Устройство лабораторной установки

Общие указания

Существуют четыре основные закона оптических явлений:

1) закон прямолинейного распространения света;

2) закон независимости световых лучей;

3) закон отражения света;

4) закон преломления света.

В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Это вытекает из того, что непрозрачные предметы при освещении их источниками малых размеров дают тени с резко очерченными границами. Данный закон приближенный, Например, при прохождении света через очень малые отвер­стия наблюдаются отклонения от прямолинейности тем большие, чем мень­ше отверстие. Это явление называется дифракцией.

Независимость световых лучей проявляется в том, что они при пересечении не возмущают друг друга. Каждый из лучей распространяется независимо от другого. Однако это наблюдается лишь при не слишком боль­ших интенсивностях света. При интенсивностях, получаемых с помощью лазеров, лучи взаимодействуют друг с другом.

При прохождении света че­рез границу двух прозрачных веществ падающий луч разделяется на два - отраженный и преломленный (рис.1). Направления этих лучей определяются закона­ми отражения и преломления света. Закон отражения света гласит, что отраженный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения. Угол отражения равен углу падения.

Рис. 1

 

Закон преломления света формулируется следующим образом: преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных веществ

,

где n ₂₁ – относительный показатель преломления второго вещества по отношению к первому;

n ₂, n ₁ – абсолютные показатели преломления II и I сред равные отношению скорости света в ва­кууме к скорости света в среде:

; ,

где с – скорость света в вакууме;

u ₁ – скорость света в I среде;

u ₂ – скорость света во II среде;

e ₁ и e ₂ – диэлектрические проницаемости I и II сред.

Выведем закон преломления волн при переходе из одной среды в дру­гую. Для этого воспользуемся принципом Гюйгенса для распространения волн.

Принцип Гюйгенса основан на предположении о том, что в интерва­ле времени от t до t+ Δ t каждую точку фронта волны S (t) можно рассматривать как источник вторичных волн. В однородной изотропной среде волновые поверхности вторичных волн в момент времени t+ Δ t имеют вид сфер радиуса u Δ t центры, которых лежат на поверхности S (t). По принципу Гюйгенса, огибающая этих сфер указывает положение в момент времени t+ Δ t фронта S (t+ Δ t) действительно распространяющейся волны. При этом огибающую нужно строить только по ту сторону от волно­вой поверхности S (t), в которую распространяется рассматриваемая волна.

Практическое применение принципа Гюйгенса ясно из рис. 2.

При выводе закона преломления будем считать скорость распространения волны в первой среде u ₁, а во второй – u ₂.

 

Рис.2.	Рис.3.

 

За время Δ t падающая волна в 1 среде пройдет расстояние ВС (рис.3):

ВС = u ₁Δ t.

За это время Δ t преломленная волна во II среде пройдет расстояние АД

АД = u ₂Δ t.

Из прямоугольных треугольников АВС и АДС следует, что ВС = АС sin i и

АД = АС× sin r, или

= = . (1)

Мы получили закон преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению фазовой скорости волны в пер­вой среде u ₁ к фазовой скорости волны во второй среде u ₂. Таким образом, из принципа Гюйгенса вытекает, что

n ₂₁ = . (2)

Вывод рабочей формулы

Пусть на плоской стеклянной пластинке толщиной Н имеется царапина С. Еcли смотреть сверху, то она кажется приподнятой на высо­ту h вследствие закона преломления света. Из Δ АВС и Δ АВС ¢ (рис. 4), следует, что

BC = H = AB ctg r, (3)

BC ¢ = H – h = AB ctg i, (4)

Поделив уравнение (3) на (4), получим

= .

Или, учитывая, что сtg a = .

Получим

= . (5)

Если смотреть вертикально, то вследствие малости углов r и i тангенcы углов можно заменить синусами. Это справедливо до углов ≤ 5°, например, tg5°= 0,0875, sin 5°= 0,0872, т.е. отличаются на 0,3%.

Рис.4.

Тогда из (5) получим

= = = n ₂₁.

Отсюда получаем рабочую формулу

n ₂₁ = . (6)

Устройство лабораторной установки

Лабораторная установка состоит из микроскопа и двух плоскопараллельных стекол, помещенных на предметном столике микроскопа. На поверхности нижнего стекла нанесена царапина.

Труба микроскопа может перемещаться с помощью двух винтов. Верхний винт служит для предварительной настройки, а нижний снабжен микрометрическим механизмом с шагом винта 0,1 мм (один полный оборот винта перемещает трубу микроскопа вдоль ее оси на 0,1 мм). На нижнем винте укреплен барабан со шкалой, имеющей 50делений. Цена каждого деления 0,002 мм указана на микроскопе.

Для измерения толщины стеклянной пластинки служит микрометр.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с измерительными приборами, установить их точ­ность.

2. Поставить на нуль шкалу барабана микрометрического винта.

3. Положить на предметный столик стеклянную пластинку (с нанесен­ной царапиной) царапиной вверх.

4. С помощью верхнего винта (кремольеры) наводим окуляр на царапину.

5. Ставим вторую стеклянную пластинку на первую.

6. С помощью нижнего микрометрического винта наводим трубу микроскопа на резкое изображение царапины. При этом подсчитываем число пол­ных оборотов барабана N и число неполных делений последнего оборота М.

7. Заносим показания N и М в таблицу.

8. С помощью микрометра измеряем толщину второй стеклянной пластинки Н и заносим показания в таблицу.

 

№ изм.	N	M	h, мм	Н	n	D n	nист = nср ±Δ nср.
Среднее значение

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: