Определение показателя преломления жидкостей при помощи рефрактометра

Определение показателя преломления прозрачных твердых тел

И жидкостей

 

Приборы и принадлежности: микроскоп со светофильтром, плоскопараллельная пластинка с меткой АВ в виде креста; рефрактометр марки «РЛ»; набор жидкостей.

Цель работы: определить показатели преломления стекла и жидкостей.

 

Определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа

Для определения показателя преломления прозрачного твердого тела применяется плоскопараллельная пластинка, изготовленная из этого материала, с меткой. Метка представляет собой две взаимно перпендикулярные царапины, одна из которых (А) нанесена на нижнюю, а вторая (В) - на верхнюю поверхность пластинки. Пластинка освещается монохроматическим светом и рассматривается в микроскоп. На
рис. 4.7 представлено сечение исследуемой пластинки вертикальной плоскостью.

Лучи АД и АЕ после преломления на границе стекло – воздух идут по направлениям ДД₁ и ЕЕ₁ и попадают в объектив микроскопа. Наблюдатель, который смотрит на пластину сверху, видит точку А на пересечении продолжения лучей ДД₁ и ЕЕ₁, т.е. в точке С.

Таким образом, точка А кажется наблюдателю расположенной в точке С. Найдем связь между пока­зателем преломления n материала пластинки, толщиной d и кажущейся толщиной d₁ пластинки.

Из рис. 4.7 видно, что ВД = ВСtgi, BD = АВtgr, откуда

tgi/tgr = AB/BC,

где AB = d – толщина пластинки; ВС = d₁ кажущаяся толщина пластинки.

Если углы i и r малые, то

Sini/Sinr = tgi/tgr, (4.5)

т.е. Sini/Sinr = d/d₁.

Учитывая закон преломления света, получим

n = d/d₁. (4.6)

Измерение d/d₁ производится с помощью микроскопа.

Оптическая схема микроскопа состоит из двух систем: наблюдательной, в которую входят объектив и окуляр, вмонтированные в тубус, и осветительной, состоящей из зеркала и съемного светофильтра. Фокусировка изображения проводится вращением рукояток, расположенных по обе сто­роны от тубуса. На оси правой рукоятки укреплен диск со шкалой лимб.

Отсчет b по лимбу относительно неподвижного указателя определяет расстояние h от объектива до предметного столика микроскопа:

h = kb. (4.7)

Коэффициент k указывает, на какую высоту смещается тубус микроскопа при повороте рукоятки на 1°.

Диаметр объектива в данной установке мал по сравнению с расстоянием h, поэтому крайний луч, который попадает в объектив, образует малый угол i с оптической осью микроскопа. Угол преломления r света в пластинке меньше, чем угол i,т.е. тоже мал, что соответствует условию (4.5).

 

Порядок выполнения работы

1. Положить пластинку на предметный столик микроскопа так, чтобы точка пересечения штрихов А и В (см. рис. 4.7) находилась в поле зрения.

2. Вращая рукоятку подъемного механизма, поднять тубус в верхнее положение.

3. Глядя в окуляр, вращением рукоятки опускать тубус микроскопа плавно до тех пор, пока в поле зрения не получится четкое изображение царапины В, нанесенной на верхнюю поверхность пластинки. Записать показание b₁ лимба, которое пропорционально расстоянию h₁ от объектива микроскопа до верхней грани пластинки: h₁ = kb₁ (рис. 4.8, а).

4. Продолжить опускание тубуса плавно до тех пор, пока не получится четкое изображение царапины А, которая кажется наблюдателю расположенной в точке С. Записать новое показание b₂ лимба. Расстояние h₁ от объектива до верхней поверхности пластинки пропорционально b₂:
h₂ = kb₂ (рис. 4.8, б).

Расстояния от точек В и С до объектива равны, так как наблюдатель видит их одинаково четко.

Смещение тубуса h₁-h₂ равно кажущейся толщине пластинки (рис. 4.8, б)

d₁ = h₁-h₂ = (b₁-b₂)k. (4.8)

5. Измерить толщину пластинки d в месте пересечения штрихов. Для этого под исследуемую пластинку 1 (рис. 4.9) поместить вспомогательную стеклянную пластинку 2 и опускать тубус микроскопа до тех пор, пока объектив не коснется (слегка) исследуемой пластинки. Заметить показание лимба a₁. Снять иссле-дуемую пластинку и опускать тубус микроскопа до тех пор, пока объектив не коснется пластинки 2. Заметить показание a₂.

Объектив микроскопа опустится при этом на высоту, равную толщине исследуемой пластинки, т.е.

d = (a₁-a₂)k. (4.9)

 

6. Вычислить показатель преломления материала пластинки по формуле

n = d/d₁ = (a₁-a₂)/(b₁-b₂). (4.10)

 

7. Повторить все указанные выше измерения 3 - 5 раз, вычислить среднее значение n, абсолютную и относительную погрешности rn и rn/n.

 

Определение показателя преломления жидкостей при помощи рефрактометра

Приборы, которые служат для определения показателей преломления, называются рефрактометрами. Общий вид и оптическая схема рефрактометра РЛ показаны на рис. 4.10 и 4.11.

Измерение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра РЛ основано на явлении преломления света, прошедшего через границу раздела двух сред с разными показателями преломления.

Световой пучок (рис. 4.11) от источника 1 (лампа накаливания или дневной рассеянный свет) с помощью зеркала 2 направляется через окошко в корпусе прибора на двойную призму, состоящую из призм 3 и 4, которые изготовлены из стекла с показателем преломления 1,540.

Поверхность АА верхней осветительной призмы 3 (рис. 4.12, а) матовая и служит для освещения рассеянным светом жидкости, нанесенным тонким слоем в зазоре между призмами 3 и 4. Свет, рассеянный матовой поверхностью 3, проходит плоскопараллельный слой исследуемой жидкости и падает на диагональную грань ВВ нижней призмы 4 под различными
углами i в пределах от нуля до 90°. Чтобы избежать явления полного внутреннего отражения света на поверхности ВВ, показатель преломления исследуемой жидкости должен быть меньше, чем показатель преломления стекла призмы 4, т.е. меньше, чем 1,540.

Таким образом, с помощью рефрактометра РЛ, в силу его конструктивных особенностей, можно измерять показатель преломления жидкостей в интервале 1,300 - 1,540.

Луч света, угол падения которого равен 90°, называется скользящим. Скользящий луч, преломляясь на границе жидкость – стекло, пойдет в призме 4 под предельным углом преломления r _пр < 90^о.

Преломление скользящего луча в точке Д (см. рис 4.12, а) подчиняется закону

n_ст/n_ж = sini_пр/sinr_пр (4.11)

или n_ж = n_стsinr_пр, (4.12)

так как sini_пр = 1.

На поверхности ВС призмы 4 происходит повторное преломление световых лучей и тогда

Sini¢_пр/sinr¢_пр = 1/ n_ст, (4.13)

r¢_пр+i¢_пр = i¢_пр =a, (4.14)

где a -преломляющий луч призмы 4.

Решая совместно систему уравнений (4.12),(4.13),(4.14), можно получить формулу, которая связывает показатель преломления n_ж исследуемой жидкости с предельным углом преломления r’_пр луча, вышедшего из призмы 4:

. (4.15)

Если на пути лучей, вышедших из призмы 4, поставить зрительную трубу, то нижняя часть ее поля зрения будет освещена, а верхняя - темная. Граница раздела светлого и темного полей образована лучами с предельным углом преломления r¢_пр. Лучей с углом преломления меньшим, чем r¢_пр, в данной системе нет (рис. 4.12, б).

Величина r¢_пр,следовательно, и положение границы светотени зависят только от показателя преломления n_ж исследуемой жидкости, так как n_ст и a величины в данном приборе постоянные. Зная n_ст, a и r¢_пр, можно по формуле (4.15) рассчитать n_ж. На практике формула (4.15) используется для градуировки шкалы рефрактометра.

На шкалу 9 (см. рис. 4.11) слева нанесены значения показателя преломления для l_д = 5893 Å. Перед окуляром 10 - 11 имеется пластинка 8 с меткой (----). Перемещая окуляр вместе с пластинкой 8 вдоль шкалы, можно добиться совмещения метки с границей раздела темного и светлого полей зрения. Деление проградуированной шкалы 9, совпадающее с меткой, дает значение показателя преломления n_ж исследуемой жидкости. Объектив 6 и окуляр 10 - 11 образуют зрительную трубу. Поворотная призма 7 изменяет ход луча, направляя его в окуляр.

Вследствие дисперсии стекла и исследуемой жидкости вместо четкой границы раздела темного и светлого полей при наблюдении в белом свете получается радужная полоска. Для устранения этого эффекта служит компенсатор дисперсии 5, установленный перед объективом зрительной трубы. Основная деталь компенсатора – призма, которая склеена из трех призм и может вращаться относительно оси зрительной трубы. Преломляющие углы призмы и их материал подобраны так, что желтый свет с длиной волны l_д =5893 Å проходит через них без преломления. Если на пути цветных лучей установить компенсаторную призму так, чтобы ее дисперсия была равна по величине, но противоположна по знаку дисперсии измерительной призмы и жидкости, то суммарная дисперсия будет равна нулю. При этом пучок световых лучей соберется в белый луч, направление которого совпадает с направлением предельного желтого луча. Таким образом, при вращении компенсаторной призмы цветная окраска цветотени устраняется. Вместе с призмой 5 вращается дисперсионный лимб 12 относительно неподвижного указателя (см. рис. 4.10). Угол поворота Z лимба позволяет судить о величине средней дисперсии исследуемой жидкости. Шкала лимба должна быть проградуирована. График прилагается к установке.

 

Порядок выполнения работы

1. Приподнять призму 3, на поверхность призмы 4 поместить 2-3 капли исследуемой жидкости и опустить призму 3 (см. рис. 4.10).

2. С помощью рефлектора 2 направить пучок света на призму 3.

3. Окулярной наводкой добиться резкого изображения шкалы и границы раздела полей зрения.

4. Вращая рукоятку 12 компенсатора 5, уничтожить цветную окраску границы раздела полей зрения.

5. Перемещая окуляр вдоль шкалы, совместить метку(----) с границей темного и светлого полей и записать значение показателя жидкости.

6. Исследовать предложенный набор жидкостей и оценить погрешность измерений.

7. После каждого измерения протирать поверхность призм фильтровальной бумагой, смоченной в дистиллированной воде.

 

Контрольные вопросы

Вариант 1

1. Дайте определение абсолютного и относительного показателей преломления среды.

2. Нарисуйте ход лучей через границу раздела двух сред (n₂> n₁, и n₂< n₁).

3. Получите соотношение, которое связывает показатель преломления n с толщиной d и кажущейся толщины d¢ пластинки.

4. Задача. Предельный угол полного внутреннего отражения для некоторого вещества равен 30°. Найти показатель преломления этого вещества.

Ответ: n =2.

Вариант 2

1. В чем состоит явление полного внутреннего отражения?

2. Опишите конструкцию и принцип действия рефрактометра РЛ-2.

3. Объясните роль компенсатора в рефрактометре.

4. Задача. Из центра круглого плота на глубину 10 м опущена лампочка. Найти минимальный радиус плота, при этом ни один луч от лампочки не должен выйти на поверхность.

Ответ: R = 11,3 м.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: