Lekcja 25/III-1 Rozchodzenie się światła w różnych ośrodkach. Załamanie światła na granicy dwóch ośrodków.

Nauka nowego materiału.

Do tej pory rozważaliśmy rozchodzenie się światła w jednym ośrodku, jak zwykle – w powietrzu. Światło może rozchodzić się w różnych ośrodkach: przechodzić z jednego ośrodka do drugiego; w punktach padania promienie nie tylko odbijają się od powierzchni, ale także częściowo przez nią przechodzą. Takie przejścia powodują wiele pięknych i ciekawych zjawisk.

Zmianę kierunku propagacji światła przechodzącego przez granicę dwóch ośrodków nazywamy załamaniem światła.

Część wiązki światła padającej na granicę między dwoma przezroczystymi ośrodkami jest odbijana, a część przechodzi do innego ośrodka. W tym przypadku zmienia się kierunek wiązki światła, która przeszła do innego ośrodka. Dlatego zjawisko to nazywa się refrakcją, a wiązkę nazywa się załamaną.

1 - wiązka padająca

2 - wiązka odbita

3 – wiązka załamana α β

OO 1 - granica pomiędzy dwoma mediami

MN - prostopadły O O 1

Kąt utworzony przez wiązkę i prostopadłą do granicy między dwoma ośrodkami, obniżony do punktu padania wiązki, nazywany jest kątem załamania γ (gamma).

Światło w próżni porusza się z prędkością 300 000 km/s. W dowolnym ośrodku prędkość światła jest zawsze mniejsza niż w próżni. Dlatego też, gdy światło przechodzi z jednego ośrodka do drugiego, jego prędkość maleje i to jest przyczyną załamania światła. Im mniejsza prędkość propagacji światła w danym ośrodku, tym większa jest gęstość optyczna tego ośrodka. Na przykład powietrze ma większą gęstość optyczną niż próżnia, ponieważ prędkość światła w powietrzu jest nieco mniejsza niż w próżni. Gęstość optyczna wody jest większa niż gęstość optyczna powietrza, ponieważ prędkość światła w powietrzu jest większa niż w wodzie.

Im bardziej różnią się gęstości optyczne dwóch ośrodków, tym więcej światła załamuje się na ich styku. Im bardziej zmienia się prędkość światła na styku dwóch ośrodków, tym bardziej jest ono załamywane.

Dla każdej przezroczystej substancji istnieje tak ważna cecha fizyczna, jak współczynnik załamania światła N. Pokazuje, ile razy prędkość światła w danej substancji jest mniejsza niż w próżni.

Współczynnik załamania światła

Substancja		Substancja		Substancja
		sól kamienna		Terpentyna
		Olejek cedrowy		Etanol
Glicerol		Pleksiglas		Szkło (jasne)
		dwusiarczek węgla

Stosunek kąta padania do kąta załamania zależy od gęstości optycznej każdego ośrodka. Jeżeli wiązka światła przechodzi z ośrodka o mniejszej gęstości optycznej do ośrodka o większej gęstości optycznej, wówczas kąt załamania będzie mniejszy niż kąt padania. Jeśli wiązka światła przechodzi z ośrodka o większej gęstości optycznej, wówczas kąt załamania będzie mniejszy niż kąt padania. Jeżeli wiązka światła przechodzi z ośrodka o większej gęstości optycznej do ośrodka o mniejszej gęstości optycznej, to kąt załamania jest większy od kąta padania.

To znaczy, jeśli n 1 γ; jeśli n 1 > n 2 , to α<γ.

Prawo załamania światła :

Wiązka padająca, wiązka załamana i prostopadła do granicy między dwoma ośrodkami w punkcie padania wiązki leżą w tej samej płaszczyźnie.

Stosunki kąta padania i kąta załamania określa wzór.

gdzie jest sinusem kąta padania, jest sinusem kąta załamania.

Wartość sinusów i tangensów dla kątów 0 - 900

stopni			stopni			stopni

Prawo załamania światła po raz pierwszy sformułował holenderski astronom i matematyk W. Snelius około 1626 roku, profesor uniwersytetu w Lejdzie (1613).

W XVI wieku optyka była nauką ultranowoczesną: ze szklanej kuli wypełnionej wodą, która służyła za soczewkę, powstało szkło powiększające. I z niego wynaleźli lunetę i mikroskop. W tamtym czasie Holandia potrzebowała teleskopów, aby móc oglądać wybrzeże i szybko uciekać przed wrogami. To właśnie optyka zapewniła sukces i niezawodność nawigacji. Dlatego w Holandii wielu naukowców interesowało się optyką. Holender Skel Van Royen (Snelius) zaobserwował, jak cienka wiązka światła odbija się w lustrze. Zmierzył kąt padania i kąt odbicia i stwierdził, że kąt odbicia jest równy kątowi padania. Jest także właścicielem praw odbicia światła. Wyprowadził prawo załamania światła.

Rozważmy prawo załamania światła.

W nim - względny współczynnik załamania światła drugiego ośrodka w stosunku do pierwszego, w przypadku, gdy drugi ma wysoką gęstość optyczną. Jeżeli światło załamuje się i przechodzi przez ośrodek o mniejszej gęstości optycznej, to α< γ, тогда

Jeśli pierwszym ośrodkiem jest próżnia, wówczas n 1 = 1.

Współczynnik ten nazywany jest bezwzględnym współczynnikiem załamania światła drugiego ośrodka:

gdzie jest prędkością światła w próżni, prędkością światła w danym ośrodku.

Konsekwencją załamania światła w atmosferze ziemskiej jest to, że widzimy Słońce i gwiazdy nieco powyżej ich rzeczywistego położenia. Załamanie światła może wyjaśnić występowanie miraży, tęczy… zjawisko załamania światła jest podstawą zasady działania numerycznych urządzeń optycznych: mikroskopu, teleskopu, kamery.

Przejdźmy do bardziej szczegółowego rozważenia współczynnika załamania światła wprowadzonego przez nas w § 81 przy formułowaniu prawa załamania światła.

Współczynnik załamania światła zależy od właściwości optycznych oraz ośrodka, z którego wiązka spada, oraz ośrodka, w którym przenika. Współczynnik załamania uzyskany, gdy światło z próżni pada na ośrodek, nazywany jest bezwzględnym współczynnikiem załamania światła tego ośrodka.

Ryż. 184. Względny współczynnik załamania światła dwóch ośrodków:

Niech bezwzględny współczynnik załamania światła pierwszego ośrodka będzie wynosił, a drugiego ośrodka - . Rozważając załamanie na granicy ośrodka pierwszego i drugiego, upewniamy się, że współczynnik załamania światła podczas przejścia z ośrodka pierwszego do drugiego, tzw. względny współczynnik załamania światła, jest równy stosunkowi bezwzględnych współczynników załamania światła drugie i pierwsze medium:

(ryc. 184). I odwrotnie, przechodząc z drugiego ośrodka do pierwszego, mamy względny współczynnik załamania światła

Nawiązane połączenie pomiędzy wskaźnik względny załamanie dwóch ośrodków i ich bezwzględne współczynniki załamania światła można również wyprowadzić teoretycznie, bez nowych eksperymentów, tak jak można to zrobić dla prawa odwracalności (§82),

O ośrodku o wyższym współczynniku załamania światła mówi się, że jest optycznie gęstszy. Zwykle mierzy się współczynnik załamania światła różnych ośrodków w stosunku do powietrza. Wskaźnik absolutny załamanie powietrza jest równe. Zatem bezwzględny współczynnik załamania światła dowolnego ośrodka jest powiązany ze wzorem za pomocą jego współczynnika załamania światła w stosunku do powietrza

Tabela 6. Współczynnik załamania światła różnych substancji w stosunku do powietrza

Współczynnik załamania światła zależy od długości fali światła, czyli od jego koloru. Różne kolory odpowiadają różnym współczynnikom załamania światła. Zjawisko to, zwane dyspersją, odgrywa ważną rolę w optyce. Zajmiemy się tym zjawiskiem wielokrotnie w późniejszych rozdziałach. Dane podane w tabeli. 6, patrz żółte światło.

Warto zauważyć, że prawo odbicia można formalnie zapisać w tej samej formie, co prawo załamania światła. Przypomnijmy, że zgodziliśmy się zawsze mierzyć kąty od prostopadłej do odpowiedniej półprostej. Dlatego musimy wziąć pod uwagę, że kąt padania i kąt odbicia mają przeciwne znaki, tj. prawo odbicia można zapisać jako

Porównując (83.4) z prawem załamania, widzimy, że prawo odbicia można uznać za szczególny przypadek prawa załamania w . To formalne podobieństwo praw odbicia i załamania jest bardzo przydatne w rozwiązywaniu problemów praktycznych.

W poprzedniej prezentacji współczynnik załamania światła miał znaczenie stałej ośrodka, niezależnej od natężenia przechodzącego przez nie światła. Taka interpretacja współczynnika załamania światła jest całkiem naturalna, jednak w przypadku dużych natężeń promieniowania osiągalnych przy użyciu nowoczesnych laserów nie ma uzasadnienia. Właściwości ośrodka, przez który przechodzi silne promieniowanie świetlne, zależą w tym przypadku od jego natężenia. Jak mówią, medium staje się nieliniowe. Nieliniowość ośrodka objawia się w szczególności tym, że fala świetlna o dużym natężeniu zmienia współczynnik załamania światła. Zależność współczynnika załamania światła od natężenia promieniowania ma postać

Tutaj jest to zwykły współczynnik załamania światła, a jest nieliniowym współczynnikiem załamania światła i jest współczynnikiem proporcjonalności. Dodatkowy wyraz w tym wzorze może być dodatni lub ujemny.

Względne zmiany współczynnika załamania światła są stosunkowo niewielkie. Dla nieliniowego współczynnika załamania światła. Jednak nawet tak niewielkie zmiany współczynnika załamania światła są zauważalne: objawiają się osobliwym zjawiskiem samoogniskowania światła.

Rozważmy ośrodek o dodatnim nieliniowym współczynniku załamania światła. W tym przypadku obszary o zwiększonym natężeniu światła są jednocześnie obszarami o podwyższonym współczynniku załamania światła. Zwykle w rzeczywistym promieniowaniu laserowym rozkład natężenia w przekroju wiązki jest nierównomierny: natężenie jest maksymalne wzdłuż osi i płynnie maleje w kierunku krawędzi wiązki, jak pokazano na rys. 185 solidnych krzywizn. Podobny rozkład opisuje także zmianę współczynnika załamania światła w przekroju poprzecznym komórki z ośrodkiem nieliniowym, wzdłuż osi której rozchodzi się wiązka lasera. Współczynnik załamania światła, największy wzdłuż osi komórki, stopniowo maleje w kierunku jej ścian (krzywe przerywane na ryc. 185).

Wiązka promieni wychodząca z lasera równolegle do osi, wpadająca do ośrodka o zmiennym współczynniku załamania światła, jest odchylana w kierunku, w którym jest on większy. Dlatego zwiększone natężenie w sąsiedztwie komórki OSP prowadzi do koncentracji promieni świetlnych w tym obszarze, co pokazano schematycznie na przekrojach oraz na rys. 185, a to prowadzi do dalszego wzrostu . Ostatecznie efektywny przekrój poprzeczny wiązki światła przechodzącej przez ośrodek nieliniowy znacznie się zmniejsza. Światło przechodzi jakby przez wąski kanał o podwyższonym współczynniku załamania światła. W ten sposób wiązka lasera zwęża się, a ośrodek nieliniowy działa jak soczewka skupiająca pod wpływem intensywnego promieniowania. Zjawisko to nazywa się samoogniskowaniem. Można to zaobserwować na przykład w ciekłym nitrobenzenie.

Ryż. 185. Rozkład natężenia promieniowania i współczynnika załamania światła w przekroju wiązki lasera na wejściu do kuwety (a), w pobliżu końca wejściowego (), w środku (), w pobliżu końca wyjściowego kuwety ()

Wyznaczanie współczynnika załamania światła ciał przezroczystych

I płyny

Instrumenty i akcesoria: mikroskop z filtrem świetlnym, płytka płasko-równoległa ze znakiem AB w kształcie krzyża; marka refraktometru „RL”; zestaw płynów.

Cel pracy: wyznaczać współczynniki załamania światła szkła i cieczy.

Oznaczanie współczynnika załamania światła szkła za pomocą mikroskopu

Aby określić współczynnik załamania światła przezroczystej bryły, stosuje się płasko-równoległą płytkę wykonaną z tego materiału ze znacznikiem.

Znak składa się z dwóch wzajemnie prostopadłych rys, z których jedna (A) naniesiona jest na spód, a druga (B) na górną powierzchnię tablicy. Płytkę oświetla się światłem monochromatycznym i bada pod mikroskopem. NA
Ryż. Na rys. 4.7 przedstawiono przekrój badanej płyty przez płaszczyznę pionową.

Promienie AD i AE po załamaniu na granicy faz szkło-powietrze biegną w kierunkach DD1 i EE1 i wpadają do obiektywu mikroskopu.

Obserwator patrzący na płytę z góry widzi punkt A na przecięciu ciągów promieni DD1 i EE1, tj. w punkcie C.

Zatem punkt A wydaje się obserwatorowi znajdować się w punkcie C. Znajdźmy zależność pomiędzy współczynnikiem załamania światła n materiału płyty, grubością d i pozorną grubością płyty d1.

4.7 widać, że VD \u003d BCtgi, BD \u003d ABtgr, skąd

tgi/tgr = AB/BC,

gdzie AB = d jest grubością blachy; BC = d1 pozorna grubość blachy.

Jeśli kąty i i r są małe, to

Sini/Sinr = tgi/tgr, (4,5)

te. Sini/Sinr = d/d1.

Uwzględniając prawo załamania światła, otrzymujemy

Pomiaru d/d1 dokonuje się za pomocą mikroskopu.

Układ optyczny mikroskopu składa się z dwóch układów: układu obserwacyjnego, na który składa się obiektyw i okular zamontowany w tubusie, oraz układu oświetlenia, składającego się z lustra i wyjmowanego filtra światła. Ostrość obrazu odbywa się poprzez obracanie uchwytów znajdujących się po obu stronach tubusu.

Na osi prawego rękojeści znajduje się krążek ze skalą kończynową.

Odczyt b na kończynie względem nieruchomej wskazówki określa odległość h od obiektywu do stolika mikroskopu:

Współczynnik k wskazuje, na jaką wysokość przesunie się tubus mikroskopu, gdy uchwyt zostanie obrócony o 1°.

Średnica obiektywu w tym ustawieniu jest mała w porównaniu z odległością h, więc najbardziej zewnętrzna wiązka wpadająca do obiektywu tworzy mały kąt i z osią optyczną mikroskopu.

