Связь показателя преломления со скоростью света. Особенности явления преломления света с точки зрения физики. Примеры значений для разных веществ
Таблица 1. Коэффициенты преломления кристаллов.
коэффициента преломления некоторых кристаллов при 18° С для лучей видимой части спектра, длины волн которых отвечают определенным спектральным линиям. Элементы, которым принадлежат эти линии, указываются; указаны также приближенные значения длин волн λ этих линий в единицах Ангстрема
| λ (Å) | Известковый шпат | Плавиковый шпат | Каменная соль | Сильвин | |
| обыкн. л. | необыкн. л. | ||||
| 6708 (Li, кр. л.) | 1,6537 | 1,4843 | 1,4323 | 1,5400 | 1,4866 |
| 6563 (Н, кр. л.) | 1,6544 | 1,4846 | 1,4325 | 1,5407 | 1,4872 |
| 6438 (Cd, кр. л.) | 1,6550 | 1,4847 | 1,4327 | 1,5412 | 1,4877 |
| 5893 (Na, ж. л.) | 1,6584 | 1,4864 | 1,4339 | 1,5443 | 1,4904 |
| 5461 (Hg, з. л.) | 1,6616 | 1,4879 | 1,4350 | 1,5475 | 1,4931 |
| 5086 (Cd, з. л.) | 1,6653 | 1,4895 | 1,4362 | 1,5509 | 1,4961 |
| 4861 (Н, з. л.) | 1,6678 | 1,4907 | 1,4371 | 1,5534 | 1,4983 |
| 4800 (Cd, с. л.) | 1,6686 | 1,4911 | 1,4379 | 1,5541 | 1,4990 |
| 4047 (Hg, ф. л) | 1,6813 | 1,4969 | 1,4415 | 1,5665 | 1,5097 |
Таблица 2. Коэффициенты преломления оптических стекол.
Линий С, D и F, длины волн которых приближенно равны: 0,6563 μ (мкм) , 0,5893 μ и 0,4861 μ.
| Оптические стекла | Обозначение | n С | n D | n F |
| Боросиликатный крон | 516/641 | 1,5139 | 1,5163 | 1,5220 |
| Крон | 518/589 | 1,5155 | 1,5181 | 1,5243 |
| Легкий флинт | 548/459 | 1,5445 | 1,5480 | 1,5565 |
| Баритовый крон | 659/560 | 1,5658 | 1,5688 | 1,5759 |
| - || - | 572/576 | 1,5697 | 1,5726 | 1,5796 |
| Легкий флинт | 575/413 | 1,5709 | 1,5749 | 1,5848 |
| Баритовый легкий флинт | 579/539 | 1,5763 | 1,5795 | 1,5871 |
| Тяжелый крон | 589/612 | 1,5862 | 1,5891 | 1,5959 |
| - || - | 612/586 | 1,6095 | 1,6126 | 1,6200 |
| Флинт | 512/369 | 1,6081 | 1,6129 | 1,6247 |
| - || - | 617/365 | 1,6120 | 1,6169 | 1,6290 |
| - || - | 619/363 | 1,6150 | 1,6199 | 1,6321 |
| - || - | 624/359 | 1,6192 | 1,6242 | 1,6366 |
| Тяжелый баритовый флинт | 626/391 | 1,6213 | 1,6259 | 1,6379 |
| Тяжелый флинт | 647/339 | 1,6421 | 1,6475 | 1,6612 |
| - || - | 672/322 | 1,6666 | 1,6725 | 1,6874 |
| - || - | 755/275 | 1,7473 | 1,7550 | 1,7747 |
Таблица 3. Коэффициенты преломления кварца в видимой части спектра
В справочной таблице даны значения коэффициентов преломления лучей обыкновенного (n 0 ) и необыкновенного (n e ) для интервала спектра приближенно от 0,4 до 0,70 μ.
| λ (μ) | n 0 | n e | Плавленый кварц |
| 0,404656 | 1,557356 | 1,56671 | 1,46968 |
| 0,434047 | 1,553963 | 1,563405 | 1,46690 |
| 0,435834 | 1,553790 | 1,563225 | 1,46675 |
| 0,467815 | 1,551027 | 1,560368 | 1,46435 |
| 0,479991 | 1,550118 | 1,559428 | 1,46355 |
| 0,486133 | 1,549683 | 1,558979 | 1,46318 |
| 0,508582 | 1,548229 | 1,557475 | 1,46191 |
| 0,533852 | 1,546799 | 1,555996 | 1,46067 |
| 0,546072 | 1,546174 | 1,555350 | 1,46013 |
| 0,58929 | 1,544246 | 1,553355 | 1,45845 |
| 0,643874 | 1,542288 | 1,551332 | 1,45674 |
| 0,656278 | 1,541899 | 1,550929 | 1,45640 |
| 0,706520 | 1,540488 | 1,549472 | 1,45517 |
Таблица 4. Коэффициенты преломления жидкостей.
В таблице даны значения коэффициентов преломления n жидкостей для луча с длиной волны, приближенно равной 0,5893 μ (желтая линия натрия); температура жидкости, при которой производились измерения n , указывается.
| Жидкость | t (°С) | n |
| Аллиловый спирт | 20 | 1,41345 |
| Амиловый спирт (Н.) | 13 | 1,414 |
| Анизол | 22 | 1,5150 |
| Анилин | 20 | 1,5863 |
| Ацетальдегид | 20 | 1,3316 |
| Ацетон | 19,4 | 1,35886 |
| Бензол | 20 | 1,50112 |
| Бромоформ | 19 | 1,5980 |
| Бутиловый спирт (н.) | 20 | 1,39931 |
| Глицерин | 20 | 1,4730 |
| Диацетил | 18 | 1,39331 |
| Ксилол (мета-) | 20 | 1,49722 |
| Ксилол (орто-) | 20 | 1,50545 |
| Ксилол (пара-) | 20 | 1,49582 |
| Метилен хлористый | 24 | 1,4237 |
| Метиловый спирт | 14,5 | 1,33118 |
| Муравьиная кислота | 20 | 1,37137 |
| Нитробензол | 20 | 1,55291 |
| Нитротолуол (Орто-) | 20,4 | 1,54739 |
| Паральдегид | 20 | 1,40486 |
| Пентан (норм.) | 20 | 1,3575 |
| Пентан (изо-) | 20 | 1,3537 |
| Пропиловый спирт (норм.) | 20 | 1,38543 |
| Сероуглерод | 18 | 1,62950 |
| Толуол | 20 | 1,49693 |
| Фурфурол | 20 | 1,52608 |
| Хлорбензол | 20 | 1,52479 |
| Хлороформ | 18 | 1,44643 |
| Хлорпикрин | 23 | 1,46075 |
| Четыреххлористый углерод | 15 | 1,46305 |
| Этил бромистый | 20 | 1,42386 |
| Этил йодистый | 20 | 1,5168 |
| Этилацетат | 18 | 1,37216 |
| Этилбензол | 20 | 1.4959 |
| Этилен бромистый | 20 | 1,53789 |
| Этиловый спирт | 18,2 | 1,36242 |
| Этиловый эфир | 20 | 1,3538 |
Таблица 5. Коэффициенты преломления водных растворов сахара.
В таблице ниже даны значения коэффициентов преломления n водных растворов сахара (при 20° С) в зависимости от концентрации с раствора (с показывает весовой процент сахара в растворе).
| с (%) | n | с (%) | n |
| 0 | 1,3330 | 35 | 1,3902 |
| 2 | 1,3359 | 40 | 1,3997 |
| 4 | 1,3388 | 45 | 1,4096 |
| 6 | 1,3418 | 50 | 1,4200 |
| 8 | 1,3448 | 55 | 1,4307 |
| 10 | 1,3479 | 60 | 1,4418 |
| 15 | 1,3557 | 65 | 1,4532 |
| 20 | 1,3639 | 70 | 1,4651 |
| 25 | 1,3723 | 75 | 1,4774 |
| 30 | 1,3811 | 80 | 1,4901 |
Таблица 6. Коэффициенты преломления воды
В таблице даны значения коэффициентов преломления n воды при температуре 20° С в интервале длин волн приближенно от 0,3 до 1 μ.
| λ (μ) | n | λ (μ) | n | λ (c) | n |
| 0,3082 | 1,3567 | 0,4861 | 1,3371 | 0,6562 | 1,3311 |
| 0,3611 | 1,3474 | 0,5460 | 1,3345 | 0,7682 | 1,3289 |
| 0,4341 | 1,3403 | 0,5893 | 1,3330 | 1,028 | 1,3245 |
Таблица 7. Коэффициенты преломления газов таблица
В таблице даны значения коэффициентов преломления n газов при нормальных условиях для линии D, длина волны которой приближенно равна 0,5893 μ.
| Газ | n |
| Азот | 1,000298 |
| Аммиак | 1,000379 |
| Аргон | 1,000281 |
| Водород | 1,000132 |
| Воздух | 1,000292 |
| Гелин | 1,000035 |
| Кислород | 1,000271 |
| Неон | 1,000067 |
| Окись углерода | 1,000334 |
| Сернистый газ | 1,000686 |
| Сероводород | 1,000641 |
| Углекислота | 1,000451 |
| Хлор | 1,000768 |
| Этилен | 1,000719 |
| Водяной пар | 1,000255 |
Источник информации: КРАТКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК/ Том 1, - М.: 1960.
В курсе физики 8 класса вы познакомились с явлением преломления света. Теперь вы знаете, что свет представляет собой электромагнитные волны определенного диапазона частот. Опираясь на знания о природе света, вы сможете понять физическую причину преломления и объяснить многие другие связанные с ним световые явления.
Рис. 141. Переходя из одной среды в другую, луч преломляется, т. е. меняет направление распространения
Согласно закону преломления света (рис. 141):
- лучи падающий, преломлённый и перпендикуляр, проведённый к границе раздела двух сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред
где n 21 - относительный показатель преломления второй среды относительно первой.
Если луч переходит в какую-либо среду из вакуума, то
где n - абсолютный показатель преломления (или просто показатель преломления) второй среды. В этом случае первой «средой» является вакуум, абсолютный показатель которого принят за единицу.
Закон преломления света был открыт опытным путём голландским учёным Виллебордом Снеллиусом в 1621 г. Закон был сформулирован в трактате по оптике, который нашли в бумагах учёного после его смерти.
После открытия Снеллиуса несколькими учёными была выдвинута гипотеза о том, что преломление света обусловлено изменением его скорости при переходе через границу двух сред. Справедливость этой гипотезы была подтверждена теоретическими доказательствами, выполненными независимо друг от друга французским математиком Пьером Ферма (в 1662 г.) и голландским физиком Христианом Гюйгенсом (в 1690 г.). Разными путями они пришли к одному и тому же результату, доказав, что
- отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению скоростей света в этих средах:
(3)
Из уравнения (3) следует, что если угол преломления β меньше угла падения а, то свет данной частоты во второй среде распространяется медленнее, чем в первой, т. е. V 2 Взаимосвязь величин, входящих в уравнение (3), послужила веским основанием для появления ещё одной формулировки определения относительного показателя преломления: n 21 = v 1 / v 2 (4) Пусть луч света переходит из вакуума в какую-либо среду. Заменив в уравнении (4) v1 на скорость света в вакууме с, а v 2 на скорость света в среде v, получим уравнение (5), являющееся определением абсолютного показателя преломления: Согласно уравнениям (4) и (5), n 21 показывает, во сколько раз меняется скорость света при его переходе из одной среды в другую, a n - при переходе из вакуума в среду. В этом заключается физический смысл показателей преломления. Значение абсолютного показателя преломления п любого вещества больше единицы (в этом убеждают данные, содержащиеся в таблицах физических справочников). Тогда, согласно уравнению (5), c/v > 1 и с > v, т. е. скорость света в любом веществе меньше скорости света в вакууме. Не приводя строгих обоснований (они сложны и громоздки), отметим, что причиной уменьшения скорости света при его переходе из вакуума в вещество является взаимодействие световой волны с атомами и молекулами вещества. Чем больше оптическая плотность вещества, тем сильнее это взаимодействие, тем меньше скорость света и тем больше показатель преломления. Таким образом, скорость света в среде и абсолютный показатель преломления определяются свойствами этой среды. По числовым значениям показателей преломления веществ можно сравнивать их оптические плотности. Например, показатели преломления различных сортов стекла лежат в пределах от 1,470 до 2,040, а показатель преломления воды равен 1,333. Значит, стекло - среда оптически более плотная, чем вода. Обратимся к рисунку 142, с помощью которого можно пояснить, почему на границе двух сред с изменением скорости меняется и направление распространения световой волны. Рис. 142. При переходе световых волн из воздуха в воду скорость света уменьшается, фронт волны, а вместе с ним и её скорость меняют направление
На рисунке изображена световая волна, переходящая из воздуха в воду и падающая на границу раздела этих сред под углом а. В воздухе свет распространяется со скоростью v 1 , а в воде - с меньшей скоростью v 2 . Первой до границы доходит точка А волны. За промежуток времени Δt точка В, перемещаясь в воздухе с прежней скоростью v 1 , достигнет точки В". За то же время точка А, перемещаясь в воде с меньшей скоростью v 2 , пройдёт меньшее расстояние, достигнув только точки А". При этом так называемый фронт волны А"В" в воде окажется повёрнутым на некоторый угол по отношению к фронту АВ волны в воздухе. А вектор скорости (который всегда перпендикулярен к фронту волны и совпадает с направлением её распространения) поворачивается, приближаясь к прямой ОО", перпендикулярной к границе раздела сред. При этом угол преломления β оказывается меньше угла падения α. Так происходит преломление света. Из рисунка видно также, что при переходе в другую среду и повороте волнового фронта меняется и длина волны: при переходе в оптически более плотную среду уменьшается скорость, длина волны тоже уменьшается (λ 2 < λ 1). Это согласуется и с известной вам формулой λ = V/v, из которой следует, что при неизменной частоте v (которая не зависит от плотности среды и поэтому не меняется при переходе луча из одной среды в другую) уменьшение скорости распространения волны сопровождается пропорциональным уменьшением длины волны. Есть ничто иное, как отношение синуса угла падения к синусу угла преломления
Показатель преломления зависит от свойств вещества и длины волны излучения, для некоторых веществ показатель преломления достаточно сильно меняется при изменении частоты электромагнитных волн от низких частот до оптических и далее, а также может ещё более резко меняться в определённых областях частотной шкалы. По умолчанию обычно имеется в виду оптический диапазон или диапазон, определяемый контекстом.
Величина n, при прочих равных условиях, обычно меньше единицы при переходе луча из среды более плотной в среду менее плотную, и больше единицы при переходе луча из среды менее плотной в среду более плотную (например, из газа или из вакуума в жидкость или твердое тело). Есть исключения из этого правила, и потому принято называть среду оптически более или менее плотной, чем другая (не путать с оптической плотностью как мерой непрозрачности среды).
В таблице приведены некоторые значения показателя преломления для некоторых сред:
Среда, обладающая большим показателем преломления, называется оптически более плотной. Обычно измеряется показатель преломления различных сред относительно воздуха. Абсолютный показатель преломления воздуха равен . Таким образом, абсолютный показатель преломления какой-либо среды связан с ее показателем преломления относительно воздуха формулой:
Показатель преломления зависит от длины волны света, то есть от его цвета. Различным цветам соответствуют различные показатели преломления. Это явление, называемое дисперсией, играет важную роль в оптике.
Цифровой ресурс может использоваться для обучения в рамках программы основной и средней школы (базового уровня). Модель представляет собой анимированную иллюстрацию по теме «Закон преломления света». Рассматривается система вода–воздух. Прорисовывается ход падающего, отраженного и преломленного лучей. Краткая теория Закон преломления света находит объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ 1 к скорости их распространения во второй среде υ 2: Работа с моделью Кнопка Старт
/Стоп
позволяет начать или поставить на паузу эксперимент, кнопка Сброс
– начать новый эксперимент. Данная модель может быть применена в качестве иллюстрации на уроках изучения нового материала по теме «Закон преломления света». На примере этой модели можно рассмотреть с учащимися ход луча при переходе из оптически менее плотной среды в оптически более плотную. Пример планирования урока с использованием модели Тема «Преломление света» Цель урока: рассмотреть явление преломления света, ход луча при переходе из одной среды в другую. Таблица 1. Примеры вопросов и заданий Обратимся к более подробному рассмотрению показателя преломления, введенного нами в §81 при формулировке закона преломления. Показатель преломления зависит от оптических свойств и той среды, из которой луч падает, и той среды, в которую он проникает. Показатель преломления, полученный в том случае, когда свет из вакуума падает на какую-либо среду, называется абсолютным показателем преломления данной среды. Рис. 184. Относительный показатель преломления двух сред: Пусть абсолютный показатель преломления первой среды есть а второй среды - . Рассматривая преломление на границе первой и второй сред, убедимся, что показатель преломления при переходе из первой среды во вторую, так называемый относительный показатель преломления, равен отношению абсолютных показателей преломления второй и первой сред: (рис. 184). Наоборот, при переходе из второй среды в первую имеем относительный показатель преломления Установленная связь между относительным показателем преломления двух сред и их абсолютными показателями преломления могла бы быть выведена и теоретическим путем, без новых опытов, подобно тому, как это можно сделать для закона обратимости (§82), Среда, обладающая большим показателем преломления, называется оптически более плотной. Обычно измеряется показатель преломления различных сред относительно воздуха. Абсолютный показатель преломления воздуха равен . Таким образом, абсолютный показатель преломления какой-либо среды связан с ее показателем преломления относительно воздуха формулой Таблица 6. Показатель преломления различных веществ относительно воздуха Показатель преломления зависит от длины волны света, т. е. от его цвета. Различным цветам соответствуют различные показатели преломления. Это явление, называемое дисперсией, играет важную роль в оптике. Мы неоднократно будем иметь дело с этим явлением в последующих главах. Данные, приведенные в табл. 6, относятся к желтому свету. Интересно отметить, что закон отражения может быть формально записан в том же виде, что и закон преломления. Вспомним, что мы условились всегда измерять углы от перпендикуляра к соответствующему лучу. Следовательно, мы должны считать угол падения и угол отражения имеющими противоположные знаки, т.е. закон отражения можно записать в виде Сравнивая (83.4) с законом преломления, мы видим, что закон отражения можно рассматривать как частный случай закона преломления при . Это формальное сходство законов отражения и преломления приносит большую пользу при решении практических задач. В предыдущем изложении показатель преломления имел смысл константы среды, не зависящей от интенсивности проходящего через нее света. Такое истолкование показателя преломления вполне естественно, однако в случае больших интенсивностей излучения, достижимых при использовании современных лазеров, оно не оправдывается. Свойства среды, через которую проходит сильное световое излучение, в этом случае зависят от его интенсивности. Как говорят, среда становится нелинейной. Нелинейность среды проявляется, в частности, в том, что световая волна большой интенсивности изменяет показатель преломления. Зависимость показателя преломления от интенсивности излучения имеет вид Здесь - обычный показатель преломления, а - нелинейный показатель преломления, - множитель пропорциональности. Добавочный член в этой формуле может быть как положительным, так и отрицательным. Относительные изменения показателя преломления сравнительно невелики. При Рассмотрим среду с положительным нелинейным показателем преломления. В этом случае области повышенной интенсивности света являются одновременной областями увеличенного показателя преломления. Обычно в реальном лазерном излучении распределение интенсивности по сечению пучка лучей неоднородно: интенсивность максимальна по оси и плавно спадает к краям пучка, как это показано на рис. 185 сплошными кривыми. Подобное распределение описывает также изменение показателя преломления по сечению кюветы с нелинейной средой, вдоль оси которой распространяется лазерный луч. Показатель преломления, наибольший по оси кюветы, плавно спадает к ее стенкам (штриховые кривые на рис. 185). Пучок лучей, выходящий из лазера параллельно оси, попадая в среду с переменным показателем преломления , отклоняется в ту сторону, где больше. Поэтому повышенная интенсивность вблизи осп кюветы приводит к концентрации световых лучей в этой области, показанной схематически в сечениях и на рис. 185, а это приводит к дальнейшему возрастанию . В конечном итоге эффективное сечение светового пучка, проходящего через нелинейную среду, существенно уменьшается. Свет проходит как бы по узкому каналу с повышенным показателем преломления. Таким образом, лазерный пучок лучей сужается, нелинейная среда под действием интенсивного излучения действует как собирающая линза. Это явление носит название самофокусировки. Его можно наблюдать, например, в жидком нитробензоле. Рис. 185. Распределение интенсивности излучения и показателя преломления по сечению лазерного пучка лучей на входе в кювету (а), вблизи входного торца (), в середине (), вблизи выходного торца кюветы () Определение показателя преломления прозрачных твердых тел
И жидкостей
Приборы и принадлежности
: микроскоп со светофильтром, плоскопараллельная пластинка с меткой АВ в виде креста; рефрактометр марки «РЛ»; набор жидкостей. Цель работы:
определить показатели преломления стекла и жидкостей. Определение показателя преломления стекла при помощи микроскопа
Для определения показателя преломления прозрачного твердого тела применяется плоскопараллельная пластинка, изготовленная из этого материала, с меткой. Метка представляет собой две взаимно перпендикулярные царапины, одна из которых (А) нанесена на нижнюю, а вторая (В) — на верхнюю поверхность пластинки. Пластинка освещается монохроматическим светом и рассматривается в микроскоп. На Лучи АД и АЕ после преломления на границе стекло – воздух идут по направлениям ДД1 и ЕЕ1 и попадают в объектив микроскопа. Наблюдатель, который смотрит на пластину сверху, видит точку А на пересечении продолжения лучей ДД1 и ЕЕ1, т.е. в точке С. Таким образом, точка А кажется наблюдателю расположенной в точке С. Найдем связь между пока-зателем преломления n материала пластинки, толщиной d и кажущейся толщиной d1 пластинки. 4.7 видно, что ВД = ВСtgi, BD = АВtgr, откуда tgi/tgr = AB/BC, где AB = d – толщина пластинки; ВС = d1 кажущаяся толщина пластинки. Если углы i и r малые, то Sini/Sinr = tgi/tgr, (4.5) т.е. Sini/Sinr = d/d1. Учитывая закон преломления света, получим Измерение d/d1 производится с помощью микроскопа. Оптическая схема микроскопа состоит из двух систем: наблюдательной, в которую входят объектив и окуляр, вмонтированные в тубус, и осветительной, состоящей из зеркала и съемного светофильтра. Фокусировка изображения проводится вращением рукояток, расположенных по обе сто-роны от тубуса. На оси правой рукоятки укреплен диск со шкалой лимб. Отсчет b по лимбу относительно неподвижного указателя определяет расстояние h от объектива до предметного столика микроскопа: Коэффициент k указывает, на какую высоту смещается тубус микроскопа при повороте рукоятки на 1°. Диаметр объектива в данной установке мал по сравнению с расстоянием h, поэтому крайний луч, который попадает в объектив, образует малый угол i с оптической осью микроскопа. Угол преломления r света в пластинке меньше, чем угол i ,т.е. тоже мал, что соответствует условию (4.5). Порядок выполнения работы
1. Положить пластинку на предметный столик микроскопа так, чтобы точка пересечения штрихов А и В (см. рис. 4.7) находилась в поле зрения. 2. Вращая рукоятку подъемного механизма, поднять тубус в верхнее положение. 3. Глядя в окуляр, вращением рукоятки опускать тубус микроскопа плавно до тех пор, пока в поле зрения не получится четкое изображение царапины В, нанесенной на верхнюю поверхность пластинки. Записать показание b1 лимба, которое пропорционально расстоянию h1 от объектива микроскопа до верхней грани пластинки: h1 = kb1 (рис. 4. Продолжить опускание тубуса плавно до тех пор, пока не получится четкое изображение царапины А, которая кажется наблюдателю расположенной в точке С. Записать новое показание b2 лимба. Расстояние h1 от объектива до верхней поверхности пластинки пропорционально b2: Расстояния от точек В и С до объектива равны, так как наблюдатель видит их одинаково четко. Смещение тубуса h1-h2 равно кажущейся толщине пластинки (рис. d1 = h1-h2 = (b1-b2)k. (4.8) 5. Измерить толщину пластинки d в месте пересечения штрихов. Для этого под исследуемую пластинку 1 (рис. 4.9) поместить вспомогательную стеклянную пластинку 2 и опускать тубус микроскопа до тех пор, пока объектив не коснется (слегка) исследуемой пластинки. Заметить показание лимба a1 . Снять иссле-дуемую пластинку и опускать тубус микроскопа до тех пор, пока объектив не коснется пластинки 2. Заметить показание a2. Объектив микроскопа опустится при этом на высоту, равную толщине исследуемой пластинки, т.е. d = (a1-a2)k. (4.9) 6. Вычислить показатель преломления материала пластинки по формуле n = d/d1 = (a1-a2)/(b1-b2). (4.10) 7. Повторить все указанные выше измерения 3 — 5 раз, вычислить среднее значение n, абсолютную и относительную погрешности rn и rn/n. Определение показателя преломления жидкостей при помощи рефрактометра
Приборы, которые служат для определения показателей преломления, называются рефрактометрами. Общий вид и оптическая схема рефрактометра РЛ показаны на рис. 4.10 и 4.11. Измерение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра РЛ основано на явлении преломления света, прошедшего через границу раздела двух сред с разными показателями преломления. Световой пучок (рис. 4.11) от источника 1 (лампа накаливания или дневной рассеянный свет) с помощью зеркала 2 направляется через окошко в корпусе прибора на двойную призму, состоящую из призм 3 и 4, которые изготовлены из стекла с показателем преломления 1,540. Поверхность АА верхней осветительной призмы 3 (рис. 4.12, а) матовая и служит для освещения рассеянным светом жидкости, нанесенным тонким слоем в зазоре между призмами 3 и 4. Свет, рассеянный матовой поверхностью 3, проходит плоскопараллельный слой исследуемой жидкости и падает на диагональную грань ВВ нижней призмы 4 под различными Чтобы избежать явления полного внутреннего отражения света на поверхности ВВ, показатель преломления исследуемой жидкости должен быть меньше, чем показатель преломления стекла призмы 4, т.е. меньше, чем 1,540. Луч света, угол падения которого равен 90°, называется скользящим. Скользящий луч, преломляясь на границе жидкость – стекло, пойдет в призме 4 под предельным углом преломления r
пр < 90о. Преломление скользящего луча в точке Д (см. рис 4.12, а) подчиняется закону nст/nж = siniпр/sinrпр (4.11) или nж = nстsinrпр, (4.12) так как siniпр = 1. На поверхности ВС призмы 4 происходит повторное преломление световых лучей и тогда Sini¢пр/sinr¢пр = 1/ nст, (4.13) r¢пр+i¢пр = i¢пр =a , (4.14) где a -преломляющий луч призмы 4. Решая совместно систему уравнений (4.12),(4.13),(4.14), можно получить формулу, которая связывает показатель преломления nж исследуемой жидкости с предельным углом преломления r’пр луча, вышедшего из призмы 4: Если на пути лучей, вышедших из призмы 4, поставить зрительную трубу, то нижняя часть ее поля зрения будет освещена, а верхняя — темная. Граница раздела светлого и темного полей образована лучами с предельным углом преломления r¢пр. Лучей с углом преломления меньшим, чем r¢пр, в данной системе нет (рис. Величина r¢пр,следовательно, и положение границы светотени зависят только от показателя преломления nж исследуемой жидкости, так как nст и a величины в данном приборе постоянные. Зная nст, a и r¢пр, можно по формуле (4.15) рассчитать nж. На практике формула (4.15) используется для градуировки шкалы рефрактометра. На шкалу 9 (см. рис. 4.11) слева нанесены значения показателя преломления для lд = 5893 Å. Перед окуляром 10 — 11 имеется пластинка 8 с меткой (—-). Перемещая окуляр вместе с пластинкой 8 вдоль шкалы, можно добиться совмещения метки с границей раздела темного и светлого полей зрения. Деление проградуированной шкалы 9 , совпадающее с меткой, дает значение показателя преломления nж исследуемой жидкости. Объектив 6 и окуляр 10 — 11 образуют зрительную трубу. Поворотная призма 7 изменяет ход луча, направляя его в окуляр. Вследствие дисперсии стекла и исследуемой жидкости вместо четкой границы раздела темного и светлого полей при наблюдении в белом свете получается радужная полоска. Для устранения этого эффекта служит компенсатор дисперсии 5, установленный перед объективом зрительной трубы. Основная деталь компенсатора – призма, которая склеена из трех призм и может вращаться относительно оси зрительной трубы. Преломляющие углы призмы и их материал подобраны так, что желтый свет с длиной волны lд =5893 Å проходит через них без преломления. Если на пути цветных лучей установить компенсаторную призму так, чтобы ее дисперсия была равна по величине, но противоположна по знаку дисперсии измерительной призмы и жидкости, то суммарная дисперсия будет равна нулю. При этом пучок световых лучей соберется в белый луч, направление которого совпадает с направлением предельного желтого луча. Таким образом, при вращении компенсаторной призмы цветная окраска цветотени устраняется. Вместе с призмой 5 вращается дисперсионный лимб 12 относительно неподвижного указателя (см. рис. 4.10). Угол поворота Z лимба позволяет судить о величине средней дисперсии исследуемой жидкости. Шкала лимба должна быть проградуирована. График прилагается к установке. Порядок выполнения работы
1. Приподнять призму 3, на поверхность призмы 4 поместить 2-3 капли исследуемой жидкости и опустить призму 3 (см. рис. 4.10). 3. Окулярной наводкой добиться резкого изображения шкалы и границы раздела полей зрения. 4. Вращая рукоятку 12 компенсатора 5, уничтожить цветную окраску границы раздела полей зрения. Перемещая окуляр вдоль шкалы, совместить метку(—-) с границей темного и светлого полей и записать значение показателя жидкости. 6. Исследовать предложенный набор жидкостей и оценить погрешность измерений. 7. После каждого измерения протирать поверхность призм фильтровальной бумагой, смоченной в дистиллированной воде. Контрольные вопросы
Вариант 1
Дайте определение абсолютного и относительного показателей преломления среды. 2. Нарисуйте ход лучей через границу раздела двух сред (n2> n1, и n2< n1). 3. Получите соотношение, которое связывает показатель преломления n с толщиной d и кажущейся толщины d¢ пластинки. 4. Задача.
Предельный угол полного внутреннего отражения для некоторого вещества равен 30°. Найти показатель преломления этого вещества. Ответ: n =2. Вариант 2
1. В чем состоит явление полного внутреннего отражения? 2. Опишите конструкцию и принцип действия рефрактометра РЛ-2. 3. Объясните роль компенсатора в рефрактометре. 4. Задача
. Из центра круглого плота на глубину 10 м опущена лампочка. Найти минимальный радиус плота, при этом ни один луч от лампочки не должен выйти на поверхность. Ответ: R = 11,3 м. ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
, или КОЭФФИЦИЕНТ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
, — отвлеченное число, характеризующее преломляющую силу прозрачной среды. Показатель преломления обозначается латинской буквой π и определяется как отношение синуса угла падения к синусу угла преломления луча, входящего из пустоты в данную прозрачную среду: n = sin α/sin β = const или как отношение скорости света в пустоте к скорости света в данной прозрачной среде: n = c/νλ из пустоты в данную прозрачную среду. Показатель преломления считается мерой оптической плотности среды Определенный таким образом показатель преломления называется абсолютным показателем преломления, в отличие от относительного т. е. показывает, во сколько раз замедляется скорость распространения света при переходе его показателя преломления, который определяется отношением синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе луча из среды одной плотности в среду другой плотности. Относительный показатель преломления равен отношению абсолютных показателей преломления: n = n2/n1, где n1 и n2 — абсолютные показатели преломления первой и второй среды. Абсолютный показатель преломления всех тел — твердых, жидких и газообразных — больше единицы и колеблется от 1 до 2, превосходя значение 2 только в редких случаях. Показатель преломления зависит как от свойств среды, так и от длины волны света и увеличивается с уменьшением длины волны. Поэтому к букве п приписывают индекс, указывающий, к какой длине волны относится показатель. Например, для стеклаТФ-1 показатель преломления в красной части спектра составляет nC=1,64210, а в фиолетовой nG’ =1,67298. Показатели преломления некоторых прозрачных тел Воздух — 1 ,000292 Вода — 1,334 Эфир — 1 ,358 Спирт этиловый — 1,363 Глицерин — 1, 473 Органическое стекло (плексиглас) — 1 , 49 Бензол — 1,503 (Стекло крон — 1,5163 Пихтовый (канадский), бальзам 1,54 Стекло тяжелый крон — 1 , 61 26 Стекло флинт — 1,6164 Сероуглерод — 1,629 Стекло тяжелый флинт — 1 , 64 75 Монобромнафталин — 1,66 Стекло самый тяжелый флинт — 1 ,92 Алмаз — 2,42 Неодинаковость показателя преломления для разных участков спектра является причиной хроматизма, т, е. разложения белого света, при прохождении его через преломляющие детали — линзы, призмы и т. д. Лабораторная работа № 41 Определение показателя преломления жидкостей с помощью рефрактометра
Цель работы: определение показателя преломления жидкостей методом полного внутреннего отражения с помощью рефрактометра ИРФ-454Б
; исследование зависимости показателя преломления раствора от его концентрации. Описание установки При преломлении немонохроматического света происходит его разложение на составные цвета в спектр. Это явление обусловлено зависимостью показателя преломления вещества от частоты (длины волны) света и называется дисперсией света. Принято характеризовать преломляющую способность среды показателем преломления на длине волны λ
= 589,3 нм (среднее значение длин волн двух близких желтых линий в спектре паров натрия). Этот показатель преломления обозначается n
D
. Мерой дисперсии служит средняя дисперсия, определяемая как разность (n
F
-n
C
), где n
F
— показатель преломления вещества на длине волны λ
= 486,1 нм (голубая линия в спектре водорода), n
C
– показатель преломления вещества на λ
— 656,3 нм (красная линия в спектре водорода). Преломление вещества характеризуют величиной относительной дисперсии: е. Установка для определения показателя преломления жидкостей состоит из рефрактометра ИРФ-454Б
с пределами измерения показателя; преломления n
D
в диапазоне от 1,2 до 1,7; исследуемой жидкости, салфетки для протирания поверхностей призм. Рефрактометр ИРФ-454Б
является контрольно-измерительным прибором, предназначенным для непосредственного измерения показателя преломления жидкостей, а также для определения средней дисперсии жидкостей в лабораторных условиях. Принцип действия прибора ИРФ-454Б
основан на явлении полного внутреннего отражения света. Принципиальная схема прибора показана на рис. 1. Исследуемая жидкость помещается между двумя гранями призмы 1 и 2. Призма 2 с хорошо отполированной гранью АВ
является измерительной, а призма 1 с матовой гранью А
1
В
1
— осветительной. Лучи от источника света падают на грань А
1
С
1
, преломляются, падают на матовую поверхность А
1
В
1
и рассеиваются этой поверхностью. Затем они проходят слой исследуемой жидкости и попадают на поверхность АВ
призмы 2. По закону преломления При увеличении угла падения е. когда луч в жидкости скользит по поверхности АВ
. Следовательно, Лучи, идущие из жидкости в призму 2 под большими углами претерпевают полное внутреннее отражение на границе раздела АВ
