Показатель преломления. Дисперсия. Нормальная и аномальная дисперсия.

Лабораторная работа №1

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

1.1. Изучить явление дисперсии света.

1.2. Измерить показатели преломления материала призмы для различных длин волн спектра ртутной лампы.

1.3. Построить зависимость показателя преломления материала призмы от длины волны света.

1.4. Определить тип и марку стекла, из которого изготовлена призма.

 

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА

 

Показатель преломления. Дисперсия. Нормальная и аномальная дисперсия.

 

Абсолютный показатель преломления вещества равен отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в веществе:

 

n = c / v.                                                   (1)

 

Относительным показателем преломления двух сред (второй среды по отношению к первой) называется величина n ₂₁, равная отношению абсолютных показателей преломления этих сред:

n ₂₁ = n ₂ / n ₁.

Было установлено, что показатель преломления не является постоянной величиной, одинаковой для всех длин волн λ, что связано с явлением дисперсии. Дисперсия света как физическое явление – это зависимость фазовой скорости света в среде от частоты ν световой волны или от длины волны λ (или зависимость показателя преломления вещества n от этих же величин).

Зависимость n = n ( λ ) или n = n ( ν ) оказывается различной для разных веществ, что учитывают введением термина дисперсия вещества (D), которая характеризует скорость изменения n в зависимости от λ (длина волны света в вакууме):

D = dn / dλ     

Обычно для диспергирующих сред (т.е. сред, у которых D отлична от нуля) в области слабого поглощения (прозрачности) вещества значения n уменьшаются с ростом длины волны (рис.1 а), что соответствует нормальному закону дисперсии или нормальной дисперсии (D < 0). Однако в области сильного поглощения обнаруживается обратный ход зависимости n от λ (рис.1 б). Это явление называют аномальной дисперсией и ему соответствует D >0.

 

 

Рис.1.

Зависимость показателя преломления вещества от длины волны при нормальной (а) и аномальной (б) дисперсии.

 

Дисперсией света объясняется ряд явлений, в числе которых радуга, разноцветный блеск драгоценных камней, разложение белого света на цвета при прохождении через стеклянную призму и т.д.

 

 

Рис.2. Разложение белого света на цвета при прохождении через стеклянную призму в результате дисперсии.

Явление дисперсии удалось объяснить в рамках электромагнитной теории света и электронной теории вещества.

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Устройство гониометра

Гониометр состоит из массивного основания 24 (см. рис.11) с вертикальной колонкой 28, коллиматором 3 и осевым устройством с алидадой 19, на которой расположена зрительная труба 14. Последнюю вместе с алидадой можно вращать вокруг вертикальной оси прибора вручную или микрометрическим винтом 15 (после закрепления алидады зажимным винтом 23).

Зрительная труба и коллиматор имеют внутреннюю фокусировку, осуществляемую с помощью маховичков 4,13 и одинаковые объектив.

На верхней части вертикальной оси гониометра установлен предметный столик 8 (верхняя часть), свободно вращающийся вручную, а после скрепления с нижней частью зажимным винтом 31, он может вращаться вместе с лимбом относительно алидады.

Винтом 29 столик прижимается к центральной неподвижной оси прибора и тогда поворот его в небольших пределах осуществляется микрометрическим винтом 30.

Стеклянный лимб посажен на вертикальную ось прибора и фрикционно соединен с нижней частью столика. Лимб имеет шкалу с ценой деления 20', оцифрованный через каждый градус от 0°до 359°.

Шкалу лимба можно наблюдать через окуляр отсчетного устройства (микрометра) 17 при включенном освещении прибора (включатель 25). Резкость изображения шкалы регулируется вращением оправы окуляра.

Оптическая схема отсчетного устройства собрана так, что через окуляр можно наблюдать изображение штрихов двух диаметрально противоположных участков лимба, причём одно изображение прямое, а другое обратное (рис.12 и 13). Кроме того, оптическая схема позволяет перемещать эти изображения друг относительно друга, оставляя в покое, как лимб, так и алидаду со зрительной трубой. Это перемещение измеряется отсчетным микрометром 17, цена деления шкалы которого равна 1''.

 

На рисунке 11 показаны:

 

1-раздвижная щель со шторкой; 2-винт регулировки размера щели;
3-коллиматор;4-маховик фокусировки коллиматора; 14-зрительная труба; 19-.алидада; 24-основание; 25-сетевой выключатель;
28-стойка коллиматора; 8-предметный столик; 13-маховик фокусировки трубы; 23-зажимной винт алидады; 15-микрометренный винт алидады (точная подстройка);16 - окуляр зрительной трубы; 17-отсчетный микрометр; 20-маховик микрометра;   29 - зажимной винт столика;
30-микрометренный винт лимба (точная подстройка); 31-зажимной винт верхнего столика.

 

Рис.11. Гониометр

 

 

Рис.12. Упрощенная схема гониометра.

Подготовка гониометра к работе.

4.1.1. Включить для разогрева ртутную лампу, излучение которой через световод освещает щель коллиматора.

4.1.2. Тумблером 25 включить гониометр (лампы подсветки шкалы отсчетного устройства и автоколлиматора).

4.1.3. Вращением оправы окуляра 17 добиться резкого изображения шкал отсчетного устройства (рис. 13).