Kąt załamania światła r w płycie jest mniejszy niż kąt i, tj. jest również mała, co odpowiada warunkowi (4.5).

Porządek pracy

1. Umieścić płytkę na stoliku mikroskopu tak, aby punkt przecięcia pociągnięć A i B (patrz ryc.

Współczynnik załamania światła

4.7) znajdował się w polu widzenia.

2. Obróć uchwyt mechanizmu podnoszącego, aby podnieść rurę do najwyższego położenia.

3. Patrząc przez okular, powoli opuszczaj tubus mikroskopu, obracając uchwyt, aż w polu widzenia uzyskany zostanie wyraźny obraz zarysowania B, naniesionego na górną powierzchnię płytki. Zapisz wskazanie b1 kończyny, które jest proporcjonalne do odległości h1 od obiektywu mikroskopu do górnej krawędzi płytki: h1 = kb1 (ryc.

4. Kontynuuj płynne opuszczanie rurki, aż do uzyskania wyraźnego obrazu rysy A, która wydaje się obserwatorowi znajdującemu się w punkcie C. Zanotuj nowy odczyt b2 rąbka. Odległość h1 od obiektywu do górnej powierzchni płytki jest proporcjonalna do b2:
h2 = kb2 (ryc. 4.8, b).

Odległości punktów B i C od soczewki są równe, gdyż obserwator widzi je równie wyraźnie.

Przemieszczenie rury h1-h2 jest równe pozornej grubości płyty (ryc.

d1 = h1-h2 = (b1-b2)k. (4,8)

5. Zmierz grubość blachy d na przecięciu pociągnięć. W tym celu pod płytkę testową 1 należy umieścić pomocniczą płytkę szklaną 2 (ryc. 4.9) i opuścić tubus mikroskopu, aż soczewka (lekko) dotknie płytki testowej. Zwróć uwagę na oznaczenie kończyny a1. Wyjmij badaną płytkę i opuść tubus mikroskopu, aż obiektyw dotknie płytki 2.

Uwaga wskazanie a2.

Jednocześnie obiektyw mikroskopu opadnie na wysokość równą grubości badanej płytki, tj.

d = (a1-a2)k. (4,9)

6. Oblicz współczynnik załamania światła materiału płyty, korzystając ze wzoru

n = d/d1 = (a1-a2)/(b1-b2). (4.10)

7. Powtórz wszystkie powyższe pomiary 3-5 razy, oblicz wartość średnią n, błędy bezwzględne i względne rn i rn/n.

Oznaczanie współczynnika załamania światła cieczy za pomocą refraktometru

Przyrządy służące do określania współczynników załamania światła nazywane są refraktometrami.

Widok ogólny i schemat optyczny refraktometru RL przedstawiono na rys. 2. 4.10 i 4.11.

Pomiar współczynnika załamania cieczy za pomocą refraktometru RL opiera się na zjawisku załamania światła przechodzącego przez granicę faz pomiędzy dwoma ośrodkami o różnych współczynnikach załamania światła.

Wiązka światła (ryc.

4.11) ze źródła 1 (żarówki lub rozproszonego światła dziennego) za pomocą zwierciadła 2 kieruje się przez okienko w obudowie przyrządu na podwójny pryzmat składający się z pryzmatów 3 i 4, które są wykonane ze szkła o współczynniku załamania światła z 1,540.

Powierzchnia AA górnego pryzmatu oświetleniowego 3 (ryc.

4.12, a) matowy i służy do rozświetlenia rozproszonego światła nałożonego płynu cienka warstwa w szczelinie pomiędzy pryzmatami 3 i 4. Światło rozproszone przez matową powierzchnię 3 przechodzi przez płasko-równoległą warstwę badanej cieczy i pada na ukośną krawędź materiału wybuchowego dolnego pryzmatu 4 pod różnymi
kąty i w zakresie od zera do 90°.

Aby uniknąć zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia światła od powierzchni wybuchowej, współczynnik załamania badanej cieczy powinien być mniejszy od współczynnika załamania szkła pryzmatu 4, tj.

mniej niż 1540.

Wiązkę światła o kącie padania 90° nazywa się wiązką ślizgową.

Wiązka ślizgowa załamana na granicy faz ciecz-szkło przejdzie do pryzmatu 4 przy granicznym kącie załamania R itp< 90о.

Załamanie belki ślizgowej w punkcie D (patrz rysunek 4.12, a) jest zgodne z prawem

nst / nzh \u003d sinipr / sinrpr (4.11)

lub nzh = nstsinrpr, (4.12)

ponieważ sinipr = 1.

Na powierzchni BC pryzmatu 4 promienie świetlne ulegają ponownemu załamaniu

Sini¢pr/sinr¢pr = 1/ nst, (4.13)

r¢pr+i¢pr = i¢pr =a , (4.14)

gdzie a jest załamującą wiązką pryzmatu 4.

Rozwiązując łącznie układ równań (4.12), (4.13), (4.14) możemy otrzymać wzór wiążący współczynnik załamania nzh badanej cieczy z granicznym kątem załamania r'pr wiązki wychodzącej z pryzmat 4:

Jeśli na drodze promieni wychodzących z pryzmatu 4 umieścimy lunetę, wówczas dolna część jej pola widzenia będzie oświetlona, ​​a górna ciemna. Granicę między polami jasnymi i ciemnymi tworzą promienie o ograniczającym kącie załamania r¢pr. W tym układzie nie ma promieni o kącie załamania mniejszym niż r¢pr (ryc.

Dlatego wartość r¢pr i położenie granicy światłocienia zależą tylko od współczynnika załamania światła nzh badanej cieczy, ponieważ nst i a są wartościami stałymi w tym urządzeniu.

Znając nst, a i r¢pr, można obliczyć nzh za pomocą wzoru (4.15). W praktyce do wzorcowania skali refraktometru stosuje się wzór (4.15).

W skali 9 (patrz

Ryż. 4.11), po lewej stronie wykreślono wartości współczynnika załamania światła dla ld = 5893 Å. Przed okularem 10 - 11 znajduje się płytka 8 z oznaczeniem (--).

Przesuwając okular wraz z płytką 8 po skali, można uzyskać zrównanie znacznika z linią podziału pomiędzy ciemnym i jasnym polem widzenia.

Podział skali 9, pokrywający się ze znakiem, daje wartość współczynnika załamania światła nzh badanej cieczy. Obiektyw 6 i okular 10-11 tworzą teleskop.

Pryzmat obrotowy 7 zmienia przebieg wiązki światła kierując ją w stronę okularu.

Ze względu na dyspersję szkła i badanej cieczy, zamiast wyraźnej linii podziału pomiędzy polami ciemnymi i jasnymi, obserwowane w świetle białym uzyskuje się opalizujący pasek. Aby wyeliminować ten efekt, przed obiektywem teleskopu montowany jest kompensator dyspersji 5. Główną częścią kompensatora jest pryzmat, który jest sklejony z trzech pryzmatów i może obracać się względem osi lunety.

Kąty załamania pryzmatu i jego materiał dobiera się tak, aby światło żółte o długości fali ld = 5893 Å przechodziło przez nie bez załamania. Jeśli na drodze kolorowych promieni zainstaluje się pryzmat kompensacyjny, tak aby jego rozproszenie było równe co do wielkości, ale miało przeciwny znak do rozproszenia pryzmatu pomiarowego i cieczy, wówczas całkowite rozproszenie będzie równe zeru. W takim przypadku wiązka promieni świetlnych zbierze się w białą wiązkę, której kierunek pokrywa się z kierunkiem ograniczającej żółtej wiązki.

Zatem, gdy pryzmat kompensacyjny się obraca, kolor odcienia koloru zostaje wyeliminowany. Wraz z pryzmatem 5 ramię dyspersyjne 12 obraca się względem nieruchomej wskazówki (patrz ryc. 4.10). Kąt obrotu Z ramienia pozwala ocenić wartość średniego rozproszenia badanej cieczy.

Skala zegarowa musi być wyskalowana. Harmonogram jest dołączony do instalacji.

Porządek pracy

1. Podnieś pryzmat 3, umieść 2-3 krople cieczy testowej na powierzchni pryzmatu 4 i opuść pryzmat 3 (patrz rys. 4.10).

3. Celując oczami, uzyskaj ostry obraz skali i granicy pól widzenia.

4. Obracając uchwytem 12 kompensatora 5, zniszcz kolorowe zabarwienie granicy pól widzenia.

Przesuwając okular po skali, zrównaj znacznik (--) z granicą pola ciemnego i jasnego i zanotuj wartość wskaźnika cieczy.

6. Zbadaj proponowany zestaw cieczy i oceń błąd pomiaru.

7. Po każdym pomiarze przetrzeć powierzchnię pryzmatów bibułą filtracyjną zamoczoną w wodzie destylowanej.

Pytania kontrolne

opcja 1

Zdefiniuj bezwzględny i względny współczynnik załamania światła ośrodka.

2. Narysuj drogę promieni przez interfejs dwóch ośrodków (n2>n1 i n2< n1).

3. Znajdź zależność łączącą współczynnik załamania światła n z grubością d i pozorną grubością d¢ płyty.

4. Zadanie. Graniczny kąt całkowitego wewnętrznego odbicia dla jakiejś substancji wynosi 30°.

Znajdź współczynnik załamania światła tej substancji.

Odpowiedź: n=2.

Opcja 2

1. Na czym polega zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia?

2. Opisać budowę i zasadę działania refraktometru RL-2.

3. Wyjaśnić rolę kompensatora w refraktometrze.

4. Zadanie. Żarówkę opuszcza się ze środka okrągłej tratwy na głębokość 10 m. Znajdź minimalny promień tratwy, przy czym żaden promień z żarówki nie powinien dotrzeć do powierzchni.

Odpowiedź: R = 11,3 m.

WSPÓŁCZYNNIK ZAŁAMANIA ŚWIATŁA, Lub WSPÓŁCZYNNIK REFRAKCJI, jest abstrakcyjną liczbą charakteryzującą siłę załamania światła w ośrodku przezroczystym. Współczynnik załamania światła oznacza się łacińską literą π i definiuje się go jako stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania wiązki światła wchodzącego z pustki do danego ośrodka przezroczystego:

n = sin α/sin β = const lub jako stosunek prędkości światła w próżni do prędkości światła w danym przezroczystym ośrodku: n = c/νλ od pustki do danego przezroczystego ośrodka.

Współczynnik załamania światła jest uważany za miarę gęstości optycznej ośrodka

Wyznaczony w ten sposób współczynnik załamania światła nazywany jest bezwzględnym współczynnikiem załamania światła, w przeciwieństwie do względnego współczynnika załamania światła.

e. pokazuje, ile razy zmniejsza się prędkość propagacji światła po przejściu jego współczynnika załamania światła, co jest określone przez stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania przy przejściu wiązki z ośrodka jednej gęstości do ośrodka o innej gęstości. Względny współczynnik załamania jest równy stosunkowi bezwzględnych współczynników załamania światła: n = n2/n1, gdzie n1 i n2 są bezwzględnymi współczynnikami załamania światła pierwszego i drugiego ośrodka.

Bezwzględny współczynnik załamania światła wszystkich ciał - stałych, ciekłych i gazowych - jest większy niż jeden i waha się od 1 do 2, a wartość 2 tylko w rzadkich przypadkach przekracza.

Współczynnik załamania światła zależy zarówno od właściwości ośrodka, jak i od długości fali światła i rośnie wraz ze zmniejszaniem się długości fali.

Dlatego do litery p przypisany jest indeks, wskazujący, do jakiej długości fali odnosi się wskaźnik.

WSPÓŁCZYNNIK ZAŁAMANIA ŚWIATŁA

Przykładowo dla szkła TF-1 współczynnik załamania światła w czerwonej części widma wynosi nC=1,64210, a w fioletowej nG’=1,67298.

Współczynniki załamania światła niektórych ciał przezroczystych

Powietrze - 1,000292

Woda - 1334

Eter - 1358

Alkohol etylowy - 1,363

Gliceryna - 1, 473

Szkło organiczne (pleksi) - 1, 49

Benzen - 1,503

(Szkło koronowe - 1.5163

Jodła (kanadyjska), balsam 1,54

Ciężkie szkło koronowe - 1, 61 26

Szkło krzemienne - 1.6164

Dwusiarczek węgla - 1,629

Krzemień szklany ciężki - 1, 64 75

Monobromonaftalen - 1,66

Szkło jest najcięższym krzemieniem - 1,92

Diament - 2,42

Różnica współczynnika załamania światła dla różnych części widma jest przyczyną chromatyzmu, tj.

rozkład światła białego podczas przejścia przez części załamujące - soczewki, pryzmaty itp.

Laboratorium nr 41

Oznaczanie współczynnika załamania światła cieczy za pomocą refraktometru

Cel pracy: wyznaczanie współczynnika załamania cieczy metodą całkowitego wewnętrznego odbicia z wykorzystaniem refraktometru IRF-454B; badanie zależności współczynnika załamania światła roztworu od jego stężenia.

Opis instalacji

Kiedy światło niemonochromatyczne ulega załamaniu, zostaje ono rozłożone na kolory składowe, tworząc widmo.

Zjawisko to wynika z zależności współczynnika załamania światła substancji od częstotliwości (długości fali) światła i nazywa się rozproszeniem światła.

Zwyczajowo charakteryzuje się moc refrakcyjną ośrodka za pomocą współczynnika załamania światła przy długości fali λ \u003d 589,3 nm (średnia długości fal dwóch bliskich żółtych linii w widmie par sodu).

60. Jakie metody wyznaczania stężenia substancji w roztworze stosuje się w analizie absorpcji atomowej?

Ten współczynnik załamania światła jest oznaczony ND.

Miarą wariancji jest średnia wariancja, zdefiniowana jako różnica ( NF-NC), Gdzie NF jest współczynnikiem załamania światła substancji przy danej długości fali λ = 486,1 nm (niebieska linia w widmie wodoru), NC jest współczynnikiem załamania światła substancji λ - 656,3 nm (czerwona linia w widmie wodoru).

Załamanie substancji charakteryzuje się wartością względnego rozproszenia: W podręcznikach zwykle podaje się odwrotność względnego rozproszenia, tj.

e., gdzie jest współczynnikiem dyspersji lub liczbą Abbego.

Urządzenie do określania współczynnika załamania światła cieczy składa się z refraktometru IRF-454B z granicami pomiarowymi wskaźnika; refrakcja ND w zakresie od 1,2 do 1,7; płyn testowy, chusteczki do wycierania powierzchni pryzmatów.

Refraktometr IRF-454B to przyrząd badawczy przeznaczony do bezpośredniego pomiaru współczynnika załamania światła cieczy, a także do określenia średniego rozproszenia cieczy w laboratorium.

