Teatud tüüpi klaasi murdumisnäitaja teadmine on oluline selle kasutamiseks optilise läätse materjalina. Selles artiklis tutvustame klaasi murdumisnäitaja mõõtmise laboratoorseid töid, võttes arvesse kõiki vajalikke valemeid.
Laboritöö eesmärk ja eesmärgid
Klaasi murdumisnäitaja mõõtmise labori eesmärk on õppida läbipaistvate materjalide murdumisnäitajate mõõtmist ja saadud tulemuste töötlemist.
Töö käigus tuleb lahendada järgmised ülesanded:
- Õppeteoreetiline materjal.
- Uurige katseseadet ja selle tööpõhimõtet.
- Arvutage langemis- ja murdumisnurgad.
- Määrake kriitiline nurk.
- Tulemuste töötlemise teel leidke klaasi murdumisnäitaja väärtus.
- Tehke tööst järeldused.
Murdumisnähtuse teooria
See nähtus seisneb valguskiire sirgjoonelise liikumise suuna muutmises, kui see liigub ühest läbipaistvast keskkonnast teise. Selline olukord tekib näiteks siis, kui valgus ületab vesi-õhk või klaas-õhk piiri.
Murdumise seadused on inimkonda huvitanud kogu tema ajaloo vältel. Seda uurisid nii vanad kreeklased (Ptolemaios, I-II sajand pKr), araablased keskajal (Ibn Sahl, X sajand), kui ka paljud uusaja teadlased (Huygens, Newton, Descartes, Snell). Praegu arvatakse, et hollandlane Snell sõnastas murdumisseaduse selle tänapäevasel kujul esimesena, võttes kokku palju katseandmeid.
Murdumise nähtuse valem on järgmine:
n1*sin(θ1) = n2*sin(θ2) = konst.
Siin on θ1 nurk keskkonna vahelise liidese normaalnurga suhtes, mille juures kiir langeb sellele pinnale, θ2 on nurk murdunud kiire sama normaaliga. Suurused n1, n2 on vastavalt meediumi 1 ja 2 murdumisnäitajad. Eksponent n määrab, kui palju keskkond aeglustab valguse kiirust võrreldes vaakumi kiirusega, see tähendab:
n = c/v, c on valguse kiirus vaakumis, v on keskkonnas.
Kriitiline nurk
Snelli seadus näitab, et langemisnurk on suurem kui murdumisnurk, kui 1. keskkond on optiliselt vähem tihe (n1
Kui kiir liigub optiliselt tihedamas keskkonnas ja läbib kandjate vahelist liidest vähem tihedaks läbipaistvaks aineks, siis tekib nurk, mille all murdunud kiir liigub piki keskkonda eraldavat pinda. See nurk on kriitiline. Sellest suuremad langemisnurgad ei too kaasa valguse osa läbimist liidest. Seda nähtust nimetatakse sisemiseks totaalseks peegelduseks.
Võttes arvesse Snelli seadust ja ülaltoodud selgitusi, võime kriitilise nurga jaoks kirjutada:
θ1 = arcsin(n2/n1), kus n1>n2.
Seda nähtust kasutatakse fiiberoptikas elektromagnetilise energia edastamiseks pikkadele vahemaadele ilma kadudeta.
Eksperimentaalne seadistus
Klaasi murdumisnäitaja määramine toimub alloleval joonisel näidatud paigalduse abil.
Fotol olevad numbrid tähendavad järgmist:
- Gradueeritud joonlaud, millel asuvad paigalduse peamised tööinstrumendid.
- Elektriline toiteallikas.
- Lamp, mis on valgusallikas.
- Teadaoleva fookuskaugusega (näiteks 10 cm) koonduv objektiiv.
- Diafragma kassett.
- Ava võre kujul (avasid kasutatakse valgusvihu paremaks fokuseerimiseks.).
- Optiline gradueeritud ketas.
- Klaasobjekt, mille murdumisnäitaja tuleb mõõta. Sellel on poolsilindri kuju, see tähendab, et selle kolm pinda on tasapinnalised ja neljas on silindriline.
- Optiline prisma (selles laboris ei kasutata).
Miks peaksite kasutama poolsilindri kujul olevat klaasobjekti, selgitame allpool.
Paigalduse ettevalmistamine tööks
Klaasi murdumisnäitaja eksperimentaalseks mõõtmiseks mõeldud paigaldise tööpõhimõte on äärmiselt lihtne: tuleb moodustada vaid kitsas valgusvihk, suunata see läbi klaasist poolsilindri optilise kettaga paralleelselt ja kasutades kalibreerimist. kettale, mõõta langemisnurka ja murdumisnurka.
Paigalduse tööks ettevalmistamine toimub järjestikku:
- Asetage valgusallikas (lamp) gradueeritud joonlauale asendisse "0 cm".
- Joondage korpus koonduva läätsega, kasutades gradueeritud joonlauda fookuskaugusega võrdsesse asendisse. Sel juhul 10 cm Tänu sellele asendile väljuvad kõik lambi kiirgavad kiired läätsest paralleelselt gradueeritud joonlauaga.
- Lülitage toiteallikas sisse ja reguleerige diafragmade asendit, et valgusvihk oleks võimalikult kitsas. Selle paksus peaks olema palju väiksem kui optilise ketta väikseim jaotus.
- Reguleerige optilise ketta kõrgust nii, et valguskiir läheks sellest üle, puudutades peaaegu selle pinda. Ketast tuleks reguleerida ka külgtelje suhtes nii, et tala läbiks täpselt selle keskpunkti, st läbi ühe läbimõõdu.
- Ketta keskele on vaja asetada klaasist poolsilinder nii, et selle külgtasand langeb kokku ketta ühe läbimõõduga.
Seadistamine on katseks valmis.
Eksperimendi läbiviimine
Laboritöö “Klaasi murdumisnäitaja mõõtmine” koosneb kahest etapist. Esiteks viiakse läbi katse valguskiire liikumiseks õhust klaasi ja seejärel klaasist õhku:
- Õhust klaasini. Esiteks peate optilist ketast pöörama nii, et kiir poolsilindrit läbides ei murduks. See asend vastab lähtepunktile (0o). Pärast seda on vaja ketast iga 5o tagant pöörata ja andmed vastavasse tabelisse sisestada: α ja β - langemis- ja murdumisnurgad. On vaja läbi viia umbes 10-15 mõõtmist. Poolsilindri asukoht kettal on näha alloleval joonisel (a).
- Klaasist õhku. Sel juhul tuleks poolsilindriga ketast pöörata 180o. Sellisel juhul tabab langev kiir kõigepealt silindrilist pinda. Kuna see langeb sellele raadiuses (90o nurga all), siis klaasi sissepääsu juures murdumist ei toimu, vaid see toimub ainult sealt väljumisel läbi tasase pinna. Seda olukorda on kujutatud alloleval joonisel (b). Olles valinud lähtekoha nagu ülaltoodud juhul, peaksite ketast iga 5o järel pöörama ja mõõtma nurki.
Katse "klaasist õhku" sooritamisel tekib tala teatud langemisnurga juures olukord, kui see ei välju läbi poolsilindri tasase pinna. See nurk on kriitiline.
Tulemuste töötlemine
Õhust klaasi: ni = nv*sin(α)/sin(β). Klaasist õhku: ni = nv*sin(β)/sin(α).
Õhu murdumisnäitaja on nv = 1,00029.
Seega saadakse rida n väärtusi (nende arv võrdub tehtud mõõtmiste koguarvuga). Olgu see arv m. Nüüd peate leidma klaasi murdumisnäitaja n¯ keskmise väärtuse, samuti dispersiooni Δn (ruutkeskmine kõrvalekalle), mis näitab katse täpsust. Need väärtused määratakse järgmiste valemitega:
n¯ = ∑i=1m(ni)/m;Δn = √(∑i=1m(ni-n¯)2/m).
