4-3. Изучение преломления вещества призмы с помощью гониометра

Работа 4-3. Изучение дифракционной решетки и определение показателя
преломления вещества призмы с помощью гониометра
Цель работы: изучить принцип действия гониометра ГС-5; научиться, пользуясь прибором, измерять длину волн в спектре ртути и показатель преломления вещества.
Приборы и принадлежности: гониометр ГС-5,плоскопараялельная пластинка,
призма, дифракционная решетка, ртутная лампа.
Устройство и принцип действия гониометра Гониометр находит широкое применение при оптических исследованиях.
•
Он используется для точных измерений преломляющих углов призм и кристаллов, для определения показателей преломления прозрачных веществ и
исследования параметров дифракционных решеток для измерения длин волн
спектральных линий и т.д.
Принципиальная оптическая схема прибора изображена на рис.8. В фокальной плоскости объектива коллиматора I размещена щель.
,
Вышедший из коллиматора свет параллельным пучком падает на
исследуемый предмет 2. Окуляр 3 зрительной трубы II снабжен автоколлимационным устройством, позволяющим устанавливать ось труба строго перпендикулярно к оси ее вращения и фокусировать трубу на бесконечность.
Принцип действия этого устройства заключается в следующем. На столике
гониометра вместо предмета устанавливается плоскопараллельная пластинка. Свет от лампочки 4 проходит через защитное стекло 8 и, отразившись
от стеклянной пластинки 6,расположенной под углом 45° к оси
Окуляра, освещает капроновые нити креста 7 и выходит из объектива трубы. Так как капроновый крест помещен в фокальной плоскости объектива
трубы ,то выходящий из него световой поток будет параллельным. Отразившись от грани плоскопараллельной пластины, пучок света возвращается в
трубу. Изображение (автоколлимационное) нитей получается в плоскости
самих же нитей и наблюдается с помощью окуляра, при этом изображение
креста должно совместиться с визирным крестом.
Внешний вид гониометра показан на рис. 9 и 1О. Гониометр (рис.9 и 10)
состоит из следующих основных узлов: коллиматора (I),зрительной трубы
(П), отчетного устройства, основания (Ш) и предметного столика (1У).
Микрометр I регулирует ширину входной щели. Фокусировка зрительной трубы и коллиматора производится маховиками 2; 2 по шкале З: 3 на которых
имеются деления и индекс '<00». Цена одного деления шкалы равна I мм.
Шкала служит для определения положения фокусирующей линзы при измерении
объектов, имеющих не-
Рис. 10
которую кривизну поверхности. Винты 4,4 служат для перемещения коллиматора и зрительной трубы в вертикальной плоскости. Окуляр 6 зрительной
трубы, как указывалось выше, имеет автоколлимационное устройство с осветителем 5. ВНИЗУ окуляра трубы размещен окуляр отчетного устройства 7.
Лимб гониометра и сетка отчетного .Окуляра освещается лампой, размешенной внутри прибора, который включается в цепь переменного тока 127 или
220В через розетку 8 переключателем 9 (перед включением прибора
необходимо проверить, установлен ли переключатель 10 в положение
"220В"). Установка прибора производится винтами II по уровню 13. Зрительная труба гониометра укреплена на подвижном кронштейне, который
можно поворачивать вокруг вертикальной оси, проходящей через центр
предметного столика 1У, представляющего собой круглый диск с пазами.
Поворот трубы осуществляется от руки после освобождения стопорного винта 14. При закрепленном стопорном винте можно производить тонкое перемещение трубы винтом 15. Фиксатор 16 позволяет осуществлять совместное
или раздельное перемещение трубы и лимба (для совместного вращения
пользуются рычажками 17,18). При совместном вращении лимба и зрительной
трубы производят измерение углов методом повторений. Если зрительная
труба неподвижна ,то лимб может вращаться относительно столика (самостоятельное вращение) винтом 19 (это движение используется в тех случаях, когда необходимо производить измерения различными участками лимба).
Вращение лимба со столиком производят грубо от руки и точно микрометрическим винтом 20 при закрепленном фиксаторе 21.
