«Задача: определить показатель преломления стеклянной призмы для некоторых длин волн линий спектра ртутной лампы. Техника безопасности: гониометр и ртутная лампа питаются от сети ...»

3

Цель работы: ознакомиться с явлением дисперсии стеклянной призмы .

Задача: определить показатель преломления стеклянной призмы для некоторых длин волн линий спектра ртутной лампы .

Техника безопасности: гониометр и ртутная лампа питаются от сети

напряжением 220 В, поэтому они должны быть

надежно заземлены .

Приборы и принадлежности: гониометр, ртутная лампа, стеклянная

призма .

ВВЕДЕНИЕ

Дисперсией света называются явления, обусловленные зависимостью

показателя преломления вещества от длины волны света. Эта зависимость характеризуется некоторой функцией n = f(), (1) где - длина световой волны в вакууме .

Для всех прозрачных бесцветных веществ функция (1) имеет в видимой части спектра вид, показанный на рис. 1. С уменьше- n нием длины волны света показатель преломления увеличивается, т. е. dn/d 0. Такой характер дисперсии называют нормальным .

Если вещество поглощает часть лучей, в области поглощения и вблизи от нее dn/d 0. Такой характер дисперсии называют аномальным. Рис. 1.

Зависимость показателя Показатель преломления преломления вещества от длины вещества характеризует оптичес- волны света при нормальной кие свойства вещества и предс- дисперсии тавляет собой отношение скорости света в вакууме к скорости света в веществе:

c n, (2) где с – скорость света в вакууме; – скорость света в веществе .

С другой стороны, согласно теории Максвелла скорость электромагнитных волн в веществе связана со скоростью этих волн в вакууме следующим соотношением:

c, (3) где – диэлектрическая проницаемость вещества; – магнитная проницаемость вещества .

Сопоставляя это выражение с формулой (2), получим ___ n =. (4) Для большинства прозрачных веществ практически равна единице. Поэтому можно считать, что __ n=. (5) Эта формула связывает оптические свойства вещества с его электрическими свойствами .

Дисперсия света может быть объяснена на основе электромагнитной теории света и электронной теории вещества. При прохождении через вещество электромагнитной волны она взаимодействует с электронами вещества. Под действием этой волны электроны

а так как n = f(), то и = (). Скорость, определяемую соотношением (6), называют фазовой, так как она характеризует скорость распространения определенной фазы световой волны .

Если световая волна представляет собой группы волн с различной длиной волны, то в среде с дисперсией каждая составляющая этой группы будет распространяться с различными скоростями. Можно показать, что скорость, с которой распространяется максимум амплитуды группы волн, отлична от фазовой скорости и определяется формулой d гр. (7) d Эта скорость называется групповой, она характеризует скорость распространения энергии в группе волн. Как видно из формулы (7), явление дисперсии обусловливает отличие групповой скорости от фазовой .

В данной работе определяется показатель преломления стеклянной призмы для света различных длин волн. Для этого измеряется угол наименьшего отклонения луча, прошедшего через трехгранную призму .

Пусть свет падает под некоторым углом i на грань призмы (рис. 2) .

Угол между преломляющими гранями призмы называют преломляющим углом. Угол между направлениями падающего и вышедшего из призмы лучей называют углом отклонения .

Угол отклонения зависит от показателя преломления призмы, от углов i и. Можно показать, что угол отклонения минимален при симметричном относительно граней ходе лучей в призме. В этом случае показатель пре- Рис. 2. Схема хода лучей ломления призмы определяется форму- в трехгранной призме лой sin 2, n (8) sin где - минимальное значение .

Таким образом, измерив угол для каждой длины световой волны, мы можем определить n() .

Из формулы (8) видно, что угол отклонения лучей, прошедших через трехгранную призму, зависит от длины волны этих лучей. Это позволяет использовать призму в качестве спектрального прибора, с помощью которого излучение исследуемого источника разлагается в спектр по длинам волн .

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Лабораторная работа выполняется на гониометре. Гониометр – это прибор, который служит для точного измерения углов .

Схема установки приведена на рис. 3. Гониометр состоит из зрительной трубы 1 и отсчетной системы. Исследуемая призма 3 крепится на столике 4 так, что угол отклонения лучей минимален. К столику жестко крепятся коллиматор 5 с ртутной лампой 6 .

Отсчет углов для каждой длины волны света производится по шкале на лимбе гониометра с помощью отсчетного микроскопа 7 .

Столик гониометра вращается от руки. Но для более точного перемещения столика можно использовать винт 9. Для этого нужно стопорный винт 10 зажать .