и не проходят через призму. На рассматриваемом приборе исследуются жидкости, показатель преломления Очевидно, часть призмы, соответствующая не прошедшим лучам будет затемненной. В зрительную трубу 4, расположенную на пути выходящих из призмы лучей, можно наблюдать разделение поля зрения на светлую и темную части. Поворачивая систему призм 1-2, совмещают границу раздела светлого и темного поля с крестом нитей окуляра зрительной трубы. Система призм 1-2 связана со шкалой, которая отградуирована в значениях показателя преломления. Шкала расположена в нижней части поля зрения трубы и при совмещении раздела поля зрения с крестом нитей даёт соответствующее значение показателя преломления жидкости Из-за дисперсии граница раздела поля зрения в белом свете будет окрашена. Для устранения окрашенности, а также для определения средней дисперсии исследуемого вещества служит компенсатор 3, состоящий из двух систем склеенных призм прямого зрения (призм Амичи). Призмы можно вращать одновременно в разные стороны с помощью точного поворотного механического устройства, меняя тем самым собственную дисперсию компенсатора и устраняя окрашенность границы поля зрения, наблюдаемую через оптическую систему 4. С компенсатором связан барабан со шкалой, по которой определяют параметр дисперсии, позволяющий рассчитать среднюю дисперсию вещества. Порядок выполнения работы Произвести настройку прибора так, чтобы свет от источника (лампы накаливания) поступал в осветительную призму и освещал равномерно поле зрения. 2. Открыть измерительную призму. Стеклянной палочкой нанести на её поверхность несколько капель воды и осторожно закрыть призму. Зазор между призмами должен быть равномерно заполнен тонким слоем воды (обратить на это особое внимание). Пользуясь винтом прибора со шкалой, устранить окрашенность поля зрения и получить резкую границу света и тени. Совместить ее, с помощью другого винта, с отсчётным крестом окуляра прибора. Определить показатель преломления воды по шкале окуляра с точностью до тысячных долей. Сравнить полученные результаты со справочными данными для воды. Если отличие измеренного от табличного показателя преломления не превышают ± 0,001, то измерение выполнено правильно. Задание 1 1. Приготовить раствор поваренной соли (NaCl
) с концентрацией, близкой к пределу растворимости (например, С = 200 г/литр). Измерить показатель преломления полученного раствора. 3. Разбавляя раствор в целое число раз получить зависимость показателя; преломления от концентрации раствора и заполнить табл. 1. Таблица 1 Упражнение.
Как получить только разбавлением концентрацию раствора, равную 3/4 максимальной (начальной)? Построить график зависимости n=n(C)
. Дальнейшую обработку экспериментальных данных провести по указанию преподавателя. Обработка экспериментальных данных а) Графический метод Из графика определить угловой коэффициент В
, который при условиях эксперимента будет характеризовать растворенное вещество и растворитель. 2. Определить с помощью графика концентрацию раствора NaCl
, данного лаборантом. б) Аналитический метод Методом наименьших квадратов вычислить А
, В
и S
B
. По найденным значениям А
и В
определить среднее значение Контрольные вопросы Дисперсия света. Чем отличается нормальная дисперсия от аномальной? 2. Что такое явление полного внутреннего отражения? 3. Почему на данной установке нельзя измерить показатель преломления жидкости больший, чем показатель преломления призмы? 4. Зачем грань призмы А
1
В
1
делают матовой? Психологическая энциклопедия Способ оценки степени деградации психических! функций, измеряемых тестом Векслера-Белвью. Индекс основывается на наблюдении того, что уровень развития некоторых способностей, измеряемых тестом, с возрастом снижается, а других – нет. Психологическая энциклопедия — указатель, реестр имен, названий и пр. В психологии — цифровой показатель для количественной оценки, характеризации явлений. Психологическая энциклопедия 1. Наиболее общее значение: что-либо, используемое для того, чтобы пометить, идентифицировать или направить; индикация, надписи, знаки или символы. 2. Формула или номер, часто выражаемые как коэффициент, показывающий некоторое отношение между значениями или измерениями или между… Психологическая энциклопедия Характеристика, выражающая общительностьчеловека. Социограмма, например, дает, помимо прочих измерений, оценку общительности разных членов группы. Психологическая энциклопедия Формула для оценки мощности определенного теста или пункта теста в различении индивидов друг от друга. Психологическая энциклопедия Статистика, обеспечивающая оценку корреляции между актуальными значениями, полученными из теста, и теоретически верными значениями. Этот индекс дается как значение r, где r – вычисляемый коэффициент надежности. Психологическая энциклопедия Измерение степени, в которой можно использовать знание об одной переменной для того, чтобы делать предсказания относительно другой переменной, при условии, что корреляция этих переменных известна. Обычно в символической форме это выражается как Е, индекс представляется как 1 -((… Психологическая энциклопедия Общий термин для обозначения любой систематической частоты появления слов в письменной и/или устной речи. Часто такие индексы ограничены специфическими лингвистическими областями, например, учебники для первых классов, родительско-детские взаимодействия. Однако известны оценки… Психологическая энциклопедия Предложенное Айзенком измерение телосложения, основанное на отношении роста к окружности груди. Те, чьи показатели были в «нормальном» диапазоне, назывались мезоморфами, в пределах стандартного отклонения или выше среднего – лептоморфами и в пределах стандартного отклонения или… К ЛЕКЦИИ №24
«ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА»
РЕФРАКТОМЕТРИЯ.
Литература:
1.
В.Д. Пономарёв «Аналитическая химия» 1983год 246-251 2.
А.А. Ищенко «Аналитическая химия» 2004 год стр 181-184 РЕФРАКТОМЕТРИЯ.
Рефрактометрия является одним их самых простых физических методов анализа с затратой минимального количества анализируемого вещества и проводится за очень короткое время. Рефрактометрия
— метод, основанный на явлении преломления или рефракции т.е. изменении направления распространения света при переходе из одной среды в другую. Преломление, так же как и поглощение света, является следствием взаимодействия его со средой. Слово рефрактометрия означает измерение
преломления света, которое оценивается по величине показателя преломления. Величина показателя преломления n
зависит 1)от состава веществ и систем, 2) от того, в какой концентрации
и какие молекулы встречает световой луч на своем пути, т.к. под действием света молекулы разных веществ поляризуются по-разному. Именно на этой зависимости и основан рефрактометрический метод. Метод этот обладает целым рядом преимуществ, в результате чего он нашел широкое применение как в химических исследованиях, так и при контроле технологических процессов. 1)Измерение показатели преломления являются весьма простым процессом, который осуществляется точно и при минимальных затратах времени и количества вещества. 2) Обычно рефрактометры обеспечивают точность до 10% при определении показателя преломления света и содержания анализируемого вещества Метод рефрактометрии применяют для контроля подлинности и чистоты, для идентификации индивидуальных веществ, для определения строения органических и неорганических соединений при изучении растворов. Рефрактометрия находит применение для определения состава двухкомпонентных растворов и для тройных систем. Физические основы метода
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ.
Отклонение светового луча от первоначального направления при переходе его из одной среды в другую тем больше, чем больше разница в скоростях распространения света в двух данных средах. Рассмотрим преломление светового луча на границе каких-либо двух прозрачных сред I и II(См. Рис.). Условимся, что среда II обладает большей преломляющей способностью и, следовательно, n1
и n2
— показывает преломление соответствующих сред. Если среда I -это не вакуум и не воздух, то отношение sin угла падения светового луча к sin угла преломления даст величину относительного показателя преломления n отн. Величина n отн. может быть так же определена как отношение показателей преломления рассматриваемых сред. nотн. = —— = — 1) природы веществ
Природу вещества в данном случае определяет степень деформируемости его молекул под действием света — степень поляризуемости. Чем интенсивней поляризуемость, тем сильнее преломление света. 2)длины волны падающего света
Измерение показателя преломления проводится при длине волны света 589,3 нм (линия D спектра натрия). Зависимость показателя преломления от длины световой волны называется дисперсией. Чем меньше длина волны, тем значительнее преломление
. Поэтому, лучи разных длин волн преломляются по-разному. 3)температуры
, при которой проводится измерение. Обязательным условием определения показателя преломления является соблюдение температурного режима. Обычно определение выполняется при 20±0,30С. При повышении температуры величина показателя преломления уменьшается, при понижении — увеличивается
. Поправку на влияние температуры рассчитывают по следующей формуле: nt=n20+ (20-t) ·0,0002, где
nt –
показатель преломления при данной температуре,
n20-показатель преломления при 200С
Влияние температуры на значения показателей преломления газов и жидких тел связано с величинами их коэффициентов объемного расширения. Объем всех газов и жидких тел при нагревании увеличивается, плотность уменьшается и,следовательно, уменьшается показатель Показатель преломления, измеренный при 200С и длине волны света 589,3 нм, обозначается индексом nD20
Зависимость показателя преломления гомогенной двухкомпонентной системы от ее состояния устанавливается экспериментально, путем определения показателя преломления для ряда стандартных систем(например,растворов), содержание компонентов в которых известно. 4)концентрации вещества в растворе.
Для многих водных растворов веществ показатели преломления при разных концентрациях и температурах надежно измерены, и в этих случаях можно пользоваться справочными рефрактометрическими таблицами
. Практика показывает, что при содержании растворенного вещества, не превышающем 10-20%, наряду с графическим методом в очень многих случаях можно пользоваться линейным уравнением типа:
n=nо+FC,
n-
показатель преломления раствора, nо
— показатель преломления чистого растворителя, C
— концентрация растворенного вещества,% F
-эмпирический коэффициент, величина которого найдена путем определения коэффициентов преломления растворов известной концентрации. РЕФРАКТОМЕТРЫ.
Рефрактометрами называют приборы, служащие для измерения величины показателя преломления. Существует 2 вида этих приборов: рефрактометр типа Аббе и типа Пульфриха. И в тех и в др. измерения основаны на определении величины предельного угла преломления. На практике применяются рефрактометры различных систем: лабораторный-РЛ, универсальный РЛУ и др. Показатель преломления дистиллированной воды n0=1,33299, практически же этот показатель принимает в качестве отсчетного как n0=1,333.
Ручной рефрактометр
Вопросы
Упражнение
№ п/п
Этапы урока
Время, мин
Приемы и методы
1
Организационный момент
2
2
Проверка домашнего задания по теме «Построение изображения в плоском зеркале»
10
Самостоятельная работа
3
Объяснение нового материала по теме «Преломление света»
20
Объяснение нового материала с использованием модели «Закон преломления света»
4
Решение качественных задач по теме «Закон преломления света»
10
Решение задач на доске
5
Объяснение домашнего задания
3
нелинейный показатель преломления . Однако даже такие небольшие изменения показателя преломления ощутимы: они проявляются в своеобразном явлении самофокусировки света.
рис. 4.7 представлено сечение исследуемой пластинки вертикальной плоскостью.Показатель преломления
h2 = kb2 (рис. 4.8, б).
углами i в пределах от нуля до 90°.
ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ
60. Какие методы определения концентрации веществ в р-ре используют в атомно-абсорбционном анализе?
В справочниках обычно приводится величина, обратная относительной дисперсии, т.
,где 
— коэффициент дисперсии, или число Аббе.
, где 
и 
— углы преломления лучей в жидкости и призме соответственно. угол преломления также увеличивается и достигает максимального значения 
, когда 
, т.
. Таким образом, выходящие из призмы 2 лучи ограничены определенным углом 
.
которых меньше показателя преломления 
призмы 2, следовательно, лучи всех направлений, преломившиеся на границе жидкости и стекла, войдут в призму..
концентрации раствора NaCl
, данного лаборантом
Деградации, Индекс
Индекс
От чего зависит показатель преломления вещества?
Индекс
Общительности, Индекс
Отбора, Индекс
Надежности, Индекс
Прогнозирования Эффективности, Индекс
Слова, Индекс
Строения Тела, Индекс
Что такое показатель преломления стекла? И когда его необходимо знать?
Величина показателя преломления зависит от
Принцип работы на рефрактометрах основан на определении показателя преломления методом предельного угла (угол полного отражения света).
Рефрактометр Аббе