Для измерения призм различных размеров имеется набор колец, позволяющих
изменять высоту столика. С помощью винтов 22 предусмотрен наклон столика в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Столик может вращаться
на оси прибора самостоятельно, совместно с лимбом при неподвижной зрительной трубе, а также совместно с лимбом и зрительной трубой.
Отчетное устройство состоит из стеклянного лимба, разделенного на 360°
(цена деления 20°),и оптического микрометра, размещенных внутри прибора. Изображение штрихов лимба и оптического микрометра рассматривается
в окуляр 7 отчетного устройства, поле зрения которого изображено на
рис.11. В левой части поля видно изображение двух диаметрально противоположных участков лимба и вертикального индекса справа - шкалы ОПтического микрометра и горизонтального индекса.
Чтобы снять отсчет по лимбу, необходимо повернуть маховик 23 оптического микрометра настолько чтобы верхнее и нижнее изображения (ближайшие)
штрихов на лимбе в левом окне точно совместились. Число градусов будет
равно видимой ближайшей левой от вертикального индекса цифре. Число десятков минут равно числу интервалов, заключенных между верхним
штрихом, который соответствует отчетному числу градусов, и нижним оцифрованным штрихом отличающимся от верхнего на 180°. Число единиц минут
отсчитывается по шкале микрометра в правом окне по левому ряду
чисел, секунд - в том же окне по правому ряду чисел. Положение, показанное на рис. II, соответствует отсчету О град. 5 мин 56 с.
Проверка установки прибора
Прежде чем приступить к работе на гониометре, необходимо произвести
проверку и выполнить следующие условия;
1. Убедиться в наличии исправного предохранителя. Переключатель 10 должен находиться в положении 220В!
2. Ось вращения трубы должна быть вертикальной (это условие проверяется
по уровню 13).
3. Визирная ось зрительной трубы должна быть перпендикулярна к оси вращения зрительной трубы. Это условие проверяется при помощи плоскопараллельной пластинки. Пластинку устанавливают на столике гониометра.
Винтами 22 добиваются, чтобы ее полированная грань была перпендикулярна
к визирной оси трубы. При правильной установке автоколлимационное изображение, получаемое от грани пластинки, совпадает с перекрестием зрительной трубы. Повернув зрительную трубу при неподвижном столике на
180°, проверяют совпадение капронового креста с его изображением. При
несовпадении производят юстировку столика и зрительной трубы винтами 22
и 4.
Проверку производят до тех пор пока не будет точного совмещения капронового креста и его изображения. Следует убедиться в совпадении перекрестий при повороте трубы и столика с лимбом на 90°.
4. Визирная ось коллиматора должна быть параллельна визирной оси зрительной трубы. Это условие обеспечивается совмещением перекрестия сетки
зрительной трубы с изображением перекрестия, установленном в коллиматоре. Совмещение достигается вращением винта 4.
Упражнение 2„ Исследование дисперсии света стеклянной призмы
Дисперсией называется зависимость фазовой скорости V ср. от частоты V
(или длины волны) света, проходящего через вещество. Вещества в которых
обнаруживается дисперсия, называются диспергирующими средами» Дисперсия
проявляется в том, что монохроматический свет (например, белый), проходя через диспергирующее вещество, разлагается на его монохроматические
составляющие в спектр. Явление дисперсии обусловлено взаимодействием
света с атомами и молекулами исследуемого вещества. В простейшем случае
молекулы можно представить как электрические диполи (иногда как более
сложные электрические системы). Под влиянием переменного электромагнитного поля световой волны диполи совершают вынужденные колебания с частотой, равной частоте колебаний волны. Электромагнитное излучение вызванное колебаниями этих диполей, порождает вторичные волны складывающиеся с первичными. Амплитуды и фазы результирующих волн зависят от соотношения частот падающего света и собственных частот диполей.
В результате такого взаимодействия изменяется фазовая скорость света V
ф. а, следовательно показатель преломления вещества n .
n=
C
Vср
где: С - скорость света в вакууме.
