Vienāds ar refrakcijas indeksu vakuumā. Gaismas laušanas likums. Laušanas absolūtie un relatīvie rādītāji (koeficienti). Pilnīga iekšējā atspulga

Gaisma pēc savas būtības izplatās dažādos medijos ar dažādu ātrumu. Jo blīvāka vide, jo mazāks gaismas izplatīšanās ātrums tajā. Ir noteikts atbilstošs pasākums gan attiecībā uz materiāla blīvumu, gan gaismas izplatīšanās ātrumu šajā materiālā. Šo mērījumu sauc par refrakcijas indeksu. Jebkuram materiālam refrakcijas indeksu mēra attiecībā pret gaismas ātrumu vakuumā (vakuumu bieži sauc par brīvu telpu). Šī formula apraksta šīs attiecības.

Jo augstāks materiāla laušanas koeficients, jo blīvāks tas ir. Kad gaismas stars pāriet no viena materiāla uz citu (ar atšķirīgu laušanas koeficientu), laušanas leņķis atšķirsies no krišanas leņķa. Gaismas stars, kas iekļūst vidē ar zemāku refrakcijas koeficientu, iziet leņķī, kas ir lielāks par krišanas leņķi. Gaismas stars, kas iekļūst vidē ar augstu refrakcijas koeficientu, iziet leņķī, kas ir mazāks par krišanas leņķi. Tas ir parādīts attēlā. 3.5.

Rīsi. 3.5.a. Stars, kas pāriet no vides ar augstu N 1 uz vidēju ar zemu N 2

Rīsi. 3.5.b. Stars, kas pāriet no vides ar zemu N 1 uz vidēju ar augstu N 2

Šajā gadījumā θ 1 ir krišanas leņķis un θ 2 ir laušanas leņķis. Daži tipiski refrakcijas rādītāji ir uzskaitīti zemāk.

Interesanti atzīmēt, ka priekš rentgenstari stikla laušanas koeficients vienmēr ir mazāks nekā gaisam, tāpēc, pārejot no gaisa uz stiklu, tie kā gaismas stari novirzās prom no perpendikula, nevis pret perpendikulu.

Procesi, kas saistīti ar gaismu, ir svarīga fizikas sastāvdaļa un ieskauj mūs visur mūsu ikdienas dzīvē. Svarīgākie šajā situācijā ir gaismas atstarošanas un laušanas likumi, uz kuriem balstās mūsdienu optika. Gaismas laušana ir svarīga mūsdienu zinātnes sastāvdaļa.

Izkropļojuma efekts

Šis raksts jums pastāstīs, kas ir gaismas laušanas fenomens, kā arī kā izskatās refrakcijas likums un kas no tā izriet.

Fizikālās parādības pamati

Kad stars nokrīt uz virsmas, ko atdala divas caurspīdīgas vielas, kurām ir atšķirīgs optiskais blīvums (piemēram, dažādi stikli vai ūdenī), daļa staru tiks atspoguļota, bet daļa iekļūs otrajā struktūrā (piemēram, tas izplatīsies ūdenī vai stiklā). Pārejot no vienas vides uz otru, staru kūlim raksturīga tā virziena maiņa. Šī ir gaismas refrakcijas parādība.
Īpaši labi gaismas atstarošanos un laušanu var redzēt ūdenī.

ūdens deformācijas efekts

Skatoties uz lietām ūdenī, tās šķiet izkropļotas. Tas ir īpaši pamanāms uz robežas starp gaisu un ūdeni. Vizuāli šķiet, ka zemūdens objekti ir nedaudz novirzīti. Aprakstītā fiziskā parādība ir tieši iemesls, kāpēc visi objekti ūdenī šķiet izkropļoti. Kad stari skar stiklu, šis efekts ir mazāk pamanāms.
Gaismas laušana ir fizikāla parādība, kurai raksturīga saules stara virziena maiņa brīdī, kad tā pāriet no vienas vides (struktūras) uz citu.
Lai uzlabotu izpratni par šo procesu, apsveriet piemēru, kad stars no gaisa krīt ūdenī (līdzīgi stiklam). Novelkot perpendikulu gar saskarni, var izmērīt gaismas stara refrakcijas un atgriešanās leņķi. Šis indikators (lūšanas leņķis) mainīsies, kad plūsma iekļūst ūdenī (stikla iekšpusē).
Piezīme! Ar šo parametru saprot leņķi, kas veido perpendikulu, kas novilkts uz divu vielu atdalīšanu, kad stars iekļūst no pirmās struktūras uz otro.

Staru pāreja

Tas pats rādītājs ir raksturīgs citām vidēm. Ir noteikts, ka šis rādītājs ir atkarīgs no vielas blīvuma. Ja staru kūlis krīt no mazāk blīvas struktūras uz blīvāku, radītais deformācijas leņķis būs lielāks. Un ja otrādi, tad mazāk.
Tajā pašā laikā kritiena slīpuma izmaiņas ietekmēs arī šo rādītāju. Bet attiecības starp viņiem nepaliek nemainīgas. Tajā pašā laikā to sinusu attiecība paliks nemainīga, kas tiek parādīta ar šādu formulu: sinα / sinγ = n, kur:

• n ir nemainīga vērtība, kas aprakstīta katrai konkrētai vielai (gaiss, stikls, ūdens utt.). Tāpēc, kāda būs šī vērtība, var noteikt no īpašām tabulām;
• α ir krišanas leņķis;
• γ ir laušanas leņķis.