Lõpptulemus kirjutatakse järgmiselt:
Järeldused laboritöödest
Pärast töö “Klaasi murdumisnäitaja mõõtmine” läbiviimist saab teha järgmised järeldused:
- valguskiir murdub, kui see läheb teise keskkonda;
- kriitiline nurk tekib ainult siis, kui valgus läheb klaasist õhku, kuid mitte vastupidi;
- Saadud tulemuse usaldusväärsuse tagamiseks tuleks läbi viia mitu mõõtmist (rohkem kui 10) ja seejärel esitada lõplik väärtus keskmise väärtusena, mis näitab selle täpsuse piiri.
Eelmistes tundides tutvusite valguse levimise põhiseadustega: peegeldumis- ja murdumisseadustega. Kuid nagu teate, püüab inimene praktikas kasutada mis tahes seadust, millest ta aru saab. Kui murdumisnäitaja jääb kahe keskkonna puhul konstantseks, kas saame näiteks ühe keskkonna ainet, teades teise ainet, määrata valguskiire kõrvalekalde nurga järgi nende keskkonna liidese läbimisel? Sellest laboritunnist saate teada, kuidas seda praktikas teha.
Teema: Optika
Õppetund: Praktiline töö teemal “ Klaasi murdumisnäitaja määramine"
Töö eesmärk: klaasi suhtelise murdumisnäitaja määramine tasapinnalise paralleelse plaadi abil.
Riis. 1. Näitaja määratlus
sinα - langemisnurk
sinγ - murdumisnurk
Joonisel on kaks horisontaaljoont: tasapinnalise paralleelse plaadi väike ja suur tahk (vt joonis 1).
Esimene tihvt asub punktis O. Teine tihvt asub punktis A. AO suund on langeva kiire suund.
Suund punktist O suurel küljel asuvale tihvtile on murdunud kiir.
Mõõtke joonlaua abil kaugust OD = OA.
Punktist A langetame risti kahe kandja vahelise liidese risti. Punktist D langetame risti kahe kandja vahelise liidese risti.
Kaks kolmnurka on ristkülikukujulised. Nende abil saab määrata langemisnurga siinuse ja murdumisnurga siinuse.
Joonlaua abil mõõdetakse kaugust AC ja kaugust DB.
Tuleb teha mitu mõõtmist. Selleks peate muutma teise tihvti asukohta mis tahes muu nurga all. Selle tulemusena muutuvad langemisnurk ja murdumisnurk, kuid murdumisnäitaja on kahe kandja puhul konstantne.
1 viis
Varustus: tasapinnaline paralleelne plaat, 3 tihvti, joonlaud, kraadiklaas, paberileht, pliiats, vahtkummi tükk.
Edusammud:
1. Aseta lauale porolooni tükk, et oleks lihtsam tihvte sisestada.
2. Kata vaht valge paberilehega.
3. Aseta peale tasapinnaline paralleelne klaasplaat.
4. Kasutage pliiatsit, et visandada väikesed ja suured servad.
5. Kinnitame esimese tihvti esimese serva lähedale ja teise tihvti kleepime esimesega teatud nurga all.
6. Vaadeldes kahte tihvti läbi suure serva, leiame kolmanda tihvti asukoha nii, et esimene ja teine blokeerivad teineteist (vt joonis 2).
Riis. 2. Tasapind-paralleelplaat
7. Märkige kõigi kolme tihvti asukoht.
8. Eemaldame seadmed ja vaatame saadud joonist.
9. Mõõtke joonlaua abil jalad (vt joonis 3).
Riis. 3. Näitaja määratlus
CA = 15 mm, DB = 10 mm.
Täpsema tulemuse saamiseks on vaja teha mitu katset.
Suhteline murdumisnäitaja on 1,5, mis tähendab, et valguse kiirus õhust klaasile üleminekul väheneb 1,5 korda.
Saadud andmete kontrollimiseks on vaja neid võrrelda erinevate ainete murdumisnäitajate tabeliga (vt joonis 4).
Riis. 4. Murdumisnäitaja tabel
Murdumisnäitaja järgi saame määrata, millist ainet meil on.
2. meetod
Varustus: pirn, piluga ekraan, paberileht.
Edusammud:
1. Juhtmete abil ühendame galvaanilise elemendi (aku) hõõglambiga.
2. Lambi ette asetame piluga ekraani ja selle taha tasapinnalise paralleelse plaadi.
3. Mõõdame protraktori abil langemisnurka ja murdumisnurka.
4. Bradise tabeli abil leiame siinuste väärtused nurkade all.
5. Arvutage murdumisnäitaja (vt joonis 5).
Riis. 5. Tasapind-paralleelplaat
Näide vea arvutamisest
Viga:
1. Absoluutne.
2. Sugulane.
Absoluutsed vead: mõõteseade, mõõtmine
Metallist joonlaual võib veaks lugeda pooleks selle mõõteseadme jaotusväärtusest ehk 0,5 mm.
Mõõtmisviga võib olla ka pool joonlaua jaotuse hinnast (0,5 mm).
Üldiselt on absoluutne viga 1 mm.
Suhteline viga (ε) (vt joonis 6):
Riis. 6. Suhteline viga
Mõõdetud murdumisnäitaja absoluutvea määramine (vt joonis 7):
Riis. 7. Absoluutne viga
- MIIT Nižni Novgorodi filiaal ().
Laboritöö nr 3 (lahendused, vastused) füüsikas 11. klass - Klaasi murdumisnäitaja määramine
10. Arvutage lõikude keskmised pikkused
11. Kuna sinα = AE/AB, sinγ = DC/BC ja AB = DC, saab klaasi absoluutse murdumisnäitaja arvutada valemiga
12. Arvutage absoluutsed vead lõikude mõõtmisel.
13. Arvutage klaasi absoluutse murdumisnäitaja kaudse mõõtmise suhteline viga. (1 jaoks)
14. Arvutage klaasi absoluutse murdumisnäitaja kaudse mõõtmise absoluutviga. (1 jaoks)
15. Kirjutage üles klaasi murdumisnäitaja väärtused ja selle mõõtmise suhteline viga. (1 jaoks)
| № | Mõõdetud | Arvutatud | ||||||
| Korduvad mõõtmised | Keskm. | Δn | ε | |||||
| 1 | A.E. | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 2.86 | 0.53 | 18.5% |
| DC | 0.007 | 0.007 | 0.007 | 0.007 | ||||
| 2 | A.E. | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 2.33 | - | - |
| DC | 0.009 | 0.009 | 0.009 | 0.009 | ||||
| 3 | A.E. | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 2.5 | - | - |
| DC | 0.008 | 0.008 | 0.008 | 0.008 | ||||
Vastused turvaküsimustele
1. Kirjutage üles valguse kiiruse arvutamise valemid murdumisnäitaja n aines.
v = c/n, kus c = 3 · 10⁸ m/s on valguse kiirus vaakumis
2. Millest sõltub aine murdumisnäitaja?
Aine murdumisnäitaja oleneb laine sagedusest.
3. Mis on valguse täieliku peegelduse nähtus kahe meediumi vahelisel liidesel?
Valguse täielik peegeldus kahe meediumi liidesel, kui valgus liigub tihedamast optilisest keskkonnast vähem tihedale optilisele keskkonnale – murdumisnurk muutub langemisnurgast suuremaks. Kui langemisnurk suureneb teatud väärtuse α = 0 juures, on murdumisnurk 90°.
