света преломляется, когда попадает в среду с другой оптической плотностью. Причиной преломления является изменение зависящей от материала фазовой скорости, которая входит в закон преломления как показатель преломления. Закон преломления — это зависимость между углом падения θ1 и углом отражения θ2 преломленного света.
n1 * sin θ1 = n2 * sin θ2
В этой формуле n1 и n2 означают показатели преломления двух сред.
Вещества с показателем преломления
Оптическая плотность вакуума определяется как 1. В видимом спектре показатели преломления прозрачных или слабо поглощающих материалов больше 1. Для электропроводящих и сильно поглощающих сред преобладают другие физические свойства. Хотя их показатели преломления находятся между 0 и 1, эти значения следует интерпретировать по-разному. В этих средах в комплексном показателе преломления преобладает мнимая часть.
Кроме того, каждое вещество имеет диапазон длин волн, в котором действительная часть показателя преломления меньше 1, но все еще положительна. Здесь оптическая плотность для малых длин волн всегда меньше 1 и приближается к 1 снизу по мере уменьшения длины волны.
Показатель преломления воздуха
Значение показателя преломления воздуха можно найти в таблице 1 ниже. Он зависит от плотности и температуры, а также от состава воздуха. В частности, влажность воздуха оказывает большое влияние на его коэффициент преломления. Согласно формуле барометрической высоты, давление воздуха экспоненциально уменьшается на больших высотах. На высоте 8 километров коэффициент преломления воздуха составляет всего 1,00011.
Показатель преломления воды
Для показателя преломления воды действуют те же принципы, что и для воздуха. На больших глубинах давление и температура выше, что влияет на преломление света. Но вы также можете легко убедиться в этом, наполнив стакан холодной воды горячей. Вы увидите, что горячая вода менее прозрачна, чем холодная. Поэтому оптическая плотность выше при использовании более горячей воды.
Таблица показателей преломления
В следующей таблице представлен обзор некоторых наиболее важных показателей преломления.
| Среда | Показатель преломления |
| Воздух | 1,000292 |
| Вода (жидкость, 20°C) | 1,3330 |
| Стекло | 1.45 — 2.14 |
| Этанол | 1,3614 |
Комплексный показатель преломления
Если вы посмотрите на электромагнитную волну и рассмотрите ее поглощение в среде, то обнаружите, что можно также объединить классический показатель преломления и затухание волны в комплексный показатель преломления. Для этого существуют различные, эквивалентные представления:
- Сумма действительной части с мнимой частью комплексного числа: n = nr + i * ni , где i — мнимая единица
- Разница между действительной и мнимой частями комплексного числа: n = nr — i*k
- Произведение действительного показателя преломления на комплексное число: n = n * ( 1 — i * k).
Знак минус, используемый в некоторых представлениях, гарантирует, что мнимая часть получит положительный знак в случае поглощающих сред. Эта мнимая часть называется коэффициентом молярной экстинкции. Переменная κ называется показателем поглощения. Это мнимая часть, деленная на показатель преломления n.
Как действительная, так и мнимая части оптической плотности зависят от частоты.
Диэлектрическая проницаемость и проницаемость
Комплексный показатель преломления связан с проницаемостью εr (способность к поляризации) и проницаемостью μr (способность к намагничиванию): n = εr * μr .
Все величины являются комплекснозначными и зависят от частоты. В случае немагнитных сред, μr ≈ 1. Таким образом, вы формируете комплексный показатель преломления непосредственно из действительной и мнимой частей ( ε1, ε2 ) проницаемости.
n ≈ εr = ε1 + i * ε2
Сравнение с комплексным показателем преломления представления суммы и разности позволяет вычислить n и k, соответственно.
Атомы с показателем преломления
Показатель преломления кристаллических веществ напрямую зависит от их атомной структуры. Кристаллическая решетка твердого тела влияет на его полосовую структуру и, следовательно, на его преломляющее поведение.
Частично кристаллические материалы также демонстрируют корреляцию между плотностью и оптической плотностью. Однако эта зависимость, как правило, не является линейной.
Применение показателя преломления
Показатель преломления является наиболее важным параметром для оптических линз. Оптический расчет, используемый для проектирования оптических приборов, основан на сочетании различных преломляющих линз с подходящими стеклами.
В химии и фармации различные вещества характеризуются оптической плотностью при определенных температурах. Кроме того, определяя коэффициент преломления, вы узнаете содержание определенного вещества в растворе.
Список использованной литературы
- Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
- Савельев, И. В. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. // Курс общей физики: Учеб. пособие.. — М.: «Наука», 1988. — Т. 2. — 496 с.
Лабораторное
занятие 17
Определение
показателя преломления стекла
Цель:
Опытным путем
определить показатель преломления
стекла
Оборудование:
Стеклянная пластина
с двумя параллельными гранями, набор
булавок, транспортир, лист миллиметровой
бумаги (или лист бумаги в клеточку),
линейка, таблица тригонометрических
функций
Содержание работы:
Свет при переходе
из одной среды в другую меняет свое
направление, т.е. преломляется. Преломление
объясняется изменением скорости
распространения света при переходе из
одной среды в другую, и подчиняется
следующим законам:
Падающий и
преломленные лучи лежат в одной плоскости
с перпендикуляром, проведенным через
точку падения луча к границе раздела
двух сред.
Отношение
синуса угла падения а к синусу угла
преломления у для данных двух сред —
величина постоянная для данных двух
сред и называется коэффициентом
преломления n
второй среды относительно первой: n
= Sin/Sin
Ход работы:
1.
На лист плашмя положить стеклянную
пластину и карандашом обвести ее контуры.
-
С
другой стороны стекла наколоть возможно
дальше друг от друга две булавки так,
чтобы прямая, проходящая через них, не
была перпендикулярна одной из параллельных
граней пластинки. -
Третью
булавку расположить по грани с другой
стороны стекла и вколоть ее так,
чтобы, смотря вдоль всех булавок через
стекло, видеть их расположенными на
одной прямой. -
Стекло,
булавки снять, места наколов отметить
точками 1,2,3. Через точки 1 и 2, 2 и 3 провести
прямые до пересечения с контурами
стекла. -
Отметить
угол падения α и угол преломления γ,
транспортиром измерить эти углы и по
таблице значений синусов определить
синусы измеренных углов. -
Опыт
повторить 2-3
раза, меняя каждый раз угол α. -
Вычислить
коэффициент преломления, найти его
среднее значение. -
Определить
погрешность измерения методом среднего
арифметического. -
Результаты
измерений, вычислений записать в
таблицу:
|
Номер |
Угол |
Угол |
Коэффициент |
Среднее |
Абсолютная
Δn |
Среднее |
Относительная |
δ
= Δn/nT
ּ
100%
или δ = │nтаб
– nср/nтаб│
ּ
100%
Табличное
значение
n =
1,6
Контрольные
вопросы:
1. В чем сущность
явления преломления света и какая
причина этого явления?
2. В каких случаях
свет на границе раздела двух прозрачных
сред не преломляется?
3. Что называют
коэффициентом преломления и в чем
разница абсолютного и относительного
коэффициента преломления?
5. Что можно сказать
о длине и частоте светового луча при
его переходе из воздуха в алмаз?
6. Как соотносятся
угол падения и угол преломления в
случаях:
а)
падения луча из оптически менее плотной
среды — в более плотную;
б)
падения луча из оптически более плотной
среды — в менее плотную.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #