Uguale all'indice di rifrazione nel vuoto. La legge di rifrazione della luce. Indici (coefficienti) di rifrazione assoluti e relativi. Riflessione interna totale

La luce, per sua natura, si propaga in mezzi diversi a velocità diverse. Più denso è il mezzo, minore è la velocità di propagazione della luce al suo interno. È stata stabilita una misura adeguata relativa sia alla densità di un materiale che alla velocità di propagazione della luce in quel materiale. Questa misura è chiamata indice di rifrazione. Per qualsiasi materiale, l'indice di rifrazione viene misurato rispetto alla velocità della luce nel vuoto (il vuoto viene spesso definito spazio libero). La seguente formula descrive questa relazione.

Più alto è l'indice di rifrazione di un materiale, più è denso. Quando un raggio di luce passa da un materiale all'altro (con un diverso indice di rifrazione), l'angolo di rifrazione sarà diverso dall'angolo di incidenza. Un raggio di luce che penetra in un mezzo con un indice di rifrazione inferiore uscirà con un angolo maggiore dell'angolo di incidenza. Un raggio di luce che penetra in un mezzo con un alto indice di rifrazione uscirà con un angolo inferiore all'angolo di incidenza. Questo è mostrato nella figura ... 3.5.

Riso. 3.5.a. Un raggio che passa da un mezzo con N 1 alto a un mezzo con N 2 basso

Riso. 3.5.b. Un raggio che passa da un medio con N 1 basso a un medio con N 2 alto

In questo caso, θ 1 è l'angolo di incidenza e θ 2 è l'angolo di rifrazione. Alcuni indici di rifrazione tipici sono elencati di seguito.

È interessante notare che per raggi X l'indice di rifrazione del vetro è sempre minore che dell'aria, per cui quando passano dall'aria nel vetro, deviano dalla perpendicolare, e non verso la perpendicolare, come i raggi luminosi.

I processi associati alla luce sono una componente importante della fisica e ci circondano ovunque nella nostra vita quotidiana. Le più importanti in questa situazione sono le leggi di riflessione e rifrazione della luce, su cui si basa l'ottica moderna. La rifrazione della luce è una parte importante della scienza moderna.

Effetto distorsione

Questo articolo ti dirà qual è il fenomeno della rifrazione della luce, così come l'aspetto della legge di rifrazione e cosa ne consegue.

Fondamenti di un fenomeno fisico

Quando un raggio cade su una superficie separata da due sostanze trasparenti che hanno densità ottiche diverse (ad esempio vetri diversi o in acqua), alcuni dei raggi verranno riflessi e alcuni penetreranno nella seconda struttura (ad esempio, si propagherà in acqua o vetro). Quando si passa da un mezzo all'altro, il raggio è caratterizzato da un cambiamento nella sua direzione. Questo è il fenomeno della rifrazione della luce.
La riflessione e la rifrazione della luce possono essere viste particolarmente bene nell'acqua.

effetto di distorsione dell'acqua

Guardando le cose nell'acqua, sembrano distorte. Ciò è particolarmente evidente al confine tra aria e acqua. Visivamente sembra che gli oggetti sott'acqua siano leggermente deviati. Il fenomeno fisico descritto è precisamente il motivo per cui tutti gli oggetti sembrano distorti nell'acqua. Quando i raggi colpiscono il vetro, questo effetto è meno evidente.
La rifrazione della luce è un fenomeno fisico, caratterizzato da un cambiamento nella direzione del raggio solare nel momento in cui si sposta da un mezzo (struttura) all'altro.
Per migliorare la comprensione di questo processo, si consideri l'esempio di un raggio che cade dall'aria nell'acqua (in modo simile per il vetro). Disegnando una perpendicolare lungo l'interfaccia, è possibile misurare l'angolo di rifrazione e il ritorno del fascio luminoso. Questo indicatore (l'angolo di rifrazione) cambierà quando il flusso penetra nell'acqua (all'interno del bicchiere).
Nota! Questo parametro è inteso come l'angolo che forma una perpendicolare attratta alla separazione di due sostanze quando il raggio penetra dalla prima struttura alla seconda.

Passaggio del raggio

Lo stesso indicatore è tipico per altri ambienti. È stabilito che questo indicatore dipende dalla densità della sostanza. Se il raggio è incidente da una struttura meno densa a una più densa, l'angolo di distorsione creato sarà maggiore. E se viceversa, meno.
Allo stesso tempo, anche un cambiamento nella pendenza della caduta influenzerà questo indicatore. Ma il rapporto tra loro non rimane costante. Allo stesso tempo, il rapporto dei loro seni rimarrà costante, che viene visualizzato dalla seguente formula: sinα / sinγ = n, dove:

• n è un valore costante che viene descritto per ogni specifica sostanza (aria, vetro, acqua, ecc.). Pertanto, quale sarà questo valore può essere determinato da apposite tabelle;
• α è l'angolo di incidenza;
• γ è l'angolo di rifrazione.

Per determinare questo fenomeno fisico è stata creata la legge di rifrazione.

legge fisica

La legge di rifrazione dei flussi luminosi consente di determinare le caratteristiche delle sostanze trasparenti. La legge stessa si compone di due disposizioni:

• Prima parte. La trave (incidente, modificata) e la perpendicolare, che è stata ripristinata nel punto di incidenza al confine, ad esempio aria e acqua (vetro, ecc.), saranno poste sullo stesso piano;
• La seconda parte. L'indicatore del rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza e il seno dello stesso angolo formato quando si attraversa il confine sarà un valore costante.

Descrizione della legge

In questo caso, nel momento in cui il raggio esce dalla seconda struttura nella prima (ad esempio, quando il flusso luminoso passa dall'aria, attraverso il vetro e ritorna nell'aria), si verificherà anche un effetto di distorsione.

Un parametro importante per oggetti diversi

L'indicatore principale in questa situazione è il rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza e un parametro simile, ma per la distorsione. Come segue dalla legge sopra descritta, questo indicatore è un valore costante.
Allo stesso tempo, quando cambia il valore della pendenza della caduta, la stessa situazione sarà tipica per un indicatore simile. Questa impostazione ha Grande importanza, poiché è una caratteristica integrante delle sostanze trasparenti.

Indicatori per oggetti diversi

Grazie a questo parametro, puoi distinguere in modo abbastanza efficace tra tipi di vetro e una varietà di pietre preziose. È anche importante per determinare la velocità della luce in vari mezzi.

Nota! La massima velocità del flusso luminoso è nel vuoto.

Quando ci si sposta da una sostanza all'altra, la sua velocità diminuisce. Ad esempio, il diamante, che ha l'indice di rifrazione più alto, avrà una velocità di propagazione dei fotoni 2,42 volte più veloce dell'aria. In acqua, si diffonderanno 1,33 volte più lentamente. Per diversi tipi di vetro, questo parametro va da 1,4 a 2,2.

Nota! Alcuni vetri hanno un indice di rifrazione di 2,2, che è molto vicino al diamante (2,4). Pertanto, non è sempre possibile distinguere un pezzo di vetro da un vero diamante.

Densità ottica delle sostanze

La luce può penetrare attraverso diverse sostanze, caratterizzate da una diversa densità ottica. Come abbiamo detto prima, usando questa leggeè possibile determinare la caratteristica della densità del mezzo (struttura). Più è denso, più lenta si propagherà la velocità della luce. Ad esempio, il vetro o l'acqua saranno otticamente più densi dell'aria.
Oltre al fatto che questo parametro è un valore costante, riflette anche il rapporto tra la velocità della luce in due sostanze. Il significato fisico può essere visualizzato come la seguente formula:

Questo indicatore indica come cambia la velocità di propagazione dei fotoni quando si passa da una sostanza all'altra.

Un altro indicatore importante

Quando si sposta il flusso luminoso attraverso oggetti trasparenti, è possibile la sua polarizzazione. Si osserva durante il passaggio di un flusso luminoso da mezzi isotropi dielettrici. La polarizzazione si verifica quando i fotoni passano attraverso il vetro.

effetto di polarizzazione

La polarizzazione parziale si osserva quando l'angolo di incidenza del flusso luminoso al confine di due dielettrici è diverso da zero. Il grado di polarizzazione dipende da quali erano gli angoli di incidenza (legge di Brewster).

Riflessione interna completa

Concludendo la nostra breve digressione, è ancora necessario considerare tale effetto come una vera e propria riflessione interna.

Fenomeno di visualizzazione completa

Per la comparsa di questo effetto, è necessario aumentare l'angolo di incidenza del flusso luminoso nel momento del suo passaggio da un mezzo più denso a uno meno denso all'interfaccia tra le sostanze. In una situazione in cui questo parametro supera un certo valore limite, i fotoni incidenti sul confine di questa sezione verranno completamente riflessi. In realtà, questo sarà il nostro fenomeno desiderato. Senza di essa, era impossibile realizzare fibre ottiche.

Conclusione

L'applicazione pratica delle caratteristiche del comportamento del flusso luminoso ha dato molto, creando una varietà di dispositivi tecnici per migliorare la nostra vita. Allo stesso tempo, la luce non ha aperto tutte le sue possibilità all'umanità e il suo potenziale pratico non è stato ancora pienamente realizzato.

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Quando si risolvono problemi nell'ottica, è spesso necessario conoscere l'indice di rifrazione del vetro, dell'acqua o di un'altra sostanza. Inoltre, in diverse situazioni, possono essere coinvolti valori sia assoluti che relativi di questa quantità.

Due tipi di indice di rifrazione

Innanzitutto, su ciò che mostra questo numero: come questo o quel mezzo trasparente cambia la direzione della propagazione della luce. Inoltre, un'onda elettromagnetica può provenire dal vuoto, quindi l'indice di rifrazione del vetro o di un'altra sostanza sarà chiamato assoluto. Nella maggior parte dei casi, il suo valore è compreso tra 1 e 2. Solo in casi molto rari l'indice di rifrazione è maggiore di due.

Se davanti all'oggetto c'è un mezzo più denso del vuoto, allora si parla di valore relativo. Ed è calcolato come il rapporto di due valori assoluti. Ad esempio, l'indice di rifrazione relativo dell'acqua-vetro sarà uguale al quoziente dei valori assoluti per vetro e acqua.

In ogni caso è indicato con la lettera latina "en" - n. Questo valore si ottiene dividendo tra loro i valori omonimi, quindi è semplicemente un coefficiente che non ha nome.

Qual è la formula per calcolare l'indice di rifrazione?

Se prendiamo l'angolo di incidenza come "alfa" e designiamo l'angolo di rifrazione come "beta", la formula per il valore assoluto dell'indice di rifrazione appare così: n = sin α / sin β. Nella letteratura in lingua inglese, puoi spesso trovare una designazione diversa. Quando l'angolo di incidenza è i e l'angolo di rifrazione è r.

Esiste un'altra formula per calcolare l'indice di rifrazione della luce nel vetro e in altri mezzi trasparenti. È connesso con la velocità della luce nel vuoto e con essa, ma già nella sostanza in esame.

Allora appare così: n = c/νλ. Qui c è la velocità della luce nel vuoto, ν è la sua velocità in un mezzo trasparente e λ è la lunghezza d'onda.

Da cosa dipende l'indice di rifrazione?

È determinato dalla velocità con cui la luce si propaga nel mezzo in esame. L'aria a questo proposito è molto vicina al vuoto, quindi le onde luminose che si propagano al suo interno praticamente non si discostano dalla loro direzione originale. Pertanto, se viene determinato l'indice di rifrazione del vetro-aria o di qualche altra sostanza adiacente all'aria, quest'ultimo viene considerato condizionatamente come vuoto.

Qualsiasi altro mezzo ha le sue caratteristiche. Hanno densità diverse, hanno una propria temperatura e sollecitazioni elastiche. Tutto ciò influisce sul risultato della rifrazione della luce da parte di una sostanza.

Non il ruolo meno importante nel cambiare la direzione di propagazione delle onde è svolto dalle caratteristiche della luce. La luce bianca è composta da molti colori, dal rosso al viola. Ogni parte dello spettro viene rifratta a modo suo. Inoltre, il valore dell'indicatore per l'onda della parte rossa dello spettro sarà sempre inferiore a quello del resto. Ad esempio, l'indice di rifrazione del vetro TF-1 varia da 1,6421 a 1,67298, rispettivamente, dalla parte rossa a quella viola dello spettro.

Valori di esempio per diverse sostanze

Ecco i valori ​​dei valori assoluti, cioè l'indice di rifrazione quando un raggio passa dal vuoto (che equivale all'aria) attraverso un'altra sostanza.

Queste cifre saranno richieste se è necessario determinare l'indice di rifrazione del vetro rispetto ad altri mezzi.

Quali altre quantità vengono utilizzate per risolvere i problemi?

Riflessione completa. Si verifica quando la luce passa da un mezzo più denso a uno meno denso. Qui, ad un certo valore dell'angolo di incidenza, la rifrazione avviene ad angolo retto. Cioè, il raggio scorre lungo il confine di due supporti.

Angolo limite riflessione totaleè il suo valore minimo al quale la luce non fuoriesce in un mezzo meno denso. Meno di esso - si verifica la rifrazione e più - riflesso nello stesso mezzo da cui si è mossa la luce.

Compito #1

Condizione. L'indice di rifrazione del vetro è 1,52. È necessario determinare l'angolo limite al quale la luce viene completamente riflessa dall'interfaccia tra le superfici: vetro con aria, acqua con aria, vetro con acqua.

Sarà necessario utilizzare i dati dell'indice di rifrazione per l'acqua forniti nella tabella. È preso uguale all'unità per l'aria.

La soluzione in tutti e tre i casi si riduce ai calcoli utilizzando la formula:

sin α 0 / sin β = n 1 / n 2, dove n 2 si riferisce al mezzo da cui si propaga la luce, e n 1 dove penetra.

La lettera α 0 indica l'angolo limite. Il valore dell'angolo β è 90 gradi. Cioè, il suo seno sarà l'unità.

Per il primo caso: sin α 0 = 1 /n vetro, allora l'angolo limite è uguale all'arcoseno di 1 /n vetro. 1/1,52 = 0,6579. L'angolo è 41,14º.

Nel secondo caso, quando si determina l'arcoseno, è necessario sostituire il valore indice di rifrazione acqua. La frazione 1 / n di acqua assumerà il valore 1 / 1,33 \u003d 0, 7519. Questo è l'arcoseno dell'angolo 48,75º.

Il terzo caso è descritto dal rapporto tra n acqua e n vetro. L'arcoseno dovrà essere calcolato per la frazione: 1,33 / 1,52, ovvero il numero 0,875. Troviamo il valore dell'angolo limite dal suo arcoseno: 61,05º.

Risposta: 41.14º, 48.75º, 61.05º.

Compito #2

Condizione. Un prisma di vetro è immerso in un recipiente pieno d'acqua. Il suo indice di rifrazione è 1,5. Il prisma è basato su un triangolo rettangolo. La gamba più grande si trova perpendicolare al fondo e la seconda è parallela ad essa. Un raggio di luce è incidente normalmente sulla faccia superiore di un prisma. Quale dovrebbe essere l'angolo più piccolo tra la gamba orizzontale e l'ipotenusa affinché la luce raggiunga la gamba perpendicolare al fondo del vaso ed esca dal prisma?

Affinché il raggio lasci il prisma nel modo descritto, deve cadere con un angolo limite sulla faccia interna (quella che è l'ipotenusa del triangolo nella sezione del prisma). Questo angolo limite è, per costruzione, uguale all'angolo desiderato triangolo rettangolo. Dalla legge di rifrazione della luce, risulta che il seno dell'angolo limite, diviso per il seno di 90 gradi, è uguale al rapporto di due indici di rifrazione: acqua e vetro.

I calcoli portano a un tale valore per l'angolo limite: 62º30´.

Indice di rifrazione

Indice di rifrazione sostanze - quantità, uguale al rapporto velocità di fase della luce ( onde elettromagnetiche) nel vuoto e in un dato ambiente. Inoltre, a volte si parla dell'indice di rifrazione per qualsiasi altra onda, ad esempio il suono, sebbene in casi come quest'ultimo la definizione, ovviamente, debba essere in qualche modo modificata.

L'indice di rifrazione dipende dalle proprietà della sostanza e dalla lunghezza d'onda della radiazione, per alcune sostanze l'indice di rifrazione cambia abbastanza fortemente quando la frequenza delle onde elettromagnetiche cambia da basse frequenze a ottiche e oltre, e può anche cambiare ancora più nettamente in alcune aree della scala di frequenza. L'impostazione predefinita è solitamente la gamma ottica o la gamma determinata dal contesto.

Collegamenti

• RefractiveIndex.INFO database dell'indice di rifrazione

Fondazione Wikimedia. 2010.

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Relativo a due mezzi n21, rapporto adimensionale delle velocità di propagazione della radiazione ottica (c veta a) nel primo (c1) e nel secondo (c2) mezzo: n21=c1/c2. Allo stesso tempo si riferisce. P. p. è il rapporto tra i seni di g e la caduta di j e a g l ... ... Enciclopedia fisica

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- (vedi INDICATORE RIFRATTIVO). Dizionario enciclopedico fisico. M.: Enciclopedia sovietica. Il caporedattore A. M. Prokhorov. 1983... Enciclopedia fisica

Vedi indice di rifrazione... Grande enciclopedia sovietica

Il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la velocità della luce in un mezzo (indice di rifrazione assoluto). L'indice di rifrazione relativo di 2 mezzi è il rapporto tra la velocità della luce nel mezzo da cui la luce cade sull'interfaccia e la velocità della luce nel secondo ... ... Grande dizionario enciclopedico

Lavoro di laboratorio

Rifrazione della luce. Misura dell'indice di rifrazione di un liquido

con un rifrattometro

Obbiettivo: approfondimento delle idee sul fenomeno della rifrazione della luce; studio di metodi per misurare l'indice di rifrazione dei mezzi liquidi; studio del principio di funzionamento con un rifrattometro.

Attrezzatura: rifrattometro, soluzioni saline, pipetta, panno morbido per pulire le parti ottiche dei dispositivi.

Teoria

Leggi di riflessione e rifrazione della luce. indice di rifrazione.

All'interfaccia tra i media, la luce cambia la direzione della sua propagazione. Parte dell'energia luminosa ritorna al primo mezzo, cioè la luce viene riflessa. Se il secondo mezzo è trasparente, parte della luce, in determinate condizioni, passa attraverso l'interfaccia tra i media, cambiando, di regola, la direzione di propagazione. Questo fenomeno è chiamato rifrazione della luce. (Fig. 1).

Riso. 1. Riflessione e rifrazione della luce su un'interfaccia piatta tra due mezzi.

La direzione dei raggi riflessi e rifratti durante il passaggio della luce attraverso un'interfaccia piatta tra due mezzi trasparenti è determinata dalle leggi di riflessione e rifrazione della luce.

La legge di riflessione della luce. Il raggio riflesso giace sullo stesso piano del raggio incidente e della normale ripristinata al piano di interfaccia nel punto di incidenza. Angolo di incidenza uguale all'angolo di riflessione
.

La legge di rifrazione della luce. Il raggio rifratto giace sullo stesso piano del raggio incidente e la normale ripristinata al piano di interfaccia nel punto di incidenza. Il rapporto tra il seno e l'angolo di incidenza α al seno dell'angolo di rifrazione β esiste un valore costante per questi due mezzi, chiamato indice di rifrazione relativo del secondo mezzo rispetto al primo:

Indice di rifrazione relativo due mezzi è uguale al rapporto tra la velocità della luce nel primo mezzo v 1 e la velocità della luce nel secondo mezzo v 2:

Se la luce viaggia dal vuoto in un mezzo, viene chiamato l'indice di rifrazione del mezzo rispetto al vuoto indicatore assoluto rifrazione di questo mezzo ed è uguale al rapporto tra la velocità della luce nel vuoto Insieme a alla velocità della luce in un dato mezzo v:

Gli indici di rifrazione assoluti sono sempre maggiori di uno; per aria n preso come un'unità.

L'indice di rifrazione relativo di due mezzi può essere espresso in termini di indici assoluti n 1 e n 2 :

Determinazione dell'indice di rifrazione di un liquido

Per una determinazione rapida e conveniente dell'indice di rifrazione dei liquidi, esistono speciali strumenti ottici - rifrattometri, la cui parte principale sono due prismi (Fig. 2): ausiliario Eccetera. uno e misurare Es 2. Il liquido di prova viene versato nello spazio tra i prismi.

Quando si misurano gli indicatori, è possibile utilizzare due metodi: il metodo del fascio radente (per liquidi trasparenti) e il metodo della riflessione interna totale (per soluzioni scure, torbide e colorate). In questo lavoro viene utilizzato il primo di essi.

Nel metodo del raggio radente, la luce proveniente da una sorgente esterna passa attraverso la faccia AB prismi Es 1, diffonde sulla sua superficie opaca corrente alternata e poi attraverso lo strato del liquido indagato penetra nel prisma Es 2. La superficie opaca diventa una fonte di raggi da tutte le direzioni, quindi può essere osservata attraverso il viso eF prismi Es 2. Tuttavia, la linea corrente alternata può essere visto attraverso eF solo ad un angolo maggiore di un angolo minimo limite io. Il valore di questo angolo è legato in modo univoco all'indice di rifrazione del liquido situato tra i prismi, che sarà l'idea principale del progetto del rifrattometro.

Considera il passaggio della luce attraverso un viso EF prisma di misura inferiore Es 2. Come si può vedere dalla figura. 2, applicando il doppio della legge di rifrazione della luce, si ottengono due relazioni:

(1)

(2)

Risolvendo questo sistema di equazioni, è facile giungere alla conclusione che l'indice di rifrazione del liquido

(3)

dipende da quattro grandezze: Q, r, r 1 e io. Tuttavia, non tutti sono indipendenti. Per esempio,

r+ S= R , (4)

dove R - angolo di rifrazione di un prisma Es 2. Inoltre, impostando l'angolo Q il valore massimo è 90°, dall'equazione (1) si ottiene:

(5)

Ma il valore massimo dell'angolo r , come si può vedere dalla fig. 2 e le relazioni (3) e (4), corrispondono ai valori minimi degli angoli io e r 1 , quelli. io min e r min .

Pertanto, l'indice di rifrazione di un liquido per il caso di raggi "plananti" è correlato solo all'angolo io. In questo caso, esiste un valore minimo dell'angolo io, quando il bordo corrente alternataè ancora osservato, cioè nel campo visivo sembra essere bianco speculare. Per angoli di visualizzazione più piccoli, il bordo non è visibile e nel campo visivo questo punto appare nero. Poiché il telescopio dello strumento cattura una zona angolare relativamente ampia, nel campo visivo vengono osservate simultaneamente aree chiare e nere, il cui confine corrisponde all'angolo di osservazione minimo ed è correlato inequivocabilmente all'indice di rifrazione del liquido. Utilizzando la formula di calcolo finale:

(la sua conclusione è omessa) e un certo numero di liquidi con indici di rifrazione noti, è possibile calibrare il dispositivo, cioè stabilire una corrispondenza biunivoca tra gli indici di rifrazione dei liquidi e gli angoli io min . Tutte le formule di cui sopra sono derivate per raggi di qualsiasi lunghezza d'onda.

La luce di diverse lunghezze d'onda sarà rifratta, tenendo conto della dispersione del prisma. Pertanto, quando il prisma è illuminato con luce bianca, l'interfaccia sarà sfocata e colorata in diversi colori a causa della dispersione. Pertanto, ogni rifrattometro ha un compensatore che permette di eliminare il risultato della dispersione. Può essere costituito da uno o due prismi a visione diretta - prismi di Amici. Ogni prisma di Amici è composto da tre prismi di vetro con diversi indici di rifrazione e diversa dispersione, ad esempio i prismi esterni sono in vetro corona e il prisma centrale è in vetro selce (il vetro corona e il vetro selce sono tipi di vetro). Ruotando il prisma compensatore con l'aiuto di un dispositivo speciale, si ottiene un'immagine nitida e incolore dell'interfaccia, la cui posizione corrisponde al valore dell'indice di rifrazione per la linea gialla del sodio λ \u003d 5893 Å (i prismi sono progettati in modo che i raggi con una lunghezza d'onda di 5893 Å non subiscano deviazioni al loro interno).

I raggi che sono passati attraverso il compensatore entrano nell'obiettivo del telescopio, quindi passano attraverso il prisma di inversione attraverso l'oculare del telescopio nell'occhio dell'osservatore. Il corso schematico dei raggi è mostrato in fig. 3.

La scala rifrattometrica è calibrata in termini di indice di rifrazione e concentrazione della soluzione di saccarosio in acqua e si trova nel piano focale dell'oculare.

parte sperimentale

Compito 1. Controllo del rifrattometro.

Puntare la luce con uno specchio verso il prisma ausiliario del rifrattometro. Con il prisma ausiliario sollevato, pipettare alcune gocce di acqua distillata sul prisma di misurazione. Con il prisma ausiliario abbassato, ottenere la migliore illuminazione del campo visivo e impostare l'oculare in modo che il mirino e la scala dell'indice di rifrazione siano chiaramente visibili. Ruotando la fotocamera del prisma di misurazione, ottieni il confine di luce e ombra nel campo visivo. Ruotando la testa del compensatore, si ottiene l'eliminazione della colorazione del bordo di luce e ombra. Allineare il bordo di luce e ombra con il mirino e misurare l'indice di rifrazione dell'acqua n ismo . Se il rifrattometro funziona, il valore dovrebbe essere per l'acqua distillata n 0 = 1.333, se le letture differiscono da questo valore, è necessario determinare la correzione Δn= n ismo - 1.333, che dovrebbe quindi essere preso in considerazione in ulteriori lavori con il rifrattometro. Apportare le correzioni nella tabella 1.

Tabella 1.

	n 0	n ismo	Δ n
H 2 o

Compito 2. Determinazione dell'indice di rifrazione di un liquido.

Determinare gli indici di rifrazione di soluzioni di concentrazioni note, tenendo conto della correzione trovata.

Tavolo 2.

C, circa. %	n ismo	n ist

Tracciare la dipendenza dell'indice di rifrazione delle soluzioni di cloruro di sodio dalla concentrazione in base ai risultati ottenuti. Trarre una conclusione sulla dipendenza di n da C; trarre conclusioni sull'accuratezza delle misurazioni su un rifrattometro.

Prendi una soluzione salina di concentrazione sconosciuta DA X , determinare il suo indice di rifrazione e trovare la concentrazione della soluzione dal grafico.

Pulire il posto di lavoro, pulire accuratamente i prismi dei rifrattometri con un panno umido e pulito.

domande di prova

Riflessione e rifrazione della luce.

Assoluto e prestazione relativa rifrazione del mezzo.

Il principio di funzionamento del rifrattometro. Metodo a trave scorrevole.

Andamento schematico dei raggi in un prisma. Perché sono necessari prismi compensatori?

Propagazione, riflessione e rifrazione della luce

La natura della luce è elettromagnetica. Una prova di ciò è la coincidenza delle velocità delle onde elettromagnetiche e della luce nel vuoto.

In un mezzo omogeneo, la luce si propaga in linea retta. Questa affermazione è chiamata legge di propagazione rettilinea della luce. Una prova sperimentale di questa legge sono le ombre nette date dalle sorgenti puntiformi di luce.

Una linea geometrica che indica la direzione di propagazione della luce è chiamata raggio di luce. In un mezzo isotropo, i raggi luminosi sono diretti perpendicolarmente al fronte d'onda.

Il luogo dei punti del mezzo che oscilla nella stessa fase è chiamato superficie d'onda e l'insieme di punti a cui l'oscillazione ha raggiunto un dato momento è chiamato fronte d'onda. A seconda del tipo di fronte d'onda si distinguono onde piane e sferiche.

Per spiegare il processo di propagazione della luce, utilizzare principio generale teoria delle onde sul movimento del fronte d'onda nello spazio, proposta dal fisico olandese H. Huygens. Secondo il principio di Huygens, ogni punto del mezzo, a cui arriva l'eccitazione della luce, è il centro di onde secondarie sferiche, che si propagano anche alla velocità della luce. L'inviluppo superficiale dei fronti di queste onde secondarie fornisce la posizione del fronte dell'onda effettivamente propagante in quel momento nel tempo.

È necessario distinguere tra fasci di luce e raggi di luce. Un raggio di luce è una parte di un'onda luminosa che trasporta l'energia luminosa in una determinata direzione. Quando si sostituisce un raggio di luce con un raggio di luce che lo descrive, quest'ultimo deve essere considerato coincidente con l'asse di un raggio di luce piuttosto stretto, ma di larghezza finita (le dimensioni della sezione trasversale sono molto maggiori della lunghezza d'onda).

Ci sono fasci di luce divergenti, convergenti e quasi paralleli. Vengono spesso utilizzati i termini fascio di raggi luminosi o semplicemente raggi luminosi, intendendo con questo un insieme di raggi luminosi che descrivono un vero e proprio fascio di luce.

La velocità della luce nel vuoto c = 3 108 m/s è una costante universale e non dipende dalla frequenza. Per la prima volta, la velocità della luce è stata determinata sperimentalmente con il metodo astronomico dallo scienziato danese O. Römer. A. Michelson ha misurato la velocità della luce in modo più preciso.

La velocità della luce nella materia è inferiore a quella nel vuoto. Il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la sua velocità in un dato mezzo è chiamato indice di rifrazione assoluto del mezzo:

dove c è la velocità della luce nel vuoto, v è la velocità della luce in un dato mezzo. Gli indici di rifrazione assoluti di tutte le sostanze sono maggiori dell'unità.

Quando la luce si propaga in un mezzo, viene assorbita e dispersa e all'interfaccia tra i mezzi viene riflessa e rifratta.

La legge della riflessione della luce: il raggio incidente, il raggio riflesso e la perpendicolare all'interfaccia tra due mezzi, sollevati nel punto di incidenza del raggio, giacciono sullo stesso piano; l'angolo di riflessione g è uguale all'angolo di incidenza a (Fig. 1). Questa legge coincide con la legge di riflessione per onde di qualsiasi natura e può essere ottenuta come conseguenza del principio di Huygens.

La legge di rifrazione della luce: il raggio incidente, il raggio rifratto e la perpendicolare all'interfaccia tra due mezzi, ripristinati nel punto di incidenza del raggio, giacciono sullo stesso piano; il rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza e il seno dell'angolo di rifrazione per una data frequenza della luce è un valore costante, chiamato indice di rifrazione relativo del secondo mezzo rispetto al primo:

La legge sperimentalmente stabilita della rifrazione della luce è spiegata sulla base del principio di Huygens. Secondo i concetti dell'onda, la rifrazione è una conseguenza di una variazione della velocità di propagazione dell'onda durante il passaggio da un mezzo all'altro e il significato fisico dell'indice di rifrazione relativo è il rapporto tra la velocità di propagazione dell'onda nel primo mezzo v1 e la velocità di propagazione nel secondo mezzo

Per i mezzi con indici di rifrazione assoluti n1 e n2, l'indice di rifrazione relativo del secondo mezzo rispetto al primo è uguale al rapporto tra l'indice di rifrazione assoluto del secondo mezzo e l'indice di rifrazione assoluto del primo mezzo:

Il mezzo che ha un indice di rifrazione più elevato è chiamato otticamente più denso, la velocità di propagazione della luce in esso è inferiore. Se la luce passa da un mezzo otticamente più denso a uno otticamente meno denso, ad un certo angolo di incidenza a0 l'angolo di rifrazione dovrebbe diventare uguale a p/2. L'intensità del raggio rifratto in questo caso diventa uguale a zero. La luce incidente sull'interfaccia tra due media viene completamente riflessa da essa.

L'angolo di incidenza a0 al quale si verifica la riflessione interna totale della luce è chiamato angolo limite della riflessione interna totale. A tutti gli angoli di incidenza uguali o maggiori di a0, si verifica la riflessione totale della luce.

Il valore dell'angolo limite è ricavato dalla relazione Se n2 = 1 (vuoto), allora

2 L'indice di rifrazione di una sostanza è un valore pari al rapporto tra le velocità di fase della luce (onde elettromagnetiche) nel vuoto e in un dato mezzo. Parlano anche dell'indice di rifrazione per qualsiasi altra onda, ad esempio il suono

L'indice di rifrazione dipende dalle proprietà della sostanza e dalla lunghezza d'onda della radiazione, per alcune sostanze l'indice di rifrazione cambia abbastanza fortemente quando la frequenza delle onde elettromagnetiche cambia da basse frequenze a ottiche e oltre, e può anche cambiare ancora più bruscamente in alcune aree della scala di frequenza. L'impostazione predefinita è solitamente la gamma ottica o la gamma determinata dal contesto.

Esistono sostanze otticamente anisotrope in cui l'indice di rifrazione dipende dalla direzione e dalla polarizzazione della luce. Tali sostanze sono abbastanza comuni, in particolare si tratta di tutti cristalli con una simmetria sufficientemente bassa del reticolo cristallino, nonché sostanze soggette a deformazione meccanica.

L'indice di rifrazione può essere espresso come la radice del prodotto del magnetico e delle permittività del mezzo

(va tenuto conto che i valori della permeabilità magnetica e dell'indice di permittività assoluta per la gamma di frequenza di interesse - ad esempio quella ottica, possono differire notevolmente dal valore statico di tali valori).

Per misurare l'indice di rifrazione vengono utilizzati rifrattometri manuali e automatici. Quando si utilizza un rifrattometro per determinare la concentrazione di zucchero in soluzione acquosa Lo strumento è chiamato saccarimetro.

Il rapporto tra il seno dell'angolo di incidenza () del raggio e il seno dell'angolo di rifrazione () durante la transizione del raggio dal mezzo A al mezzo B è chiamato indice di rifrazione relativo per questa coppia di mezzi.

La quantità n è l'indice di rifrazione relativo del mezzo B rispetto al mezzo A, an" = 1/n è l'indice di rifrazione relativo del mezzo A rispetto al mezzo B.

Questo valore, ceteris paribus, è solitamente inferiore all'unità quando il raggio passa da un mezzo più denso a un mezzo meno denso e superiore all'unità quando il raggio passa da un mezzo meno denso a un mezzo più denso (ad esempio, da un gas o da vuoto a liquido o solido). Ci sono delle eccezioni a questa regola, e quindi è consuetudine chiamare otticamente un mezzo più o meno denso di un altro (da non confondere con densità ottica come misura dell'opacità di un mezzo).

Un raggio che cade dallo spazio senz'aria sulla superficie di qualche mezzo B viene rifratto più fortemente che quando cade su di esso da un altro mezzo A; l'indice di rifrazione di un raggio incidente su un mezzo dallo spazio airless è chiamato indice di rifrazione assoluto o semplicemente indice di rifrazione di questo mezzo, questo è l'indice di rifrazione, la cui definizione è data all'inizio dell'articolo. L'indice di rifrazione di qualsiasi gas, compresa l'aria, in condizioni normali è molto inferiore agli indici di rifrazione di liquidi o solidi, quindi approssimativamente (e con una precisione relativamente buona) l'indice di rifrazione assoluto può essere giudicato dall'indice di rifrazione relativo all'aria.

Riso. 3. Il principio di funzionamento del rifrattometro a interferenza. Un fascio di luce è diviso in modo che le sue due parti passino attraverso cuvette di lunghezza l riempite con sostanze con indici di rifrazione differenti. All'uscita dalla cella i raggi acquisiscono una certa differenza di percorso e, accostati, danno sullo schermo un'immagine di massimi e minimi di interferenza con k ordini (mostrati schematicamente a destra). La differenza negli indici di rifrazione Dn=n2 –n1 =kl/2, dove l è la lunghezza d'onda della luce.

I rifrattometri sono dispositivi utilizzati per misurare l'indice di rifrazione delle sostanze. Il principio di funzionamento di un rifrattometro si basa sul fenomeno della riflessione totale. Se un fascio di luce diffuso cade sull'interfaccia tra due mezzi con indici di rifrazione e da un mezzo otticamente più denso, allora partendo da un certo angolo di incidenza, i raggi non entrano nel secondo mezzo, ma sono completamente riflessi dall'interfaccia in il primo mezzo. Questo angolo è chiamato angolo limite della riflessione totale. La figura 1 mostra il comportamento dei raggi quando cadono in una certa corrente di questa superficie. Il raggio va ad un angolo limite. Dalla legge di rifrazione, puoi determinare:, (perché).

L'angolo limite dipende dall'indice di rifrazione relativo dei due mezzi. Se i raggi riflessi dalla superficie sono diretti verso una lente convergente, allora nel piano focale della lente si può vedere il confine tra luce e penombra, e la posizione di questo confine dipende dal valore dell'angolo limite, e, di conseguenza , sull'indice di rifrazione. Un cambiamento nell'indice di rifrazione di uno dei mezzi comporta un cambiamento nella posizione dell'interfaccia. Il confine tra luce e ombra può servire come indicatore per determinare l'indice di rifrazione, che viene utilizzato nei rifrattometri. Questo metodo per determinare l'indice di rifrazione è chiamato metodo di riflessione totale.

Oltre al metodo della riflessione totale, i rifrattometri utilizzano il metodo del raggio radente. In questo metodo, un raggio di luce diffuso colpisce il confine da un mezzo otticamente meno denso a tutti gli angoli possibili (Fig. 2). Il raggio che scorre lungo la superficie (), corrisponde a - l'angolo di rifrazione limite (trave in Fig. 2). Se una lente è posizionata sul percorso dei raggi () rifratti sulla superficie, sul piano focale della lente vedremo anche un confine netto tra luce e ombra.

Riso. 2

Poiché le condizioni che determinano il valore dell'angolo limite sono le stesse in entrambi i metodi, la posizione dell'interfaccia è la stessa. Entrambi i metodi sono equivalenti, ma il metodo della riflessione totale consente di misurare l'indice di rifrazione delle sostanze opache

Il percorso dei raggi in un prisma triangolare

La figura 9 mostra una sezione di un prisma di vetro con un piano perpendicolare ai suoi bordi laterali. Il raggio nel prisma devia verso la base, rifrangendosi sulle facce OA e 0B. L'angolo j tra queste facce è chiamato angolo di rifrazione del prisma. L'angolo di deflessione q del raggio dipende dall'angolo di rifrazione del prisma j, dall'indice di rifrazione n del materiale del prisma e dall'angolo di incidenza a. Può essere calcolato usando la legge di rifrazione (1.4).

Il rifrattometro utilizza una sorgente di luce bianca 3. A causa della dispersione quando la luce passa attraverso i prismi 1 e 2, il confine tra luce e ombra risulta colorato. Per evitare ciò, davanti alla lente del cannocchiale è posto un compensatore 4, costituito da due prismi identici, ciascuno dei quali è incollato tra loro da tre prismi con indice di rifrazione diverso. I prismi sono selezionati in modo che un raggio monocromatico con una lunghezza d'onda = 589,3 micron. (lunghezza d'onda della linea gialla del sodio) non è stato testato dopo aver superato il compensatore di deflessione. I raggi con altre lunghezze d'onda vengono deviati da prismi in direzioni diverse. Muovendo i prismi compensatori con l'aiuto di un'apposita maniglia, il confine tra luce e oscurità viene reso il più chiaro possibile.

I raggi di luce, dopo aver superato il compensatore, cadono nella lente 6 del telescopio. L'immagine dell'interfaccia luce-ombra viene visualizzata attraverso l'oculare 7 del telescopio. Allo stesso tempo, attraverso l'oculare viene visualizzata la scala 8. Poiché l'angolo limite di rifrazione e l'angolo limite di riflessione totale dipendono dall'indice di rifrazione del liquido, i valori di questo indice di rifrazione vengono immediatamente tracciati sul scala rifrattometrica.

Il sistema ottico del rifrattometro contiene anche un prisma rotante 5. Consente di posizionare l'asse del telescopio perpendicolarmente ai prismi 1 e 2, il che rende più comoda l'osservazione.