Klaasi murdumisnäitaja on kahe kandja puhul konstantne, sõltumata langemisnurgast. Kui langemisnurk suureneb, suureneb kiire nihkumine.
Super ülesanne
Proovige kasutada seda klaasplaati täieliku peegelduse nähtuse jälgimiseks. Joonistage selle vaatlemiseks optiline skeem.
Täieliku peegelduse jälgimiseks tuleb langemisnurka pidevalt suurendada. Selleks pöörame klaasplaati sujuvalt nii, et nurk selle näo tasapinna vahel, millest see väljub, ja tekkiva tala vahel suureneb. Pidevalt esile kerkiv kiir on näoga paralleelne ja pärast kerget pööret kaob kiir ja ilmub sellele küljele, kus oli sissetulev.
Areng
Täisnimi Ibragimova Elmira Lumanovna
Töökoht MBOU "Teplovskaja kool"
Töö nimetus Füüsika õpetaja
Üksus Füüsika
Klass 11
Põhiline õpetus füüsika 11 Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B.
Kuupäev 12.12.16
Füüsika tund. Laboritöö nr 3
"Klaasi murdumisnäitaja määramine"
Tunni eesmärk: õpetada õpilasi katseliselt määrama klaasi murdumisnäitaja
Varustus: paralleelsete servadega klaasplaat, 4 nõela, joonlaud.
1 . Asetage klaasplaat märkmiku lehele nii, et ülemine kitsam serv jookseks täpselt piki lahtrite joont, seejärel jälgige plaati pliiatsiga. Seejärel eemaldame klaasplaadi ja joonistame langeva kiire, mis läbib lahtrite diagonaale nii, et langemisnurk on 45 0
2. Torkame vihikusse 2 nõela tala algusesse ja lõppu. Seejärel paigaldame klaasplaadi oma algsesse kohta märkmikusse. Vaatame langevat kiirt läbi plaadi alumise serva. Võtame veel kaks nõela ja torkame need vihikusse nii, et nõelad seisaksid täpselt langeva tala jätkul. Eemaldame kõik nõelad ja plaadi. Me juhime klaasist väljuvat kiiret. Kiired peavad olema paralleelsed. Ühendame intsidendi lõpu ja murdunud kiirte alguse.
3 .Jonesta ringjoon, mille keskpunkt on punktis O. Täisnurksel kolmnurgal ODE ja OBC on hüpotenuusid võrdsed. Vajaliku murdumisnäitaja määramiseks
Saadud väärtus n peab olema vahemikus
Järeldus: Määrati klaasi murdumisnäitaja. Selgus, et see võrdub 1,5-ga.
Kodutöö ülesanne: Vaadake üle valguse peegelduse ja murdumise seadused
JUHEND nr 16
Laboritöö teema: "Klaasi murdumisnäitaja määramine."
Sihtmärk: 1 . Jälgige valguse murdumist reaalsetes tingimustes.
2.Õppige kasutama murdumisnäitaja arvutamiseks murdumisseadusi.
Varustus 1. Klaasplaat.2. Kolm nõela. 3. Transporter 4. Papp. 5. Siinuste tabel.
TÖÖDE TEOSTAMISE KORD
1. harjutus. Täitke valguse murdumise seaduste sõnastuses puuduvad sõnad:
Langemisnurga ja nurga siinuse suhe on kahe antud kandja väärtus.
Langev kiir, kiir ja normaal kahe keskkonna piirile langemispunktis asuvad tasapinnal.
2. ülesanne. Too näiteid murdumise nähtusest tehnikas ja igapäevaelus.
3. ülesanne. Valige pakutavatest valikutest, milline täht tähistab murdumisnäitajat:
2) n 3) N 4)
4. ülesanne. Vastake küsimusele: mis on valguse murdumise füüsikaline tähendus?