4.1.4. Вращая оправу окуляра 16 зрительной трубы добиться резкого изображения визирного перекрестия (4 на рис.8).

 

Оформление результатов работы.

 

5.4.1. Результаты вычислений компьютера внесите в таблицы 2 и 3, а также нарисуйте или скопируйте график n = f (λ).

Таблица 2

РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛЕНИЙ
λ,нм	n	Δ n		ne	nf	nc	δn	Тип и марка стекла

 

5.4.2. Данные для построения графика.

Таблица 3

λ,нм	n	λ,нм	n
400		550
425		575
450		600
475		625
500		650
525		675

 

5.4.3. По данным таблицы компьютер строит график зависимости показателя преломления материала призмы от длины световой волны n = f (λ).
На графике отмечены положения нормированных ГОСТом длин волн λ_e, λ_f, λ_c и соответствующие им значения показателей преломления n_e, n_f и n_c.

5.4.4. Для идентификации типа и марки стекла используются найденные параметры n_e и δ_n = n_f─n_c (смотри пункт 5.5). Сопоставьте их со значениями этих параметров в таблице Приложения 2. Найдите табличные значения n_e и δ _n, которые максимально близко соответствуют полученным значениям и при этом находятся в одной строке. По этой строке определите тип и марку стекла, из которого изготовлена призма и внесите их в таблицу 3.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

6.1. Что такое абсолютный и относительный показатели преломления?

6.2. Что такое дисперсия света и что такое дисперсия вещества?

6.3. Что такое нормальная и аномальная дисперсия? При каких условиях она наблюдается?

6.4. Как связаны диэлектрическая проницаемость среды и её показатель преломления?

6.5. В чем суть электронной теории дисперсии света? Получите формулу для показателя преломления на основании этой теории.

6.6. Приведите формулу для нахождения показателя преломления по углу наименьшего отклонения. В чем особенность хода луча при данном методе?

6.7. Изложите порядок измерения показателя преломления по углу наименьшего отклонения лучей призмой.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.3. М. Наука.
1972г. с.30 - 46.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2. М. Наука.
1987г. с.443-452.

3. Лабораторные занятия по физике. Под ред. Гольдина Л.Л. М. Наука. 1983г. с.408 - 414.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

 

ДЛИНЫ ВОЛН СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ ИЗЛУЧЕНИЯ РТУТНОЙ ЛАМПЫ

 

Цвет линии	Яркость, отн. ед.	Длина волны, нм
Синий	2 6 40	433,9 434,7 435,83
Голубой	20 3 1	491,6 497,0 510,3
Зеленый	3 2 100	529,0 529,9 546,07
Желто-зеленый	3	567,6
Желтый	50 50	578,5 580,58
Желто-оранжевый	1	594,49
Красный	6 8	615,39 619,35

 

Яркости линий, приведенные в таблице, указаны по отношению к наиболее яркой линии с длиной волны l_е =546,07 нм, значение яркости которой принято за 100 условных единиц.

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Лабораторная работа №1

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

1.1. Изучить явление дисперсии света.

1.2. Измерить показатели преломления материала призмы для различных длин волн спектра ртутной лампы.

1.3. Построить зависимость показателя преломления материала призмы от длины волны света.

1.4. Определить тип и марку стекла, из которого изготовлена призма.

 

ДИСПЕРСИЯ СВЕТА

 

Показатель преломления. Дисперсия. Нормальная и аномальная дисперсия.

 

Абсолютный показатель преломления вещества равен отношению фазовой скорости света в вакууме к фазовой скорости света в веществе:

 

n = c / v.                                                   (1)

 

Относительным показателем преломления двух сред (второй среды по отношению к первой) называется величина n ₂₁, равная отношению абсолютных показателей преломления этих сред:

n ₂₁ = n ₂ / n ₁.

Было установлено, что показатель преломления не является постоянной величиной, одинаковой для всех длин волн λ, что связано с явлением дисперсии. Дисперсия света как физическое явление – это зависимость фазовой скорости света в среде от частоты ν световой волны или от длины волны λ (или зависимость показателя преломления вещества n от этих же величин).

Зависимость n = n ( λ ) или n = n ( ν ) оказывается различной для разных веществ, что учитывают введением термина дисперсия вещества (D), которая характеризует скорость изменения n в зависимости от λ (длина волны света в вакууме):

D = dn / dλ     

Обычно для диспергирующих сред (т.е. сред, у которых D отлична от нуля) в области слабого поглощения (прозрачности) вещества значения n уменьшаются с ростом длины волны (рис.1 а), что соответствует нормальному закону дисперсии или нормальной дисперсии (D < 0). Однако в области сильного поглощения обнаруживается обратный ход зависимости n от λ (рис.1 б). Это явление называют аномальной дисперсией и ему соответствует D >0.

 

 

Рис.1.

Зависимость показателя преломления вещества от длины волны при нормальной (а) и аномальной (б) дисперсии.

 

Дисперсией света объясняется ряд явлений, в числе которых радуга, разноцветный блеск драгоценных камней, разложение белого света на цвета при прохождении через стеклянную призму и т.д.

 

 

Рис.2. Разложение белого света на цвета при прохождении через стеклянную призму в результате дисперсии.

Явление дисперсии удалось объяснить в рамках электромагнитной теории света и электронной теории вещества.