ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА

1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор ФТИ О.Ю.Долматов 2013 г. ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА Методические указания к выполнению лабораторной работы О 02 по курсу «Общая физика» для студентов всех специальностей Издательство Томского политехнического университета 2013

2 УДК Измерение показателя преломления стекла с помощью микроскопа: методические указания к выполнению лабораторной работы О-02 по курсу «Общей физики» для студентов всех специальностей / автор С.И. Борисенко; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, с. Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию методическим семинаром кафедры теоретической и экспериментальной физики ФТИ г. Зав. кафедрой ТиЭФ доктор физ.-мат. наук, профессор В.Ф. Пичугин Председатель учебно-методической комиссии С.И. Борисенко Рецензент Кандидат физ. мат. наук, доцент кафедры ТиЭФ ТПУ Н.С. Кравченко Составление. ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», 2012 Борисенко С.И., составление, 2012 Оформление. Издательство Томского политехнического университета,

3 Цель работы: измерение показателя преломления стеклянных пластинок различными способами с помощью микроскопа и ознакомление с устройством микроскопа. Приборы и принадлежности: микроскоп, микрометр, набор стеклянных пластинок, источник света. ВВЕДЕНИЕ Абсолютный показатель преломления n является важнейшей физической величиной, описывающей оптические свойства вещества. Согласно определению он показывает во сколько раз фазовая скорость света в вакууме больше фазовой скорости света в веществе. Из уравнений Максвелла для электромагнитных волн следует n= με, где и - магнитная и диэлектрическая проницаемость вещества. Показатель преломления является функцией частоты света. Эта зависимость называется дисперсией. Если с ростом частоты показатель преломления растет дисперсия называется нормальной, в противном случае аномальной. Существует множество методов определения показателя преломления. Измерение показателя преломления стекла при помощи микроскопа является одним из наиболее простых доступных и достаточно надёжных методов. Микроскопом называется прибор, предназначенный для получения увеличенных изображений, а также измерения объектов или деталей структуры, невидимых или плохо видимых невооружённым глазом. Представляет собой совокупность линз. Слово «микроскоп» в русский язык введено М.В. Ломоносовым, который много занимался конструированием оптических приборов и инструментов: различного рода зрительных труб, микроскопов, рефрактометров и т.п., а также уделял большое внимание усовершенствованию технологии изготовления оптических стекол и зеркал. В наше время невозможно представить себе научно-исследовательскую или производственную лабораторию без микроскопа, настолько широко применяются микроскопы в научных исследованиях и производственной практике. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Пусть из некоторой точки S, находящейся под стеклянной плоскопараллельной пластинкой толщиной d идет узкий световой пучок расходящихся лучей (рис.1). Рассмотрим ход лучей, падающих на поверхность CC 1 под углом α. В точках В луч переходит из стекла в воздух. Направление луча изменяется в 3

4 соответствии с законом преломления n 21, (1) где α - угол падения, β - угол преломления, n 21 - относительный показатель преломления второй среды 2 относительно первой среды 1. n2 n21, (2) n1 где n 1 и n 2 - абсолютные показатели преломления сред 1 и 2 соответственно, т.е. показатели преломления этих сред относительно вакуума. Второй средой в данном случае является воздух, абсолютный показатель преломления воздуха очень мало отличается от показателя преломления вакуума и в данной работе абсолютный показатель преломления воздуха n 2 можно принять за единицу. Первой средой является стекло, его абсолютный показатель преломления n 1 обозначим через n. Тогда, согласно формуле (1), 1 ; n. (3) n sin При переходе света из среды, оптически более плотной (стекло), в среду, оптически менее плотную (воздух), расхождение лучей увеличивается, вследствие чего наблюдателю во второй среде кажется, что лучи исходят из точки S 1. Происходит кажущееся приближение точки S к наблюдателю. Из рис.1 следует SS1 a SA S1A ; AB tgα= d ; 4 AB tgβ= d - a, (4) где d- толщина стеклянной пластинки. Из соотношений (4) находим

