Меню

Дисперсия спектр видимого света



Что такое дисперсия света – открытие Ньютона, что нужно знать

Пока ученые не объяснили видимые природные явления, когда все цвета выстраиваются в определенном порядке или мигрируют один в другой (радуга, северное сияние), людям казалось это чем-то волшебным. Сейчас мы понимаем, что это происходит из-за преломления солнечного потока. Но давайте разберемся в этом явлении чуть глубже. Что представляет собой дисперсия света?

Определение дисперсии света

Солнце проходит через прозрачные или условно прозрачные вещества, такие как вода, стекло, хрусталь. При этом белый луч, который мы считаем бесцветным, раскладывается на составляющие его радужные цвета.

Это происходит из-за того, что волны, попадая из одного вещества в другое, частично или полностью меняют свое направление. Такое изменение направления называется преломлением.

Но почему поток из белого, превращается в разноцветный? Это объясняется тем, что он не монохромный, а как раз содержит в себе весь цветовой ряд. Когда диапазоны всех цветов сливаются, мы видим белое излучение. При этом каждый цвет имеет разную длину волны. И в зависимости от нее по-своему меняет угол преломления.

Например, для зеленого диапазона угол отклонения будет больше, чем для оранжевого, а для синего больше, чем для зеленого. При этом скорость распространения изменяется при прохождении через другую среду, а вот частота остается прежней.

Объяснив эти наблюдения, можно дать определение такому понятию, как разложение белого света на составляющие.

Дисперсия — это зависимость показателя преломления от длины волны, или зависимость скорости света в веществе от длины волны. Это определение можно представить в виде формулы: n = f(v) или n = f(v), где

n — показатель приломления, λ — длина, а ν — частота.

Где встречается в природе

Разложение волнового потока в природе мы наблюдаем часто, но порой даже не догадываемся, что это дисперсия.

  • Солнце на заходе, окрашивает все в красный или оранжевый цвет. Это происходит из-за разложения освещения в среде газа, который составляет нашу атмосферу.
  • На дне аквариума или водоема с достаточно прозрачной водой мы можем видеть радужные блики. Это солнечный диапазон, преломленный в воде, раскладывается на цветовой спектр.
  • Бриллианты, огранённый хрусталь, фиониты переливаются всеми гранями при ярком освещении.

Первые шаги на пути к открытию дисперсии

Еще задолго до того, как явление разложение спектра было описано и объяснено с точки зрения современной физики и представлений о волновой природе облучения, люди наблюдали и пытались понять суть этого явления.

Древнегреческий ученый Аристотель еще в 3 веке до н.э. активно изучал и пытался дать объяснение некоторым свойствам светового потока. Он наблюдал дисперсию света в природе и даже пытался экспериментально выяснить, как устроено солнечное излучение.

Так он выяснил, что солнечные лучи могут иметь разный цвет. И попытался описать суть этого явления. Ученый объяснил это тем, что разный оттенок свет приобретает из-за разного «количества темноты» в нем. Если темноты много, тогда освещение становится фиолетовым, если мало, то красным.

Уже тогда ученый сделал предположение, что белый спектр является основным и состоит из множества оттенков.

Открытие Ньютона

Конечно, первым, кто экспериментально доказал и описал зависимость преломления светового потока от длины волны, был Исаак Ньютон. С 1666 года он активно занимался изучением явления преобразования бесцветного диапазона.

В солнечный день ученый затемнил комнату и оставил только небольшой просвет в окне, через который проходила тонкая полоска солнца. Ньютон поставил треугольную хрустальную призму, чтобы на нее попадал луч. Пройдя через прозрачный хрусталь, белый свет превратился в ряд разноцветных полос.

Цвета были расположены строго по порядку от красного до фиолетового. Ученый выделил семь полос разного оттенка и назвал этот ряд спектром (от латинского видимый).

Сегодня для опытного наблюдения разложения диапазона применяют дифракционные решетки. Это стеклянные пластины с нанесенными бороздками и тонкими отверстиями. С помощью них можно наблюдать разложение не только цветового спектра, но и расщепление самого луча.

Советуем посмотреть видео:

Аномальная дисперсия

Нормальная дисперсия характеризуется тем, что чем выше частота излучения, тем больше угол преломления.

Аномальная же — это разновидность обычного расщипления видимого диапазона, когда при распространении света в веществе показатель преломления уменьшается с увеличением частоты светового потока. То есть обратная зависимость.

На практике отличия между двумя видами явлений можно увидеть в парах некоторых газов. При разложении луча красные волны преломляются больше чем синие, а некоторый диапазон поглощается веществом.