Рис. 3. Схема установки:

1 – зрительная труба; 2 – винт фокусировки трубы; 3 – призма;

4 – предметный столик; 5 – коллиматор; 6 – ртутная лампа;

7 – труба отсчетного микроскопа; 8 – маховик отсчетного микроскопа; 9 – винт точного перемещения столика; 10 – стопорный винт; 11 – винт регулировки щели В передней фокальной плоскости коллиматора расположена узкая щель, которая регулируется винтом 11. Щель освещается светом ртутной лампы 6. Изображение щели наблюдается с помощью зрительной трубы 1 .

Свет ртутной лампы содержит несколько длин волн. Поэтому в фокальной плоскости объектива зрительной трубы за счет явления дисперсии образуется несколько изображений щели, соответствующих этим длинам волн .

Поле зрения отсчетного микроскопа приведено на рис. 4 .

В левом окне наблюдается изображение диаметрально противоположных участков горизонтальной шкалы лимба гониометра и вертикального индекса для отсчета градусов и десятков минут, а в правом окне - делений вертикальной шкалы для отсчета единиц минут и секунд .

Чтобы снять отсчет по лимбу, необходимо повернуть маховик 8 отсчетного микроскопа настолько, чтобы верхние и нижние изображения штрихов лимба горизонтальной шкалы в левом окне точно совместились .

Число градусов будет равно видимой ближайшей левой от вертикального индекса цифре. Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между верхним штрихом, который соответствует отсчитанному числу градусов, и нижним оцифрованным штрихом, отличающимся от верхнего на 180о. На рис. 4 между штрихом 82о и штрихом 262о заключено 3 интервала .

Число единиц минут отсчитывается по вертикальной шкале в правом окне по левому ряду чисел .

Число секунд – в том же окне по правому ряду чисел. Положение, показанное на рис. 4, соответствует отсчету = 82о35'58'' .

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации гониометра .

2. Включить ртутную лампу .

3. Поворачивая столик гониометра, отыскать цветной спектр. Сфокусировав коллиматор, зрительную трубу и уменьшая ширину коллиматорной щели, получить четкие узкие линии спектра .

4. Поворотом столика гониометра совместить центр визирного креста зрительной трубы с серединой одной из линий спектра. При необходимости провести более тщательную фокусировку коллиматора и объектива зрительной трубы .

Сделать отсчет по шкале лимба. Это измерение повторить не менее 5 .

трех раз .

Аналогичную операцию проделать для других наиболее ярких видимых 6 .

линий спектра .

Вычислить среднее значение для каждой линии спектра .

7 .

Используя эти значения, вычислить по формуле (8) показатель преломления для каждой линии спектра ( = 45о) .

Все результаты занести в таблицу .

9 .

Желтая = 5780 Зеленая = 5460 Сине-фиолетовая = 4360 Фиолетовая = 4050

10.Построить график зависимости показателя преломления n от длины волны света .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как зависит скорость света в среде от показателя преломления?

2. От чего зависит показатель преломления? Какая дисперсия называется нормальной?

3. Чем отличается ход красных и от хода синих лучей через призму?

4. Что называется фазовой скоростью волны?

5. Для чего применяются призмы в спектральных приборах?

6. Что называется дисперсией материала призмы? Как она зависит от длины волны в случае аномальной дисперсии?

7. Cформулируйте основные положения и выводы электронной теории дисперсии света .

8. Выведите формулы для зависимости угла отклонения лучей от преломляющего угла призмы .

9. Что характеризуют фазовая и групповая скорости? Могут ли они совпадать?

10.Почему в качестве источника света применяется ртутная лампа?

11.При каком условии дисперсия будет аномальной?

12.На грань стеклянной призмы (n = 1,5) нормально падает луч света .

Определите угол отклонения луча призмой, если ее преломляющий угол равен 25о .

13.По каким признакам можно отличить спектры, полученные с помощью призмы и дифракционной решетки?

14.Некоторое вещество имеет узкую полосу поглощения с максимумом в области = 530 нм. Качественно изобразите зависимость n = n() для видимой части спектра .

15.Что такое спектроскоп? Как он устроен? Для каких целей применяется?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1985 .

2. Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. М.: Наука, 1968. Т.3. С. 452 – 461 .

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики: В 3 т. М.: Высш. шк., 1972 .

Т. 2. 375 с .

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 77 Определение дисперсии стеклянной призмы .

Цель работы: ознакомиться с явлением дисперсии стеклянной призмы .

Задача: определить показатель преломления стеклянной призмы для 3 – 4 длин волн линий спектра ртутной лампы .

Приборы и принадлежности: гониометр, ртутная лампа, стеклянная призма .

Основные метрологические характеристики прибора