Lai noteiktu šo fizisko parādību, tika izveidots refrakcijas likums.

fiziskais likums

Gaismas plūsmu laušanas likums ļauj noteikt caurspīdīgu vielu īpašības. Pats likums sastāv no diviem noteikumiem:

• Pirmā daļa. Stars (incidents, modificēts) un perpendikuls, kas tika atjaunots krišanas punktā pie robežas, piemēram, gaiss un ūdens (stikls utt.), atradīsies vienā plaknē;
• Otrā daļa. Krituma leņķa sinusa attiecības rādītājs ar tā paša leņķa sinusu, kas veidojas, šķērsojot robežu, būs nemainīga vērtība.

Likuma apraksts

Šajā gadījumā brīdī, kad stars iziet no otrās struktūras pirmajā (piemēram, kad gaismas plūsma iet no gaisa, caur stiklu un atpakaļ gaisā), radīsies arī deformācijas efekts.

Svarīgs parametrs dažādiem objektiem

Galvenais rādītājs šajā situācijā ir krišanas leņķa sinusa attiecība pret līdzīgu parametru, bet izkropļojumam. Kā izriet no iepriekš aprakstītā likuma, šis rādītājs ir nemainīga vērtība.
Tajā pašā laikā, mainoties kritiena slīpuma vērtībai, tāda pati situācija būs raksturīga līdzīgam rādītājam. Šim iestatījumam ir liela nozīme, jo tā ir caurspīdīgu vielu neatņemama īpašība.

Indikatori dažādiem objektiem

Pateicoties šim parametram, jūs varat diezgan efektīvi atšķirt stikla veidus, kā arī dažādus dārgakmeņus. Tas ir svarīgi arī gaismas ātruma noteikšanai dažādos medijos.

Piezīme! Lielākais gaismas plūsmas ātrums ir vakuumā.

Pārejot no vienas vielas uz otru, tās ātrums samazināsies. Piemēram, dimantam, kuram ir augstākais laušanas koeficients, fotonu izplatīšanās ātrums būs 2,42 reizes lielāks nekā gaisam. Ūdenī tie izplatīsies 1,33 reizes lēnāk. Dažādiem stikla veidiem šis parametrs svārstās no 1,4 līdz 2,2.

Piezīme! Dažām brillēm ir refrakcijas koeficients 2,2, kas ir ļoti tuvu dimantam (2,4). Tāpēc ne vienmēr ir iespējams atšķirt stikla gabalu no īsta dimanta.

Vielu optiskais blīvums

Gaisma var iekļūt caur dažādām vielām, kurām raksturīgs atšķirīgs optiskais blīvums. Kā jau teicām iepriekš, izmantojot šis likums iespējams noteikt vides (struktūras) blīvuma raksturlielumu. Jo blīvāks tas ir, jo lēnāks gaismas ātrums tajā izplatīsies. Piemēram, stikls vai ūdens būs optiski blīvāks par gaisu.
Papildus tam, ka šis parametrs ir nemainīga vērtība, tas atspoguļo arī gaismas ātruma attiecību divās vielās. Fizisko nozīmi var parādīt kā šādu formulu:

Šis indikators parāda, kā mainās fotonu izplatīšanās ātrums, pārejot no vienas vielas uz otru.

Vēl viens svarīgs rādītājs

Pārvietojot gaismas plūsmu caur caurspīdīgiem objektiem, ir iespējama tās polarizācija. To novēro gaismas plūsmas pārejā no dielektriskās izotropās vides. Polarizācija notiek, kad fotoni iziet cauri stiklam.

polarizācijas efekts

Daļēja polarizācija tiek novērota, ja gaismas plūsmas krišanas leņķis uz divu dielektriķu robežas atšķiras no nulles. Polarizācijas pakāpe ir atkarīga no tā, kādi bija krišanas leņķi (Brewstera likums).

Pilnīga iekšējā atspulga

Noslēdzot mūsu īso atkāpi, šādu efektu joprojām ir nepieciešams uzskatīt par pilnvērtīgu iekšējo refleksiju.

Pilna displeja parādība

Lai parādītos šis efekts, ir jāpalielina gaismas plūsmas krišanas leņķis brīdī, kad tā pāriet no blīvākas uz mazāk blīvu vidi saskarē starp vielām. Situācijā, kad šis parametrs pārsniegs noteiktu robežvērtību, fotoni, kas krīt uz šī posma robežas, tiks pilnībā atspoguļoti. Patiesībā šī būs mūsu vēlamā parādība. Bez tā nebija iespējams izgatavot optisko šķiedru.

Secinājums

Gaismas plūsmas uzvedības iezīmju praktiskā pielietošana deva daudz, radot dažādas tehniskas ierīces mūsu dzīves uzlabošanai. Tajā pašā laikā gaisma nav atvērusi visas savas iespējas cilvēcei, un tās praktiskais potenciāls vēl nav pilnībā realizēts.

Kā ar savām rokām izgatavot papīra lampu
Kā pārbaudīt LED sloksnes veiktspēju

Risinot problēmas optikas jomā, bieži ir jāzina stikla, ūdens vai citas vielas laušanas koeficients. Turklāt dažādās situācijās var būt iesaistītas gan šī daudzuma absolūtās, gan relatīvās vērtības.

Divu veidu refrakcijas indekss

Pirmkārt, par to, ko šis skaitlis parāda: kā šī vai tā caurspīdīgā vide maina gaismas izplatīšanās virzienu. Turklāt elektromagnētiskais vilnis var nākt no vakuuma, un tad stikla vai citas vielas refrakcijas indekss tiks saukts par absolūtu. Vairumā gadījumu tā vērtība ir no 1 līdz 2. Tikai ļoti retos gadījumos refrakcijas indekss ir lielāks par diviem.

Ja objekta priekšā ir vidēji blīvāks par vakuumu, tad runā par relatīvo vērtību. Un to aprēķina kā divu absolūto vērtību attiecību. Piemēram, ūdens-stikla relatīvais refrakcijas koeficients būs vienāds ar stikla un ūdens absolūto vērtību koeficientu.

Jebkurā gadījumā to apzīmē ar latīņu burtu "en" - n. Šo vērtību iegūst, dalot viena nosaukuma vērtības savā starpā, tāpēc tas ir vienkārši koeficients, kuram nav nosaukuma.

Kāda ir refrakcijas indeksa aprēķināšanas formula?

Ja krišanas leņķi ņemam kā “alfa” un laušanas leņķi apzīmējam kā “beta”, tad laušanas koeficienta absolūtās vērtības formula izskatās šādi: n = sin α / sin β. Angļu valodas literatūrā bieži var atrast citu apzīmējumu. Kad krišanas leņķis ir i un laušanas leņķis ir r.

Ir vēl viena formula, kā aprēķināt gaismas laušanas koeficientu stiklā un citos caurspīdīgos nesējos. Tas ir saistīts ar gaismas ātrumu vakuumā un ar to, bet jau aplūkojamajā vielā.

Tad tas izskatās šādi: n = c/νλ. Šeit c ir gaismas ātrums vakuumā, ν ir tās ātrums caurspīdīgā vidē un λ ir viļņa garums.

No kā ir atkarīgs refrakcijas indekss?

To nosaka ātrums, ar kādu gaisma izplatās attiecīgajā vidē. Gaiss šajā ziņā ir ļoti tuvu vakuumam, tāpēc gaismas viļņi tajā izplatās praktiski neatkāpjas no sākotnējā virziena. Tāpēc, ja nosaka stikla-gaisa vai kādas citas vielas, kas atrodas blakus gaisam, laušanas koeficientu, tad pēdējo nosacīti pieņem par vakuumu.

Jebkuram citam medijam ir savas īpatnības. Tiem ir atšķirīgs blīvums, tiem ir sava temperatūra, kā arī elastīgie spriegumi. Tas viss ietekmē vielas gaismas laušanas rezultātu.

Ne pēdējo lomu viļņu izplatīšanās virziena mainīšanā spēlē gaismas īpašības. Baltā gaisma sastāv no daudzām krāsām, no sarkanas līdz purpursarkanai. Katra spektra daļa tiek lauzta savā veidā. Turklāt spektra sarkanās daļas viļņa indikatora vērtība vienmēr būs mazāka nekā pārējā. Piemēram, TF-1 stikla refrakcijas indekss svārstās attiecīgi no 1,6421 līdz 1,67298, no sarkanās līdz violetajai spektra daļai.

Vērtību piemēri dažādām vielām

Šeit ir absolūto vērtību vērtības, tas ir, laušanas koeficients, kad stars iet no vakuuma (kas ir līdzvērtīgs gaisam) caur citu vielu.

Šie skaitļi būs nepieciešami, ja ir nepieciešams noteikt stikla laušanas koeficientu attiecībā pret citiem materiāliem.

Kādi vēl daudzumi tiek izmantoti problēmu risināšanā?

Pilnīga pārdoma. Tas notiek, kad gaisma pāriet no blīvākas vides uz mazāk blīvu. Šeit pie noteiktas krišanas leņķa vērtības refrakcija notiek taisnā leņķī. Tas ir, stars slīd gar divu datu nesēju robežu.

Ierobežot leņķi pilnīgs atspoguļojums ir tā minimālā vērtība, pie kuras gaisma neizplūst mazāk blīvā vidē. Mazāk par to - notiek refrakcija, un vairāk - atstarošana tajā pašā vidē, no kuras gaisma pārvietojās.

Uzdevums #1

Stāvoklis. Stikla laušanas koeficients ir 1,52. Ir jānosaka ierobežojošais leņķis, pie kura gaisma pilnībā atstarojas no saskarnes starp virsmām: stikls ar gaisu, ūdens ar gaisu, stikls ar ūdeni.

Jums būs jāizmanto tabulā norādītie ūdens refrakcijas indeksa dati. Tas tiek pieņemts vienāds ar vienotību gaisam.

Risinājums visos trīs gadījumos tiek reducēts līdz aprēķiniem, izmantojot formulu:

sin α 0 / sin β = n 1 / n 2, kur n 2 attiecas uz vidi, no kuras gaisma izplatās, un n 1, kur tā iekļūst.

Burts α 0 apzīmē ierobežojošo leņķi. Leņķa β vērtība ir 90 grādi. Tas ir, tā sinuss būs vienotība.

Pirmajā gadījumā: sin α 0 = 1 /n stikla, tad ierobežojošais leņķis ir vienāds ar 1 /n stikla arcsinusu. 1/1,52 = 0,6579. Leņķis ir 41,14º.

Otrajā gadījumā, nosakot arcsinusu, vērtība ir jāaizstāj refrakcijas indekssūdens. Frakcija 1 / n ūdens pieņems vērtību 1 / 1,33 \u003d 0, 7519. Tas ir leņķa 48,75º arcsinuss.

Trešo gadījumu raksturo n ūdens un n stikla attiecība. Arksīns būs jāaprēķina daļai: 1,33 / 1,52, tas ir, skaitlim 0,875. Ierobežojošā leņķa vērtību mēs atrodam pēc tā arcsinusa: 61,05º.

Atbilde: 41,14º, 48,75º, 61,05º.

Uzdevums #2

Stāvoklis. Stikla prizmu iegremdē ar ūdeni piepildītā traukā. Tās refrakcijas indekss ir 1,5. Prizmas pamatā ir taisnleņķa trīsstūris. Lielāka kāja atrodas perpendikulāri apakšai, bet otrā ir paralēla tai. Gaismas stars parasti krīt uz prizmas augšējo virsmu. Kādam jābūt mazākajam leņķim starp horizontālo kāju un hipotenūzu, lai gaisma sasniegtu kāju perpendikulāri trauka dibenam un izietu no prizmas?

Lai stars aprakstītajā veidā izietu no prizmas, tam ir jānokrīt ierobežojošā leņķī uz iekšējo virsmu (tā, kas ir trīsstūra hipotenūza prizmas griezumā). Šis ierobežojošais leņķis pēc konstrukcijas ir vienāds ar vēlamo leņķi taisnleņķa trīsstūris. No gaismas laušanas likuma izrādās, ka ierobežojošā leņķa sinuss, dalīts ar 90 grādu sinusu, ir vienāds ar divu laušanas koeficientu attiecību: ūdens pret stiklu.

Aprēķini noved pie šādas ierobežojošā leņķa vērtības: 62º30'.

Refrakcijas indekss

Refrakcijas indekss vielas - daudzums, vienāds ar attiecību gaismas fāzes ātrumi ( elektromagnētiskie viļņi) vakuumā un noteiktā vidē. Arī par refrakcijas indeksu dažreiz runā jebkuriem citiem viļņiem, piemēram, skaņai, lai gan tādos gadījumos kā pēdējā definīcija, protams, ir kaut kā jāmaina.

Refrakcijas indekss ir atkarīgs no vielas īpašībām un starojuma viļņa garuma, dažām vielām refrakcijas koeficients mainās diezgan spēcīgi, kad elektromagnētisko viļņu frekvence mainās no zemām frekvencēm uz optisko un tālāk, kā arī var mainīties vēl krasāk noteiktās vietās. frekvenču skalas apgabali. Noklusējums parasti ir optiskais diapazons vai diapazons, ko nosaka konteksts.

Saites

• RefractiveIndex.INFO refrakcijas indeksu datu bāze

Wikimedia fonds. 2010 .

Skatiet, kas ir "refrakcijas indekss" citās vārdnīcās:

Attiecībā uz divām vidēm n21 optiskā starojuma izplatīšanās ātrumu bezdimensiju attiecība (c veta a) pirmajā (c1) un otrajā (c2) vidē: n21=c1/c2. Tajā pašā laikā atsaucas. P. p. ir g un j krišanas sinusu attiecība un pie g l ... ... Fiziskā enciklopēdija

Skatiet refrakcijas indeksu...

Skatīt refrakcijas indeksu. * * * LAUŠANAS INDEKSS REFRAKTIVĀJS INDEKSS, skatiet Refrakcijas indeksu (skatiet LAUŠANAS INDEKSU) … enciklopēdiskā vārdnīca- REFRACTIVE INDEX, vērtība, kas raksturo vidi un ir vienāda ar gaismas ātruma vakuumā attiecību pret gaismas ātrumu vidē (absolūtais laušanas koeficients). Laušanas koeficients n ir atkarīgs no dielektriskā e un magnētiskās caurlaidības m ... ... Ilustrēts enciklopēdiskā vārdnīca

- (skat. REFRAKTIVĀ INDIKATORS). Fiziskā enciklopēdiskā vārdnīca. M.: Padomju enciklopēdija. Galvenais redaktors A. M. Prohorovs. 1983... Fiziskā enciklopēdija

Skatīt refrakcijas indeksu... Lielā padomju enciklopēdija

Gaismas ātruma vakuumā attiecība pret gaismas ātrumu vidē (absolūtais laušanas koeficients). Relatīvais refrakcijas indekss 2 vidēm ir attiecība starp gaismas ātrumu vidē, no kuras gaisma nokrīt uz saskarnes, un gaismas ātrumu otrajā ... ... Lielā enciklopēdiskā vārdnīca

Laboratorijas darbi

Gaismas refrakcija. Šķidruma refrakcijas indeksa mērīšana

ar refraktometru

Mērķis: priekšstatu padziļināšana par gaismas laušanas fenomenu; šķidro vielu refrakcijas indeksa mērīšanas metožu izpēte; darbības principa izpēte ar refraktometru.

Aprīkojums: refraktometrs, sāls šķīdumi, pipete, mīksts audums ierīču optisko daļu noslaucīšanai.

Teorija

Gaismas atstarošanas un laušanas likumi. refrakcijas indekss.

Vides saskarnē gaisma maina tās izplatīšanās virzienu. Daļa gaismas enerģijas atgriežas pirmajā vidē, t.i. gaisma tiek atspoguļota. Ja otrā vide ir caurspīdīga, tad daļa gaismas noteiktos apstākļos iet caur saskarni starp medijiem, mainot, kā likums, izplatīšanās virzienu. Šo parādību sauc par gaismas laušanu. (1. att.).

Rīsi. 1. Gaismas atstarošana un laušana uz plakanas saskarnes starp diviem medijiem.

Atstaroto un lauzto staru virzienu gaismas caurlaides laikā caur plakanu saskarni starp diviem caurspīdīgiem medijiem nosaka gaismas atstarošanas un laušanas likumi.

Gaismas atstarošanas likums. Atstarotais stars atrodas tajā pašā plaknē kā krītošais stars, un normālais starojums ir atjaunots saskarnes plaknē krišanas punktā. Krituma leņķis vienāds ar atstarošanas leņķi
.

Gaismas laušanas likums. Lauztais stars atrodas tajā pašā plaknē, kurā krītošais stars, un normāls ir atjaunots saskarnes plaknē krišanas punktā. Krituma leņķa sinusa attiecība α pret laušanas leņķa sinusu β šiem diviem nesējiem ir nemainīga vērtība, ko sauc par otrās vides relatīvo refrakcijas indeksu attiecībā pret pirmo:

Relatīvais refrakcijas indekss divi mediji ir vienādi ar gaismas ātruma attiecību pirmajā vidē v 1 pret gaismas ātrumu otrajā vidē v 2:

Ja gaisma virzās no vakuuma vidē, tad vides refrakcijas indeksu attiecībā pret vakuumu sauc absolūtais rādītājsšīs vides refrakcija un ir vienāda ar gaismas ātruma attiecību vakuumā Ar līdz gaismas ātrumam noteiktā vidē v:

Absolūtie refrakcijas rādītāji vienmēr ir lielāki par vienu; gaisam nņemts par vienību.

Divu mediju relatīvo refrakcijas indeksu var izteikt ar to absolūtajiem rādītājiem n 1 un n 2 :

Šķidruma refrakcijas indeksa noteikšana

Ātrai un ērtai šķidrumu refrakcijas indeksa noteikšanai ir speciāli optiskie instrumenti - refraktometri, kuru galvenā daļa ir divas prizmas (2. att.): palīgierīces. utt. viens un mērīšana Piem. 2. Pārbaudes šķidrumu ielej spraugā starp prizmām.

Mērot indikatorus, var izmantot divas metodes: ganību staru metodi (caurspīdīgiem šķidrumiem) un kopējās iekšējās atstarošanas metodi (tumšiem, duļķainiem un krāsainiem šķīdumiem). Šajā darbā tiek izmantots pirmais no tiem.

Ganību staru metodē gaisma no ārēja avota iziet cauri sejai AB prizmas 1. bijušais, izkliedējas uz matētās virsmas AC un tad caur slāni pētāmais šķidrums iekļūst prizmā Piem. 2. Matētā virsma kļūst par staru avotu no visām pusēm, tāpēc to var novērot caur seju EF prizmas Piem. 2. Tomēr līnija AC var redzēt cauri EF tikai leņķī, kas ir lielāks par kādu ierobežojošo minimālo leņķi i. Šī leņķa vērtība ir unikāli saistīta ar starp prizmām esošā šķidruma refrakcijas indeksu, kas būs refraktometra dizaina galvenā ideja.

Apsveriet gaismas pāreju caur seju EF apakšējā mērīšanas prizma Piem. 2. Kā redzams no att. 2, piemērojot divkāršu gaismas laušanas likumu, mēs varam iegūt divas attiecības:

(1)

(2)

Atrisinot šo vienādojumu sistēmu, ir viegli nonākt pie secinājuma, ka šķidruma refrakcijas indekss

(3)

atkarīgs no četriem daudzumiem: J, r, r 1 un i. Tomēr ne visi no tiem ir neatkarīgi. Piemēram,

r+ s= R , (4)

kur R - prizmas laušanas leņķis Piem. 2. Turklāt, iestatot leņķi J maksimālā vērtība ir 90°, no (1) vienādojuma iegūstam:

(5)

Bet leņķa maksimālā vērtība r , kā redzams no att. 2 un attiecības (3) un (4) atbilst minimālajām leņķu vērtībām i un r 1 , tie. i min un r min .

Tādējādi šķidruma refrakcijas indekss "slīdošo" staru gadījumā ir saistīts tikai ar leņķi i. Šajā gadījumā ir minimālā leņķa vērtība i, kad mala AC joprojām tiek novērots, t.i., redzes laukā, šķiet, ka tas ir spoguļbalts. Mazākiem skata leņķiem mala nav redzama, un redzes laukā šī vieta šķiet melna. Tā kā instrumenta teleskops tver salīdzinoši plašu leņķisko zonu, redzes laukā vienlaikus tiek novēroti gaiši un melni laukumi, kuru robeža atbilst minimālajam novērošanas leņķim un ir nepārprotami saistīta ar šķidruma refrakcijas indeksu. Izmantojot galīgo aprēķina formulu:

(tā secinājums ir izlaists) un vairākiem šķidrumiem ar zināmiem refrakcijas rādītājiem, ierīci ir iespējams kalibrēt, t.i., noteikt atbilstību starp šķidrumu un leņķu laušanas rādītājiem viens pret vienu. i min . Visas iepriekš minētās formulas ir iegūtas jebkura viena viļņa garuma stariem.

Dažāda viļņa garuma gaisma tiks lauzta, ņemot vērā prizmas izkliedi. Tādējādi, kad prizma tiek izgaismota ar baltu gaismu, saskarne dispersijas dēļ būs izplūdusi un iekrāsota dažādās krāsās. Tāpēc katram refraktometram ir kompensators, kas ļauj novērst dispersijas rezultātu. Tas var sastāvēt no vienas vai divām tiešās redzamības prizmām – Amici prizmām. Katra Amici prizma sastāv no trim stikla prizmām ar dažādiem refrakcijas koeficientiem un dažādu dispersiju, piemēram, ārējās prizmas ir izgatavotas no kroņa stikla, bet vidējā prizma ir no krama stikla (kroņa stikls un krama stikls ir stikla veidi). Ar speciālas ierīces palīdzību pagriežot kompensatora prizmu, tiek panākts ass, bezkrāsains interfeisa attēls, kura pozīcija atbilst laušanas indeksa vērtībai dzeltenajai nātrija līnijai. λ \u003d 5893 Å (prizmas ir konstruētas tā, lai stariem ar viļņa garumu 5893 Å nebūtu novirzes).

Stari, kas izgājuši cauri kompensatoram, nonāk teleskopa objektā, pēc tam caur reverso prizmu caur teleskopa okulāru nokļūst novērotāja acī. Staru shematiskā gaita parādīta att. 3.

Refraktometra skala ir kalibrēta, ņemot vērā laušanas koeficientu un saharozes šķīduma koncentrāciju ūdenī, un tā atrodas okulāra fokusa plaknē.

eksperimentālā daļa

Uzdevums 1. Refraktometra pārbaude.

Pavērsiet gaismu ar spoguli uz refraktometra palīgprizmu. Kad palīgprizma ir pacelta, ar pipeti uz mērīšanas prizmas iepiliniet dažus pilienus destilēta ūdens. Nolaižot palīgprizmu, panākiet vislabāko redzes lauka apgaismojumu un iestatiet okulāru tā, lai būtu skaidri redzams krustojums un refrakcijas indeksa skala. Pagriežot mērīšanas prizmas kameru, iegūstiet gaismas un ēnas robežu redzes laukā. Pagriežot kompensatora galvu, panākiet gaismas un ēnas robežas krāsojuma novēršanu. Izlīdziniet gaismas un ēnas robežu ar krustpunktu un izmēriet ūdens refrakcijas indeksu n ism . Ja refraktometrs darbojas, tad destilēta ūdens vērtībai jābūt tādai n 0 = 1.333, ja rādījumi atšķiras no šīs vērtības, jums ir jānosaka korekcija Δn= n ism - 1.333, kas pēc tam jāņem vērā turpmākajā darbā ar refraktometru. Veiciet labojumus 1. tabulā.

1. tabula.

	n 0	n ism	Δ n
H 2 O

2. uzdevums. Šķidruma laušanas koeficienta noteikšana.

Noteikt zināmu koncentrāciju šķīdumu refrakcijas koeficientus, ņemot vērā atrasto korekciju.

2. tabula.

C, apmēram. %	n ism	n ist

Atbilstoši iegūtajiem rezultātiem uzzīmē nātrija hlorīda šķīdumu refrakcijas indeksa atkarību no koncentrācijas. Izdarīt secinājumu par n atkarību no C; izdarīt secinājumus par refraktometra mērījumu precizitāti.

Paņemiet nezināmas koncentrācijas sāls šķīdumu NO x , nosaka tā laušanas koeficientu un no grafika atrod šķīduma koncentrāciju.

Notīriet darba vietu, rūpīgi noslaukiet refraktometru prizmas ar mitru tīru drānu.

testa jautājumi

Gaismas atstarošana un laušana.

Absolūtais un relatīvā veiktspēja barotnes refrakcija.

Refraktometra darbības princips. Bīdāmo staru metode.

Shematiska staru gaita prizmā. Kāpēc ir vajadzīgas kompensatora prizmas?

Gaismas izplatīšanās, atstarošana un laušana

Gaismas būtība ir elektromagnētiska. Viens no pierādījumiem tam ir elektromagnētisko viļņu un gaismas ātruma sakritība vakuumā.

Viendabīgā vidē gaisma izplatās taisnā līnijā. Šo apgalvojumu sauc par gaismas taisnvirziena izplatīšanās likumu. Eksperimentāls pierādījums šim likumam ir asās ēnas, ko rada punktveida gaismas avoti.

Ģeometrisku līniju, kas norāda gaismas izplatīšanās virzienu, sauc par gaismas staru. Izotropā vidē gaismas stari ir vērsti perpendikulāri viļņu frontei.

Vides punktu lokusu, kas svārstās vienā fāzē, sauc par viļņa virsmu, bet punktu kopu, līdz kurai svārstības ir sasniegušas noteiktu laika punktu, sauc par viļņa fronti. Atkarībā no viļņu frontes veida izšķir plakanos un sfēriskos viļņus.

Lai izskaidrotu gaismas izplatīšanās procesu, izmantojiet vispārējs princips viļņu teorija par viļņu frontes kustību kosmosā, ko ierosināja holandiešu fiziķis H. Haigenss. Saskaņā ar Huygens principu katrs vides punkts, uz kuru nonāk gaismas ierosme, ir sfērisku sekundāro viļņu centrs, kas arī izplatās ar gaismas ātrumu. Šo sekundāro viļņu frontes virsmas apvalks norāda faktiski izplatošā viļņa priekšpuses stāvokli konkrētajā laika momentā.

Ir nepieciešams atšķirt gaismas starus no gaismas stariem. Gaismas stars ir gaismas viļņa daļa, kas nes gaismas enerģiju noteiktā virzienā. Nomainot gaismas kūli ar gaismas staru, kas to raksturo, pēdējais jāsakrīt ar diezgan šaura, bet ar ierobežotu platumu (šķērsgriezuma izmēri ir daudz lielāki par viļņa garumu) gaismas stara asi.

Ir atšķirīgi, saplūstoši un gandrīz paralēli gaismas stari. Bieži tiek lietoti termini gaismas staru kūlis vai vienkārši gaismas stari, kas ar to nozīmē gaismas staru kopu, kas raksturo īstu gaismas staru.

Gaismas ātrums vakuumā c = 3 108 m/s ir universāla konstante un nav atkarīga no frekvences. Pirmo reizi gaismas ātrumu eksperimentāli ar astronomisko metodi noteica dāņu zinātnieks O. Rēmers. A. Miķelsons precīzāk mērīja gaismas ātrumu.

Gaismas ātrums vielā ir mazāks nekā vakuumā. Gaismas ātruma vakuumā attiecību pret tās ātrumu noteiktā vidē sauc par vides absolūto refrakcijas indeksu:

kur c ir gaismas ātrums vakuumā, v ir gaismas ātrums noteiktā vidē. Visu vielu absolūtais refrakcijas koeficients ir lielāks par vienotību.