Zasada działania urządzenia IRF-454B opiera się na zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia światła.

Schemat ideowy urządzenia pokazano na ryc. 1.

Badaną ciecz umieszcza się pomiędzy dwiema ścianami pryzmatu 1 i 2. Pryzmat 2 z dobrze wypolerowanym czołem AB mierzy, a pryzmat 1 ma matową twarz A1 W1 - oświetlenie. Promienie ze źródła światła padają na krawędź A1 Z1 , załamują się, spadają na matową powierzchnię A1 W1 i rozproszone przez tę powierzchnię.

Następnie przechodzą przez warstwę badanej cieczy i opadają na powierzchnię. AB pryzmaty 2.

Zgodnie z prawem załamania, gdzie i są kątami załamania promieni odpowiednio w cieczy i pryzmacie.

Wraz ze wzrostem kąta padania zwiększa się również kąt załamania i osiąga maksymalną wartość, gdy , tj.

e. gdy promień cieczy ślizga się po powierzchni AB. Stąd, . Zatem promienie wychodzące z pryzmatu 2 są ograniczone do pewnego kąta.

Promienie wychodzące z cieczy do pryzmatu 2 pod dużymi kątami ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu na granicy faz AB i nie przechodzić przez pryzmat.

Na rozważanym urządzeniu badane są ciecze, których współczynnik załamania światła jest mniejszy niż współczynnik załamania pryzmatu 2, dlatego promienie wszystkich kierunków załamane na granicy cieczy i szkła wejdą do pryzmatu.

Oczywiście część pryzmatu odpowiadająca nieprzepuszczonym promieniom zostanie przyciemniona. W teleskopie 4, umieszczonym na drodze promieni wychodzących z pryzmatu, można zaobserwować podział pola widzenia na część jasną i ciemną.

Obracając układ pryzmatów 1-2, granica pola jasnego i ciemnego łączy się z krzyżem gwintów okularu teleskopu. Układ pryzmatów 1-2 powiązany jest ze skalą skalibrowaną w wartościach współczynnika załamania światła.

Skala znajduje się w dolnej części pola widzenia rury i po połączeniu przekroju pola widzenia z krzyżem gwintów podaje odpowiednią wartość współczynnika załamania cieczy.

Ze względu na rozproszenie powierzchnia pola widzenia w świetle białym będzie zabarwiona. W celu wyeliminowania zabarwienia, a także określenia średniego rozproszenia substancji badanej stosuje się kompensator 3, składający się z dwóch układów klejonych pryzmatów bezpośredniego widzenia (pryzmatów Amiciego).

Pryzmaty można obracać jednocześnie różne strony z precyzyjnym obrotem urządzenie mechaniczne, zmieniając w ten sposób rozproszenie własne kompensatora i eliminując zabarwienie granicy pola widzenia obserwowanego przez układ optyczny. 4. Do kompensatora podłączony jest bęben ze skalą, według którego wyznacza się parametr dyspersji, który pozwala obliczyć średnie rozproszenie substancji.

Porządek pracy

Ustaw urządzenie tak, aby światło ze źródła (żarówki) trafiało do oświetlającego pryzmatu i równomiernie oświetlało pole widzenia.

2. Otwórz pryzmat pomiarowy.

Za pomocą szklanego pręta nanieś na jego powierzchnię kilka kropel wody i ostrożnie zamknij pryzmat. Szczelinę pomiędzy pryzmatami należy równomiernie wypełnić cienką warstwą wody (zwróć na to szczególną uwagę).

Za pomocą śruby urządzenia ze skalą wyeliminuj zabarwienie pola widzenia i uzyskaj wyraźną granicę między światłem a cieniem. Wyrównaj go za pomocą kolejnej śrubki z krzyżem referencyjnym okularu urządzenia. Określ współczynnik załamania światła wody w skali okularu z dokładnością do tysięcznej.

Uzyskane wyniki porównaj z danymi referencyjnymi dla wody. Jeżeli różnica pomiędzy zmierzonym i tabelarycznym współczynnikiem załamania światła nie przekracza ± 0,001, oznacza to, że pomiar został wykonany prawidłowo.

Ćwiczenie 1

1. Przygotuj rozwiązanie sól kuchenna (NaCl) o stężeniu bliskim granicy rozpuszczalności (na przykład C = 200 g/litr).

Zmierz współczynnik załamania światła powstałego roztworu.

3. Rozcieńczając roztwór liczbę całkowitą, uzyskaj zależność wskaźnika; załamanie od stężenia roztworu i uzupełnij tabelę. 1.

Tabela 1

Ćwiczenia. Jak uzyskać jedynie przez rozcieńczenie stężenie roztworu równe 3/4 wartości maksymalnej (początkowej)?

Wykres zależności wykresu n=n(C). Dalsze przetwarzanie danych eksperymentalnych powinno odbywać się zgodnie z zaleceniami nauczyciela.

Przetwarzanie danych eksperymentalnych

a) Metoda graficzna

Z wykresu określ nachylenie W, który w warunkach eksperymentu będzie charakteryzował substancję rozpuszczoną i rozpuszczalnik.

2. Wyznacz stężenie roztworu korzystając z wykresu NaCl podane przez asystenta laboratoryjnego.

b) Metoda analityczna

Oblicz metodą najmniejszych kwadratów A, W I SB.

Według znalezionych wartości A I W określić średnią wartość stężenia roztworu NaCl podane przez asystenta laboratoryjnego

Pytania kontrolne

rozproszenie światła. Jaka jest różnica między dyspersją normalną a nienormalną?

2. Na czym polega zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia?

3. Dlaczego przy tej konfiguracji nie można zmierzyć współczynnika załamania światła cieczy większego niż współczynnik załamania pryzmatu?

4. Dlaczego twarz pryzmatu A1 W1 zrobić matowy?

Degradacja, indeks

Encyklopedia psychologiczna

Sposób na ocenę stopnia degradacji psychicznej! funkcje mierzone testem Wexlera-Bellevue’a. Indeks opiera się na obserwacji, że poziom rozwoju niektórych zdolności mierzonych testem zmniejsza się wraz z wiekiem, a innych nie.

Indeks

Encyklopedia psychologiczna

- indeks, rejestr nazwisk, tytułów itp. W psychologii - cyfrowy wskaźnik służący do kwantyfikacji, charakteryzacji zjawisk.

Od czego zależy współczynnik załamania światła substancji?

Indeks

Encyklopedia psychologiczna

1. Najbardziej ogólne znaczenie: wszystko, co służy do oznaczania, identyfikowania lub kierowania; wskazania, napisy, znaki lub symbole. 2. Wzór lub liczba, często wyrażana jako współczynnik, pokazująca pewien związek między wartościami lub pomiarami, albo między…

Towarzyskość, indeks

Encyklopedia psychologiczna

Cecha wyrażająca towarzyskość osoby. Na przykład socjogram pozwala między innymi ocenić towarzyskość różnych członków grupy.

Wybór, indeks

Encyklopedia psychologiczna

Wzór służący do oceny mocy konkretnego testu lub elementu testu w odróżnianiu osób od siebie.

Niezawodność, indeks

Encyklopedia psychologiczna

Statystyka, która pozwala oszacować korelację między rzeczywistymi wartościami uzyskanymi z testu a wartościami teoretycznie poprawnymi.

Wskaźnik ten podawany jest jako wartość r, gdzie r jest obliczonym współczynnikiem bezpieczeństwa.

Prognozowanie efektywności, indeks

Encyklopedia psychologiczna

Miara zakresu, w jakim wiedza o jednej zmiennej może zostać wykorzystana do przewidywania innej zmiennej, przy założeniu, że znana jest korelacja tych zmiennych. Zwykle w formie symbolicznej jest to wyrażane jako E, indeks jest reprezentowany jako 1 - ((...

Słowa, indeks

Encyklopedia psychologiczna

Ogólny termin określający jakąkolwiek systematyczną częstotliwość występowania słów w języku pisanym i/lub mówionym.

Często takie indeksy ograniczają się do konkretnych obszarów językowych, np. podręczników do pierwszej klasy, interakcji rodzic-dziecko. Znane są jednak szacunki...

Struktury ciała, indeks

Encyklopedia psychologiczna

Pomiar ciała zaproponowany przez Eysencka na podstawie stosunku wzrostu do obwodu klatki piersiowej.

Osoby w „normalnym” zakresie nazywano mezomorfami, te mieszczące się w odchyleniu standardowym lub powyżej średniej nazywano leptomorfami, a te mieszczące się w odchyleniu standardowym lub…

DO WYKŁADU №24

„INstrumentalne metody analizy”

REFRAKTOMETRIA.

Literatura:

1. V.D. Ponomariew” Chemia analityczna» 1983 246-251

2. AA Iszczenko „Chemia analityczna” 2004 s. 181-184

REFRAKTOMETRIA.

Refraktometria jest jedną z najprostszych metody fizyczne analiza z minimalną ilością analitu i przeprowadzana jest w bardzo krótkim czasie.

Refraktometria- metoda oparta na zjawisku załamania lub załamania tj.

zmiana kierunku rozchodzenia się światła przy przejściu z jednego ośrodka do drugiego.

Załamanie, a także absorpcja światła, jest konsekwencją jego oddziaływania z ośrodkiem.

Słowo refraktometria oznacza wymiar załamanie światła, które szacuje się na podstawie wartości współczynnika załamania światła.

Wartość współczynnika załamania światła N zależy

1) o składzie substancji i układów,

2) od w jakim stężeniu i jakie cząsteczki wiązka światła spotyka na swojej drodze, ponieważ

Pod wpływem światła cząsteczki różnych substancji polaryzują się na różne sposoby. Na tej zależności opiera się metoda refraktometryczna.

Ta metoda ma wiele zalet, w wyniku których odkrył szerokie zastosowanie zarówno w badaniach chemicznych, jak i kontroli procesów.

1) Pomiar współczynników załamania światła jest wysoki prosty proces, który odbywa się dokładnie i o godz minimalny koszt czas i ilość materii.

2) Zazwyczaj refraktometry zapewniają do 10% dokładności w określaniu współczynnika załamania światła i zawartości analitu

Metoda refraktometrii służy do kontroli autentyczności i czystości, identyfikacji poszczególnych substancji, określenia struktury związków organicznych i nieorganicznych w badaniu roztworów.

Refraktometria służy do określania składu roztworów dwuskładnikowych oraz do układów trójskładnikowych.

Fizyczne podstawy metody

WSKAŹNIK REFRAKCYJNY.

Odchylenie wiązki światła od jej pierwotnego kierunku podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego jest tym większe, im większa jest różnica w prędkościach propagacji światła w dwóch

te środowiska.

Rozważ załamanie wiązki światła na granicy dowolnych dwóch przezroczystych ośrodków I i II (patrz ryc.

Ryż.). Umówmy się, że ośrodek II ma większą siłę załamania światła i dlatego n1 I n2- pokazuje załamanie odpowiednich ośrodków. Jeżeli ośrodkiem I nie jest próżnia ani powietrze, to stosunek sin kąta padania wiązki światła do sin kąta załamania da wartość względnego współczynnika załamania n rel. Wartość n wzgl.

Jaki jest współczynnik załamania światła szkła? A kiedy warto wiedzieć?

można również zdefiniować jako stosunek współczynników załamania światła rozważanych ośrodków.

nrel. = —— = —

Wartość współczynnika załamania światła zależy od

1) charakter substancji

Charakter substancji w tym przypadku zależy od stopnia odkształcalności jej cząsteczek pod wpływem światła - stopnia polaryzowalności.

Im intensywniejsza polaryzowalność, tym silniejsze załamanie światła.

2)długość fali światła padającego

Pomiar współczynnika załamania światła przeprowadza się przy długości fali światła 589,3 nm (linia D widma sodu).

Zależność współczynnika załamania światła od długości fali światła nazywa się dyspersją.

Im krótsza długość fali, tym większe załamanie. Dlatego promienie o różnych długościach fal są załamywane w różny sposób.

3)temperatura w którym wykonywany jest pomiar. Warunek wstępny określenie współczynnika załamania światła to zgodność reżim temperaturowy. Typowo oznaczanie przeprowadza się w temperaturze 20±0,30C.

Wraz ze wzrostem temperatury współczynnik załamania światła maleje, a wraz ze spadkiem temperatury wzrasta..

Korektę temperaturową oblicza się ze wzoru:

nt=n20+ (20-t) 0,0002, gdzie

nie- Do widzenia współczynnik załamania światła w danej temperaturze,

n20 - współczynnik załamania światła przy 200С

Wpływ temperatury na wartości współczynników załamania gazów i cieczy związany jest z wartościami ich współczynników rozszerzalności objętościowej.

Objętość wszystkich gazów i cieczy wzrasta po podgrzaniu, gęstość maleje, a co za tym idzie, wskaźnik maleje

Współczynnik załamania mierzony w temperaturze 200°C i przy długości fali światła 589,3 nm jest oznaczony współczynnikiem nD20

Zależność współczynnika załamania jednorodnego układu dwuskładnikowego od jego stanu ustala się eksperymentalnie, wyznaczając współczynnik załamania światła dla szeregu układów standardowych (na przykład roztworów), w których zawartość składników jest znana.

4) stężenie substancji w roztworze.

Dla wielu wodnych roztworów substancji współczynniki załamania światła w różnych stężeniach i temperaturach zostały wiarygodnie zmierzone i w tych przypadkach można posłużyć się danymi referencyjnymi. tablice refraktometryczne.

Praktyka pokazuje, że gdy zawartość substancji rozpuszczonej nie przekracza 10-20%, w bardzo wielu przypadkach można zastosować metodę graficzną równanie liniowe typ:

n=nie+FC,

N- współczynnik załamania światła roztworu,

NIE jest współczynnikiem załamania światła czystego rozpuszczalnika,

C— stężenie rozpuszczonej substancji,%

F-współczynnik empiryczny, którego wartość zostaje znaleziona

poprzez określenie współczynników załamania światła roztworów o znanym stężeniu.

REFRAKTOMETRY.

Refraktometry to urządzenia służące do pomiaru współczynnika załamania światła.

Istnieją 2 typy tych instrumentów: refraktometr typu Abbego i typ Pulfricha. Zarówno w tych, jak i w innych pomiary opierają się na określeniu wielkości granicznego kąta załamania. W praktyce wykorzystuje się refraktometry różne systemy: laboratoryjne-RL, uniwersalne RLU itp.

Współczynnik załamania światła wody destylowanej n0 = 1,33299, w praktyce wskaźnik ten przyjmuje się jako odniesienie jako n0 =1,333.

Zasada działania refraktometrów opiera się na wyznaczaniu współczynnika załamania światła metodą kąta granicznego (kąta totalna refleksja Swieta).

Refraktometr ręczny

Refraktometr Abbego

Na lekcjach fizyki w ósmej klasie zapoznałeś się ze zjawiskiem załamania światła. Teraz już wiesz, że światło to fale elektromagnetyczne o określonym zakresie częstotliwości. Bazując na wiedzy o naturze światła, będziesz w stanie zrozumieć fizyczną przyczynę załamania światła i wyjaśnić wiele innych zjawisk świetlnych z tym związanych.

Ryż. 141. Przechodząc z jednego ośrodka do drugiego wiązka ulega załamaniu, tj. zmienia kierunek propagacji

Zgodnie z prawem załamania światła (ryc. 141):

• promienie padające, załamane i prostopadłe poprowadzone do granicy między dwoma ośrodkami w punkcie padania wiązki leżą w tej samej płaszczyźnie; stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla tych dwóch ośrodków

gdzie n 21 jest względnym współczynnikiem załamania światła drugiego ośrodka w stosunku do pierwszego.

Jeśli wiązka przechodzi do dowolnego ośrodka z próżni, to

gdzie n jest bezwzględnym współczynnikiem załamania światła (lub po prostu współczynnikiem załamania światła) drugiego ośrodka. W tym przypadku pierwszym „środowiskiem” jest próżnia, której bezwzględny wskaźnik przyjmuje się jako jeden.

Prawo załamania światła odkrył empirycznie holenderski naukowiec Willebord Snellius w 1621 roku. Prawo to zostało sformułowane w traktacie o optyce, który znalazł się w pracach naukowca po jego śmierci.

Po odkryciu Snella kilku naukowców postawiło hipotezę, że załamanie światła wynika ze zmiany jego prędkości, gdy przechodzi ono przez granicę dwóch ośrodków. Ważność tej hipotezy potwierdziły dowody teoretyczne przeprowadzone niezależnie przez francuskiego matematyka Pierre'a Fermata (w 1662 r.) i holenderskiego fizyka Christiana Huygensa (w 1690 r.). na różne sposoby doszli do tego samego rezultatu, udowadniając to

• stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest dla tych dwóch ośrodków wartością stałą, równą stosunkowi prędkości światła w tych ośrodkach:

Z równania (3) wynika, że ​​jeżeli kąt załamania β jest mniejszy od kąta padania a, to światło o danej częstotliwości w drugim ośrodku rozchodzi się wolniej niż w pierwszym, tj. V 2

Zależność wielkości zawartych w równaniu (3) stała się powodem pojawienia się innego sformułowania definicji względnego współczynnika załamania światła:

• względny współczynnik załamania światła drugiego ośrodka względem pierwszego jest wielkością fizyczną równą stosunkowi prędkości światła w tych ośrodkach:

n 21 \u003d v 1 / v 2 (4)

Niech wiązka światła przejdzie z próżni do jakiegoś ośrodka. Zastępując v1 w równaniu (4) prędkością światła w próżni c oraz v2 prędkością światła w ośrodku v, otrzymujemy równanie (5), które jest definicją bezwzględnego współczynnika załamania światła:

• bezwzględny współczynnik załamania światła ośrodka to wielkość fizyczna równa stosunkowi prędkości światła w próżni do prędkości światła w danym ośrodku:

Zgodnie z równaniami (4) i (5) n 21 pokazuje, ile razy zmienia się prędkość światła, gdy przechodzi z jednego ośrodka do drugiego, a n - kiedy przechodzi z próżni do ośrodka. Takie jest fizyczne znaczenie współczynników załamania światła.

Wartość bezwzględnego współczynnika załamania światła n dowolnej substancji jest większa od jedności (potwierdzają to dane zawarte w tabelach podręczników fizycznych). Wtedy zgodnie z równaniem (5) c/v > 1 i c > v, czyli prędkość światła w dowolnej substancji jest mniejsza niż prędkość światła w próżni.

Nie podając rygorystycznych uzasadnień (są one złożone i uciążliwe), zauważamy, że przyczyną spadku prędkości światła podczas przejścia z próżni do materii jest oddziaływanie fali świetlnej z atomami i cząsteczkami materii. Im większa gęstość optyczna substancji, tym silniejsze to oddziaływanie, tym mniejsza prędkość światła i większy współczynnik załamania światła. Zatem prędkość światła w ośrodku i bezwzględny współczynnik załamania światła są określone przez właściwości tego ośrodka.

Przez wartości liczbowe Współczynniki załamania światła substancji można porównać z ich gęstością optyczną. Na przykład współczynnik załamania światła różne odmiany okulary mieszczą się w przedziale od 1,470 do 2,040, a współczynnik załamania światła wody wynosi 1,333. Oznacza to, że szkło jest ośrodkiem optycznie gęstszym niż woda.

Przejdźmy do rysunku 142, za pomocą którego możemy wyjaśnić, dlaczego na granicy dwóch ośrodków wraz ze zmianą prędkości zmienia się także kierunek propagacji fali świetlnej.

Ryż. 142. Kiedy fale świetlne przechodzą z powietrza do wody, prędkość światła maleje, przód fali, a wraz z nią jej prędkość, zmieniają kierunek

Rysunek przedstawia falę świetlną przechodzącą z powietrza do wody i padającą na granicę między tymi ośrodkami pod kątem a. W powietrzu światło rozchodzi się z prędkością v 1 , a w wodzie z mniejszą prędkością v 2 .

Punkt A fali jako pierwszy dociera do granicy. W czasie Δt punkt B, poruszając się w powietrzu z tą samą prędkością v 1, dotrze do punktu B. „W tym samym czasie punkt A, poruszając się w wodzie z mniejszą prędkością v 2, pokona krótszą drogę , osiągając jedynie punkt A”. W tym przypadku tzw. czoło fali A „B” w wodzie zostanie obrócone pod pewnym kątem w stosunku do czoła fali AB w powietrzu. Natomiast wektor prędkości (który jest zawsze prostopadły do ​​czoła fali i pokrywa się z kierunkiem jej propagacji) obraca się, zbliżając się do linii prostej OO", prostopadłej do granicy ośrodków. W tym przypadku kąt załamania β jest mniejszy niż kąt padania α. W ten sposób następuje załamanie światła.

Z rysunku widać również, że po przejściu do innego ośrodka i obrocie czoła fali zmienia się również długość fali: po przejściu do ośrodka optycznie gęstszego prędkość maleje, długość fali również maleje (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.

pytania

1. Która z tych dwóch substancji jest gęstsza optycznie?
2. Jak wyznacza się współczynniki załamania światła w zależności od prędkości światła w ośrodkach?
3. Gdzie światło przemieszcza się najszybciej?
4. Jaka jest fizyczna przyczyna spadku prędkości światła przy przejściu z próżni do ośrodka lub z ośrodka o mniejszej gęstości optycznej do ośrodka o większej?
5. Co decyduje (tj. od czego zależą) bezwzględny współczynnik załamania światła ośrodka i prędkość światła w nim?
6. Wyjaśnij, co ilustruje rysunek 142.

Ćwiczenia

Załamanie nazywa się pewną abstrakcyjną liczbą, która charakteryzuje siłę załamania dowolnego przezroczystego ośrodka. Zwyczajowo oznacza się go n. Istnieją bezwzględny współczynnik załamania światła i współczynnik względny.

Pierwszą oblicza się za pomocą jednego z dwóch wzorów:

n = sin α / sin β = const (gdzie sin α jest sinusem kąta padania, a sin β jest sinusem wiązki światła wchodzącej do rozpatrywanego ośrodka z pustki)

n = c / υ λ (gdzie c to prędkość światła w próżni, υ λ to prędkość światła w badanym ośrodku).