5 tg d. (5) tg d a Для малых углов α и β (а только такие лучи от точки S попадают в объектив микроскопа) отношение тангенсов углов можно заменить отношением синусов d, d a что с учетом (3) дает формулу d n. (6) d a Толщину d стеклянной пластинки измеряют микрометром. Расстояние a или (d-a) можно измерить с помощью микроскопа. На рис.2 показан ход лучей в микроскопе. Оптическая система микроскопа состоит из двух линз. Линза, обращенная к рассматриваемому предмету, называется объективом, а линза, обращенная к глазу, окуляром. Обе линзы заключены в металлическую трубку-тубус. Объектив O 1 является Рис.2. Ход лучей в микроскопе короткофокусной линзой, а окуляр O 2 длиннофокусной. Рассматриваемый предмет АВ помещается перед объективом на расстоянии чуть большем его фокусного расстояния. Объектив O 1 даёт действительное увеличенное изображение А 1 B 1 предмета, которое в cвою очередь, является предметом, для окуляра О 2. Окуляр расположен на таком расстоянии, чтобы изображение А 1 B 1 попало между окуляром и его главным фокусом. Изобретение А 2 B 2 даваемое окуляром, будет мнимым, обратным относительно предмета и увеличенным. Наблюдатель перемещает тубус микроскопа с помощью микрометрического винта до тех пор, пока мнимое 5

6 изображение А 2 B 2 не окажется на расстоянии наилучшего зрения от глаза. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Первый способ определения показателя преломления стекла. 1. Поместить на предметный столик микроскопа прозрачную стеклянную плоскопараллельную пластинку с черной точкой на её поверхности. 2. Включить осветительную лампочку и установить её так, чтобы свет от нее падал под окуляр микроскопа. 3. Добиться хорошего освещения стеклянной пластинки на предметном столике микроскопа. 4. Выведите микрометрический винт до упора. Глядя в окуляр микроскопа, установить тубус микроскопа так, чтобы черная точка была отчетливо видна. Записать отсчет N 1 по шкале микрометрического винта (N 1 =0), соответствующий положению тубуса микроскопа в данный момент в таблицу На пластинку с черной точкой положить стеклянную пластинку, показатель преломления которой надо найти. 6. С помощью микрометрического винта поднимать тубус микроскопа до тех пор, пока черная точка не станет снова отчетливо видна. При подъеме тубуса сосчитать число делений головки микрометрического винта. Записать отсчеты N 2 в таблицу 1. Разность отсчетов N 1 и N 2 определяет кажущееся поднятие точки, т.е. величину a (см. рис.1) a= N 2 N 1 7. Повторить опыт 5 раз. 8. Измерить микрометром толщину пластинки. Сделать не менее трех измерений, занести в таблицу 1. Второй способ определения показателя преломления стекла. 1. Поместить на предметный столик микроскопа стеклянную плоскопараллельную пластину, на нижней и верхней поверхностях которой нанесены риски. (Риска - это процарапанная прямая линия на поверхности пластинки. Для удобства наблюдения риски на верхней и нижней стороне пластинки нанесены перпендикулярно друг другу). 2. Включить осветитель, добиться хорошего освещения стеклянной пластины. 3. Выведите микрометрический винт до упора. Установить тубус микроскопа так, чтобы увидеть резкое изображение нижней риски. Записать отчеты N 1 в таблицу С помощью микрометрического винта поднять тубус микроскопа так, чтобы получить резкое изображение верхней риски. Записать отсчеты N 2 в таблицу 2. Разность отсчетов N 2 -N 1 =h; 6 h d a, где h -расстояние, на которое подняли тубус микроскопа, определяет