Kad gaisma izplatās vidē, tā tiek absorbēta un izkliedēta, un saskarnē starp vidēm tā tiek atspoguļota un laužta.

Gaismas atstarošanas likums: krītošais stars, atstarotais stars un perpendikulārs saskarnei starp divām vidēm, kas izvirzīts stara krišanas punktā, atrodas vienā plaknē; atstarošanas leņķis g ir vienāds ar krišanas leņķi a (1. att.). Šis likums sakrīt ar atstarošanas likumu jebkura veida viļņiem, un to var iegūt Huygens principa rezultātā.

Gaismas laušanas likums: krītošais stars, lauztais stars un perpendikulārs saskarnei starp divām vidēm, kas atjaunots staru kūļa krišanas punktā, atrodas vienā plaknē; krišanas leņķa sinusa attiecība pret refrakcijas leņķa sinusu noteiktai gaismas frekvencei ir nemainīga vērtība, ko sauc par otrās vides relatīvo refrakcijas indeksu attiecībā pret pirmo:

Eksperimentāli noteiktais gaismas laušanas likums ir izskaidrots, pamatojoties uz Huygens principu. Saskaņā ar viļņu jēdzieniem refrakcija ir viļņu izplatīšanās ātruma izmaiņu sekas, pārejot no vienas vides uz otru, un relatīvā refrakcijas indeksa fiziskā nozīme ir viļņa izplatīšanās ātruma attiecība pirmajā vidē v1 pret to izplatīšanās ātrums otrajā vidē

Videi ar absolūto refrakcijas indeksu n1 un n2 otrās vides relatīvais refrakcijas indekss attiecībā pret pirmo ir vienāds ar otrās vides absolūtā laušanas koeficienta attiecību pret pirmās vides absolūto laušanas koeficientu:

Vidi, kurai ir augstāks laušanas koeficients, sauc par optiski blīvāku, gaismas izplatīšanās ātrums tajā ir mazāks. Ja gaisma pāriet no optiski blīvākas vides uz optiski mazāk blīvu, tad pie noteikta krišanas leņķa a0 laušanas leņķim jākļūst vienādam ar p/2. Lūzuma stara intensitāte šajā gadījumā kļūst vienāda ar nulli. Gaisma, kas iekrīt saskarnē starp diviem datu nesējiem, pilnībā atspoguļojas no tā.

Krituma leņķi a0, pie kura notiek kopējā gaismas iekšējā atstarošanās, sauc par kopējās iekšējās atstarošanas ierobežojošo leņķi. Pie visiem krišanas leņķiem, kas vienādi vai lielāki par a0, notiek pilnīga gaismas atstarošana.

Ierobežojošā leņķa vērtība tiek atrasta no attiecības Ja n2 = 1 (vakuums), tad

2 Vielas refrakcijas indekss ir vērtība, kas vienāda ar gaismas (elektromagnētisko viļņu) fāzes ātrumu attiecību vakuumā un noteiktā vidē. Viņi runā arī par jebkuru citu viļņu, piemēram, skaņas, refrakcijas indeksu

Refrakcijas indekss ir atkarīgs no vielas īpašībām un starojuma viļņa garuma, dažām vielām refrakcijas koeficients mainās diezgan spēcīgi, mainoties elektromagnētisko viļņu frekvencei no zemām frekvencēm uz optisko un tālāk, kā arī var mainīties vēl krasāk noteiktās frekvenču skalas apgabali. Noklusējums parasti ir optiskais diapazons vai diapazons, ko nosaka konteksts.

Ir optiski anizotropas vielas, kurās laušanas koeficients ir atkarīgs no gaismas virziena un polarizācijas. Šādas vielas ir diezgan izplatītas, jo īpaši tie ir visi kristāli ar pietiekami zemu kristāliskā režģa simetriju, kā arī vielas, kas pakļautas mehāniskai deformācijai.

Refrakcijas indeksu var izteikt kā barotnes magnētiskās un caurlaidības reizinājuma sakni

(jāņem vērā, ka interesējošā frekvenču diapazona - piemēram, optiskā - magnētiskās caurlaidības un absolūtās caurlaidības indeksa vērtības var ievērojami atšķirties no šo vērtību statiskās vērtības).

Refrakcijas indeksa mērīšanai izmanto manuālos un automātiskos refraktometrus. Izmantojot refraktometru, lai noteiktu cukura koncentrāciju ūdens šķīdums Instrumentu sauc par saharimetru.

Stara krišanas leņķa () sinusa attiecību pret laušanas leņķa sinusu () stara pārejas laikā no vides A uz vidi B sauc par relatīvo refrakcijas indeksu šim nesēju pārim.

Lielums n ir vides B relatīvais refrakcijas koeficients attiecībā pret vidi A, an" = 1/n ir vides A relatīvais laušanas koeficients attiecībā pret vidi B.

Šī vērtība, ceteris paribus, parasti ir mazāka par vienību, kad stars pāriet no blīvākas vides uz mazāk blīvu vidi, un lielāka par vienību, kad stars pāriet no mazāk blīvas vides uz blīvāku vidi (piemēram, no gāzes vai no vakuuma uz šķidrumu vai cietu). Šim noteikumam ir izņēmumi, un tāpēc ir pieņemts, ka barotne ir optiski vairāk vai mazāk blīva nekā cita (nejaukt ar optisko blīvumu kā vides necaurredzamības mēru).