Tutaj obliczenia pokazują, ile razy światło zmienia prędkość propagacji w momencie przejścia z próżni do ośrodka przezroczystego. W ten sposób wyznacza się współczynnik załamania światła (bezwzględny). Aby znaleźć krewnego, użyj wzoru:

Oznacza to, że uwzględniane są bezwzględne współczynniki załamania światła substancji o różnych gęstościach, takich jak powietrze i szkło.

Ogólnie rzecz biorąc w takim razie współczynniki bezwzględne wszelkie ciała, czy to gazowe, ciekłe czy stałe, są zawsze większe niż 1. Zasadniczo ich wartości wahają się od 1 do 2. Powyżej 2 wartość ta może wynosić tylko w wyjątkowych przypadkach. Wartość tego parametru dla niektórych środowisk:

Wartość ta w odniesieniu do najtwardszej naturalnej substancji na planecie, diamentu, wynosi 2,42. Bardzo często przy prowadzeniu badań naukowych itp. wymagana jest znajomość współczynnika załamania światła wody. Ten parametr wynosi 1,334.

Ponieważ długość fali jest wskaźnikiem, oczywiście nie stałym, do litery n przypisany jest indeks. Jego wartość pomaga zrozumieć, do której fali widma odnosi się ten współczynnik. Rozważając tę ​​samą substancję, ale wraz ze wzrostem długości fali światła współczynnik załamania światła będzie się zmniejszał. Ta okoliczność spowodowała rozkład światła na widmo podczas przejścia przez soczewkę, pryzmat itp.

Na podstawie wartości współczynnika załamania światła można na przykład określić, ile jednej substancji rozpuszcza się w drugiej. Przydaje się to np. przy warzeniu piwa lub gdy trzeba znać stężenie cukru, owoców czy jagód w soku. Wskaźnik ten jest również ważny przy określaniu jakości produktów naftowych oraz w biżuterii, gdy konieczne jest udowodnienie autentyczności kamienia itp.

Bez użycia jakiejkolwiek substancji skala widoczna w okularze instrumentu będzie całkowicie niebieska. Jeśli upuścisz na pryzmat zwykłej wody destylowanej, przy prawidłowej kalibracji instrumentu, granica niebieska i białe kwiaty pójdzie od razu do zera. Podczas badania innej substancji przesunie się ona wzdłuż skali w zależności od jej współczynnika załamania światła.

Załamanie światła- zjawisko, w którym wiązka światła przechodząc z jednego ośrodka do drugiego zmienia kierunek na granicy tych ośrodków.

Załamanie światła zachodzi zgodnie z następującym prawem:
Promienie padające i załamane oraz prostopadła poprowadzona do granicy dwóch ośrodków w punkcie padania wiązki leżą w tej samej płaszczyźnie. Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wartością stałą dla dwóch ośrodków:
,
Gdzie α - kąt padania,
β - kąt załamania
N - stałą wartość niezależną od kąta padania.

Kiedy zmienia się kąt padania, zmienia się również kąt załamania. Im większy kąt padania, tym większy kąt załamania.
Jeśli światło przechodzi z ośrodka optycznie rzadszego do ośrodka gęstszego, wówczas kąt załamania jest zawsze mniejszy niż kąt padania: β < α.
Wiązka światła skierowana prostopadle do granicy między dwoma ośrodkami przechodzi z jednego ośrodka do drugiego bez łamania.

bezwzględny współczynnik załamania światła substancji- wartość równa stosunkowi prędkości fazowych światła (fal elektromagnetycznych) w próżni i w danym ośrodku n=c/v
Wartość n zawarta w prawie załamania nazywa się względnym współczynnikiem załamania światła dla pary ośrodków.

Wartość n jest względnym współczynnikiem załamania światła ośrodka B względem ośrodka A, a n" = 1/n jest względnym współczynnikiem załamania ośrodka A względem ośrodka B.
Wartość ta, ceteris paribus, jest większa od jedności, gdy wiązka przechodzi z ośrodka gęstszego do ośrodka mniej gęstego i mniejsza od jedności, gdy wiązka przechodzi z ośrodka mniej gęstego do ośrodka gęstszego (na przykład z gazu lub z ośrodka próżnię do cieczy lub solidny). Istnieją wyjątki od tej reguły i dlatego zwyczajowo nazywa się ośrodek optycznie bardziej lub mniej gęsty niż inny.
Wiązka spadająca z pozbawionej powietrza przestrzeni na powierzchnię jakiegoś ośrodka B załamuje się silniej niż w przypadku padania na nią z innego ośrodka A; Współczynnik załamania światła padającego na ośrodek z przestrzeni pozbawionej powietrza nazywany jest jego bezwzględnym współczynnikiem załamania światła.

(Absolutny - w odniesieniu do próżni.
Względny - w stosunku do dowolnej innej substancji (na przykład tego samego powietrza).
Wskaźnik względny dwóch substancji jest stosunkiem ich wskaźników bezwzględnych.)

Całkowite wewnętrzne odbicie- odbicie wewnętrzne, pod warunkiem, że kąt padania przekracza pewien kąt krytyczny. W tym przypadku fala padająca zostaje całkowicie odbita, a wartość współczynnika odbicia przekracza jego największą wartość duże wartości do polerowanych powierzchni. Współczynnik odbicia całkowitego wewnętrznego odbicia nie zależy od długości fali.

W optyce zjawisko to obserwuje się dla szeroki zasięg promieniowanie elektromagnetyczne, w tym zakres rentgenowski.

W optyce geometrycznej zjawisko to wyjaśnia się za pomocą prawa Snella. Biorąc pod uwagę, że kąt załamania nie może przekraczać 90°, otrzymujemy, że przy kącie padania, którego sinus jest większy od stosunku mniejszego współczynnika załamania do większego, fala elektromagnetyczna powinna zostać całkowicie odbita do ośrodka pierwszego.

Zgodnie z falową teorią zjawiska, fala elektromagnetyczna przenika jednak do drugiego ośrodka - rozchodzi się tam tak zwana „fala niejednorodna”, która zanika wykładniczo i nie zabiera ze sobą energii. Charakterystyczna głębokość wnikania niejednorodnej fali do drugiego ośrodka jest rzędu długości fali.

Prawa załamania światła.

Z tego wszystkiego, co zostało powiedziane, wnioskujemy:
1 . Na styku dwóch ośrodków o różnej gęstości optycznej wiązka światła zmienia swój kierunek podczas przejścia z jednego ośrodka do drugiego.
2. Gdy wiązka światła przechodzi do ośrodka o większej gęstości optycznej, kąt załamania jest mniejszy niż kąt padania; gdy wiązka światła przechodzi z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka mniej gęstego, kąt załamania jest większy niż kąt padania.
Załamaniu światła towarzyszy odbicie, a wraz ze wzrostem kąta padania jasność odbitej wiązki wzrasta, a załamana słabnie. Można to zaobserwować przeprowadzając eksperyment pokazany na rysunku. W rezultacie odbita wiązka zabiera ze sobą im więcej energii świetlnej, tym większy kąt padania.

Pozwalać MN- interfejs pomiędzy dwoma przezroczystymi mediami, np. powietrzem i wodą, JSC- spadająca belka OW- wiązka załamana, - kąt padania, - kąt załamania, - prędkość propagacji światła w ośrodku pierwszym, - prędkość propagacji światła w ośrodku drugim.