7 кажущуюся толщину пластинки (см. рис.1). 5. Повторить опыт 5 раз. 6. Измерить микрометром толщину пластинки. Сделать не менее трех измерений и занести в таблицу 2. Третий способ определения показателя преломления стекла (при наличии зеркала). 1. Положить на предметный столик микроскопа зеркальную пластину, на верхней поверхности которой нанесена черная метка. 2. Включить осветительную лампочку. Если толщина пластинки d, то мнимое изображение метки лежит за зеркалом также на расстоянии d. Следовательно, расстояние между меткой и её изображением равно 2d. Осветить поверхность положенной зеркальной пластинки. 3. Установить тубус микроскопа так, чтобы увидеть четкое изображение черной метки на стекле. Записать отсчеты N 1 в таблицу Опустить тубус микроскопа, чтобы увидеть чёткое зеркальное изображение метки и записать новое положение тубуса N 2 в таблицу 3. Кажущееся расстояние h между меткой и её зеркальным изображением h=n 2 -N 1 5. Повторять опыт 5 раз. 6. Измерить микрометром толщину пластинки не менее трех раз, занести в таблицу 3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ Способ 1 1. Найти и записать в таблицу 1 среднеарифметическое значение d толщины пластинки, полученное при первом способе определения показателя преломления стекла. Табл.1 опыта N 1 (мм) N 2 (мм) Среднее значение a=n 2 -N 1 (мм) d (мм) n 2. Вычислить значения величины a=n 2 -N 1 для всех пяти опытов и записать в таблицу 1. Найти среднее значение a. З. Вычислить значение показателя преломления n по формуле d n (6) d a 7

8 4. Рассчитать абсолютную и относительную погрешность измеренного значения показателя преломления. Способ 2. Найти и записать в таблицу 2 среднеарифметическое значение d толщины пластинки, полученное при втором способе определения показателя преломления стекла. Табл.2 опыта N 1 (мм) N 2 (мм) h=n 2 -N 1 (мм) d (мм) n 1 5 Среднее значение 2. Вычислить значения величины h=n 2 -N 1 для всех пяти опытов и записать их в таблицу 2, найти среднее значение h. 3. Вычислить значение показателя преломления n по формуле d n (7) h и записать в таблицу Рассчитать абсолютную и относительную погрешность измеренного значения показателя преломления. Способ 3 (при наличии зеркала). 1. Найти и записать в таблицу 3 среднеарифметическое значение толщины пластинки d, полученное при третьем способе определения показателя преломления стекла. Табл.З опыта Среднее значение N 1 (мм) N 2 (мм) 8 a=n 2 -N 1 (мм) d (мм) 2. Вычислить значения h=n 2 -N 1 для всех пяти опытов и записать их в n

9 таблицу 3. Найти среднее значение h. 3. Вычислить значение показателя преломления n по формуле и записать его в таблицу 3. 2d n (8) h 4. Рассчитать абсолютную и относительную погрешность измеренного значения показателя преломления. ВНИМАНИЕ! Сорта стекол, из которых изготовлены стеклянные пластинки, могут быть различными, поэтому не надо находить среднеарифметическое значение n из значений показателей преломления, полученных первым, вторым и третьим способами. Отчет по работе составить в следующей последовательности: цель работы, краткая теория, приборы и принадлежности, таблицы измерений, подсчет погрешностей для показателя преломления n (для одного какогонибудь способа), выводы по работе. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Сформулируйте и запишите закон отражения света. 2. Сформулируйте и запишите закон преломления света. 3. Что называется абсолютным показателем преломления? 4. Что называется относительным показателем преломления? 5. Как показатель преломления связан с диэлектрической и магнитной проницаемостью вещества? 6. Какая дисперсия показателя преломления называется нормальной, аномальной? 7. При каком условии имеет место полное отражение света? 8. Где должен находиться предмет относительно выпуклой линзы, чтобы его изображение было уменьшенным, увеличенным, мнимым? 9. Где кажется находящейся точка, расположенная под прозрачной стеклянной пластинкой? 10. Чем отличается линза окуляра и объектива в микроскопе? 9

10 Литература 1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Издательский центр «Академия», Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, с. 3. Бегунов Б.М. Геометрическая оптика. М.: МГУ, с. 4. Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К.. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. Оникс,

11 Учебное издание ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА Методические указания к выполнению лабораторной работы О-02 по курсу «Общая физика» для студентов всех специальностей Автор НАЗИМОВА Нина Алексеевна Отпечатано в Издательстве ТПУ в полном соответствии с качеством предоставленного оригинал-макета Подписано к печати Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл.печ.л. 9,01. Уч.-изд.л. 8,16. Заказ. Тираж экз. Национальный исследовательский Томский политехнический университет Система менеджмента качества Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту ISO 9001: , г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822) , 11