Stars, kas no bezgaisa telpas krīt uz kādas vides B virsmu, laužas spēcīgāk nekā krītot uz to no citas vides A; staru kūļa laušanas koeficientu, kas krīt uz vidi no bezgaisa telpas, sauc par tā absolūto laušanas koeficientu vai vienkārši par šīs vides laušanas koeficientu, tas ir refrakcijas indekss, kura definīcija ir sniegta raksta sākumā. Jebkuras gāzes, tostarp gaisa, laušanas koeficients normālos apstākļos ir daudz mazāks par šķidrumu vai cietu vielu laušanas koeficientiem, tāpēc aptuveni (un ar salīdzinoši labu precizitāti) absolūto laušanas koeficientu var spriest pēc laušanas koeficienta attiecībā pret gaisu.

Rīsi. 3. Interferences refraktometra darbības princips. Gaismas stars ir sadalīts tā, lai tā divas daļas izietu cauri l garuma kivetēm, kas piepildītas ar vielām ar dažādiem refrakcijas koeficientiem. Izejot no šūnas, stari iegūst noteiktu ceļa atšķirību un, saplūstot kopā, ekrānā rada traucējumu maksimumu un minimumu attēlu ar k kārtībām (shēmiski parādīts labajā pusē). Refrakcijas koeficientu atšķirība Dn=n2 –n1 =kl/2, kur l ir gaismas viļņa garums.

Refraktometri ir ierīces, ko izmanto vielu refrakcijas indeksa mērīšanai. Refraktometra darbības princips ir balstīts uz pilnīgas atstarošanas fenomenu. Ja izkliedēts gaismas stars krīt uz saskarnes starp diviem nesējiem ar refrakcijas rādītājiem un no optiski blīvākas vides, tad, sākot no noteikta krišanas leņķa, stari neieplūst otrajā vidē, bet pilnībā atstarojas no saskarnes. pirmais medijs. Šo leņķi sauc par kopējās atstarošanas ierobežojošo leņķi. 1. attēlā parādīta staru uzvedība, kad tie iekrīt noteiktā šīs virsmas strāvā. Sija iet ierobežojošā leņķī. No refrakcijas likuma var noteikt:, (jo).

Ierobežojošais leņķis ir atkarīgs no abu mediju relatīvā refrakcijas indeksa. Ja no virsmas atstarotie stari ir vērsti uz saplūstošu lēcu, tad objektīva fokusa plaknē var redzēt gaismas un pusumbras robežu, un šīs robežas novietojums ir atkarīgs no ierobežojošā leņķa vērtības un līdz ar to. , par refrakcijas indeksu. Viena datu nesēja refrakcijas indeksa izmaiņas rada izmaiņas saskarnes pozīcijā. Robeža starp gaismu un ēnu var kalpot kā indikators refrakcijas indeksa noteikšanā, ko izmanto refraktometros. Šo refrakcijas indeksa noteikšanas metodi sauc par kopējās atstarošanas metodi.

Papildus kopējās atstarošanas metodei refraktometros izmanto ganību staru metodi. Šajā metodē izkliedēts gaismas stars skar robežu no mazāk optiski blīvas vides visos iespējamos leņķos (2. att.). Gar virsmu slīdošais stars (), atbilst - laušanas ierobežojošajam leņķim (staurs 2. att.). Ja mēs ieliekam lēcu uz virsmas lauzto staru () ceļā, tad objektīva fokusa plaknē redzēsim arī asu robežu starp gaismu un ēnu.

Rīsi. 2

Tā kā nosacījumi, kas nosaka ierobežojošā leņķa vērtību, abās metodēs ir vienādi, saskarnes pozīcija ir vienāda. Abas metodes ir līdzvērtīgas, taču kopējā atstarošanas metode ļauj izmērīt necaurspīdīgu vielu refrakcijas indeksu

Staru ceļš trīsstūrveida prizmā

9. attēlā parādīts stikla prizmas griezums ar plakni, kas ir perpendikulāra tās sānu malām. Prizmā esošais stars novirzās uz pamatni, laužoties uz virsmām OA un 0B. Leņķi j starp šīm skaldnēm sauc par prizmas laušanas leņķi. Stara novirzes leņķis q ir atkarīgs no prizmas laušanas leņķa j, prizmas materiāla laušanas koeficienta n un krišanas leņķa a. To var aprēķināt, izmantojot laušanas likumu (1.4).

Refraktometrs izmanto baltu gaismas avotu 3. Izkliedes dēļ, kad gaisma iet caur prizmu 1 un 2, robeža starp gaismu un ēnu izrādās krāsaina. Lai no tā izvairītos, teleskopa lēcas priekšā ir novietots kompensators 4. Tas sastāv no divām identiskām prizmām, no kurām katra ir salīmēta kopā no trim prizmām ar atšķirīgu laušanas koeficientu. Prizmas ir izvēlētas tā, lai monohromatisks stars ar viļņa garumu = 589,3 µm. (dzeltenās nātrija līnijas viļņa garums) netika pārbaudīts pēc novirzes kompensatora izlaišanas. Starus ar citiem viļņu garumiem prizmas novirza dažādos virzienos. Pārvietojot kompensatora prizmas ar speciāla roktura palīdzību, robeža starp gaismu un tumsu kļūst maksimāli skaidra.

Gaismas stari, palaižot garām kompensatoru, iekrīt teleskopa objektīvā 6. Gaismas un ēnas saskarnes attēls tiek skatīts caur teleskopa okulāru 7. Tajā pašā laikā caur okulāru tiek skatīta skala 8. Tā kā refrakcijas ierobežojošais leņķis un kopējā atstarojuma ierobežojošais leņķis ir atkarīgi no šķidruma refrakcijas indeksa, šī laušanas koeficienta vērtības nekavējoties tiek attēlotas uz okulāra. refraktometra skala.

Refraktometra optiskajā sistēmā ir arī rotācijas prizma 5. Tā ļauj novietot teleskopa asi perpendikulāri prizmai 1 un 2, kas padara novērošanu ērtāku.