-21Для характеристики диспергирующих сред вводится величина, называемая
дисперсией вещества Д:
D=
dn
dy
Дисперсия вещества Д характеризует быстроту изменения показателя преломления в зависимости от длины волны.
Различают два вида дисперсий - нормальную и аномальную. При нормальной
дисперсии показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны (рис.14). Нормальной дисперсии соответствует значение Д<0. Ее наблюдают, например, при прохождении света через стеклянную призму. В данном
случае образуется спектр, в котором линии каждой частоты (длины волны)
занимают определенное место, в пространстве.
При приближении частот волн, проходящих через вещество, к собственным
частотам диполей наблюдается поглощение света. Приведенная выше (см.
рис 14) закономерность нарушается (рис. 15), по мере приближения к области поглощения со стороны малых длин волн (больших частот) показатель
преломления сначала чрезвычайно резко уменьшается (достигая в ряде
случаев значений, меньших I),затем при переходе через полосу поглощения
сильно возрастает и, наконец, снова уменьшается. Легко увидеть, что
значению Д>0 соответствует дисперсия аномальная. Показатель преломления
призмы (рис.16) для каждой из монохроматических волн определяется из
соотношения:
n=
sin i sin ( A + b ) / 2
=
sin r
sin A / 2
где i - угол падения; r-угол падения: А преломляющий угол призмы; бугол наименьшего отклонения
Угол между первоначальным направлением луча и направлением его после
выхода из призмы называется углом отклонения. Угол отклонения минимален, если r = i = A / 2 Свет в призме в этом случае распространяется параллельно основанию.
Определив показатель преломления стекла для каждой длины волны видимой
области спектра, можно построить график зависимости n от Y.
Выполнение работы
I. Проверяют установку прибора.
2. На столике гониометра устанавливают призму и определяют преломляющий
угол А.
Для этого поворачивают столик с призмой, получая автоколлимационное
изображение перекрестия от одной из граней в поле зрения трубы, закрепляют столик винтом 12 и снимают показания m. Освобождают трубу от закрепления и поворачивают ее до получения автоколлимационного изображения от второй грани призмы.
3. Закрепив зрительную трубу, снимают отсчет m2 и вычисляют угол B и
преломляющий угол А:
B=m2-m1:
А=180-B=180-(m2-m1)
(Измерения проводят не менее 3-х раз).
4. Для определения угла наименьшего отклонения устанавливают 'призму на
столике так чтобы ее преломляющее ребро было параллельно оси вращения
гониометра, и наблюдают в зрительную трубу спектр ртутной лампы. Размер
щели подбирают таким образом, чтобы линии спектра были четкими и узкими.
5. Наблюдают в зрительную трубу изображение фиолетовой линии спектра.
Освобождают от закрепления винт 12 и поворачивают от руки столик с
призмой в одном направлении. При этом изображение перемещается по полю
сначала в одной направлении (вслед за ним следует вести и трубу),а затем в некоторый момент начинает двигаться обратно. Момент изменения направления движения изображения линий соответствует положению призмы относительно коллиматора, при котором световой луч идет под углом наименьшего отклонения. В момент остановки движения изображения закрепляют
столик, и, совмещая центр перекрестия с серединой фиолетовой линии
спектра, закрепляют зрительную трубу и снимают показания Мк.
6. Аналогичные измерения производят для других линий спектра.
7. Удаляют призму со столика. Совмещают центр перекрестия сетки зрительной трубы с серединой изображения щели, и, закрепив зрительную трубу, снимают показания M0
Результаты измерений заносят в таблицу, которую студенты разрабатывают
самостоятельно.
8. Вычисляют угол наименьшего отклонения
б=Mk-M0
9. Определяют из соотношения (20) показатель преломления для каждой линии спектра и строят график зависимости n от Y..
Контрольные вопросы
1. В чем заключается дисперсия света и как она обнаруживается.
2. Что называется дисперсией вещества, нормальной и аномальной дисперсией?
3. Построить ход лучей в призме.
4. Объяснить механизм взаимодействия э/м волны с частицами диспергирующей среды.