Ülesanne 5. Pidage meeles põhilisi ohutusreegleid ja pöörake erilist tähelepanu vajalikule:
1. Ülesande täitmist saab alustada ainult õpetaja loal.
2.Pärast tööde lõpetamist tuleks töökoht korda teha ning üle anda kõik seadmed ja tarvikud.
Ülesanne 6. Määrake katseliselt ja arvutuslikult klaasi murdumisnäitaja .
INDIKAATORI MÄÄRAMISE KATSE LÄBIVIIMISE MEETOD
KLAASI REFRAKTSIOONID
SAMM 1 . Asetage lahtivolditud märkmik kartongile. Asetage klaasplaat tasapinnaliselt märkmikulehele ja jälgige pliiatsiga selle piirjooni.
2. SAMM . Sisestage klaasplaadi ühele küljele kaks nõela nii, et üks neist asuks plaadi ülemisel serval ja teine juhuslikult, kuid nii, et neid nõelu läbiv sirgjoon ei langeks kokku nõelaga risti. ülemine serv.
3. SAMM . Tõstke papp silmade kõrgusele ja läbi klaasi vaadates torgake kolmas nõel klaasplaadi piirjoone alumisse serva nii, et see kataks kahe esimese nõela kujutise (vt joonist).
4. SAMM . Eemaldage lehelt klaas ja nõelad, märkige torkekohad punktidega 1, 2 ja 3. Tõmmake sirgjooned läbi punktide 1, 2 ja 3, kuni need ristuvad klaasi kontuuridega. Joonistage punkti 2 kaudu risti kahe kandja liidesega: õhk - klaas.
5. SAMM . Mõõtke langemisnurk ja murdumisnurk. Määrake tabelist nende nurkade siinuste väärtused, ümardades sajandikuni.
6. SAMM . Korrake katset veel kaks korda, muutes iga kord kiire langemisnurka. .
7. SAMM . Iga katse jaoks arvutage murdumisnäitaja järgmise valemi abil:
8. SAMM . Määrake mõõtmisviga aritmeetilise keskmise meetodi abil.
=
9. SAMM .Määrake absoluutne viga:
=
=
=
=
10. SAMM .Määrake suhteline viga:
100% =
Sisestage kõigi mõõtmiste ja arvutuste tulemused tabelisse.
Langemisnurk
Murdumisnurk
Murdumisnäitaja
Keskmine murdumisnäitaja väärtus
Absoluutne viga
Keskmine absoluutne viga
Suhteline viga
Tere.
Tere.
11. SAMM. Tehke järeldus. Kas teil õnnestus määrata klaasi murdumisnäitaja? Selgita miks.
Ülesannete täitmisel 1-4
Ülesanne nr 1 1 punkt
Ülesanne nr 2 1 punkt
Ülesanne nr 3 1 punkt
Ülesanne nr 4 1 punkt
Ülesande nr 6 täitmisel - suhteline viga
25% - 5 punkti
45% - 4 punkti
70% - 3 punkti
üle 70% - 2 punkti
Kokkuvõtete tegemine toimub õpilase tegevuste summeerimise teel
Hinne “5” – 9 punkti
“4” – 8 punkti
"3" – 7 punkti
"2" - 5 punkti
Ülesanne 7. Pidage meeles tunni põhipunkte ja määrake 5-pallisel skaalal järgmised parameetrid:
Kui raske oli teil seda laboritööd teha?
Kui huvitatud olete selle töö tegemisest?
Mis hinde sa selle töö eest said?
LISAÜLESANNE “SUUREPÄRANE”:
1. Määrake klaasi murdumisnäitaja, kui sellelt valguse peegeldumisel on peegeldunud kiir murdumisnurga φ = 35° juures täielikult polariseeritud..
2. Langemisnurk on 30, langeva ja murdunud kiire vaheline nurk on 140. Millises keskkonnas levis kiir algselt: optiliselt tihedamas või vähemtihedas? Tõesta seda.