Радуга

Самым ярким и занятным проявлением разложения спектра в природе является радуга. После дождя в насыщенной водными каплями атмосфере солнечные лучи проходит через эти капли. Преломляясь в водных порах поток раскладывается на спектральную полосу.

Солнечный поток может преломляться дважды. Тогда мы видим двойную радугу. При чем, во второй радуге цвета расположены в обратно порядке от фиолетового к красному. Это явление редкое, но объяснимое с точки зрения физики.

Чем выше радуга, там она бледнее и наоборот.

В заключение

Очень часто мы сталкиваемся с явлениями обыденными, объяснить которые мы по-прежнему не всегда можем. Но появление радуги теперь для нас вполне объяснимо. Попробуйте провести ньютоновский опыт с детьми и делитесь своими результатами в комментариях и социальных сетях.

Источник

Школьная Энциклопедия

Nav view search

Навигация

Искать

Дисперсия света. Спектр

Подробности Категория: Фотометрия Опубликовано 14.01.2015 11:20 Просмотров: 9517

После грозы и дождя, когда из-за туч выглядывает солнышко, мы часто наблюдаем на небе очень красивое явление — радугу.

Она состоит из разноцветных дуг. Причём цвета в ней всегда чередуются в определённой последовательности: красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый. Оказывается, на такие цвета разлагается обыкновенный солнечный свет.

Что такое дисперсия света

Разложение белого света на цвета называют дисперсией света.

Для знакомства с этим явлением проведём простой опыт. Направим узкий луч белого света на прозрачную трёхгранную призму из стекла, расположенную в тёмной комнате. Пройдя сквозь грани призмы, луч преломится дважды и отклонится. Кроме того за призмой вместо одного белого луча мы увидим семь разноцветных, окрашенных в те же цвета, что и радуга, лучей, расположенных в той же последовательности. Причём окажется, что сильнее всего преломился фиолетовый луч, а меньше всего красный. То есть, угол преломления зависит от цвета луча.

Если на пути цветового спектра поместить другую призму, повёрнутую на 180° относительно первой, то пройдя через неё, все цветовые лучи снова соберутся в луч белого света.

Опыт с прохождение белого света через призму первые провёл Исаак Ньютон. Он же объяснил, что цвет — это собственное свойство света.

Из своего опыта Нютон сделал 2 вывода:

  1. Белый свет имеет сложную структуру. Он состоит из потока частиц разного цвета.
  2. Все эти частицы движутся с разной скоростью, поэтому лучи разного цвета и преломляются на разный угол. Самая высокая скорость у частиц красного цвета. Он преломляется через призму меньше всех других цветов. Чем меньше скорость, тем больше показатель преломления.

Именно Ньютон разделил цветовой спектр на 7 цветов, потому что считал, что существует связь между цветами и музыкальными нотами, которых тоже 7, семью днями недели и семью объектами Солнечной системы (во времена Ньютона были известны только 7 планет: Меркурий, Венера, Земля, Луна, Марс, Сатурн, Юпитер), семью чудесами света. Правда, в спектре Ньютона синий цвет назывался индиго.

Чтобы легче было представить последовательность цветов в спектре, достаточно запомнить фразу, в которой заглавные буквы совпадают с первыми буквами наименований цветов: « Каждый Охотник Желает Знать , Где Сидит Фазан ».

В общем смысле спектром в физике называют распределение значений физической величины (энергии, массы или частоты).

Спектр видимого излучения

Свет, представляющий собой волны одинаковой длины и соответствующий одному цвету, называется монохроматичным. Белый свет представляет собой набор электромагнитных волн различной длины. Поэтому он является полихроматичным.

Почему же белый свет разлагается на другие цвета, проходя через призму? Причина в том, что каждый цвет, входящий в состав белого света, имеет свою длину световой волны и распространяется в прозрачной оптической среде со своей фазовой скоростью, отличной от скоростей волн других цветов. У красного цвета эта скорость в среде максимальна, а у фиолетового минимальна. Кстати, скорости эти различны только в оптической среде. В вакууме скорость лучей разного цвета остаётся постоянной и равной скорости света.

Читайте также:  Кнопка включения ближнего света ваз 21214

Лучи разного цвета (разной длины волны) имеют разные показатели преломления, поэтому по-разному отклоняются при переходе из одной среды в другую. В зависимости показателя преломления света от длины волны заключается суть явления дисперсии света. По этой причине и возникает спектр.

Отношение скорости света в вакууме к его скорости в данной среде называют абсолютным показателем преломления среды.

где с — скорость света; v — скорость света в оптической среде.

Зная длину волны, можно вычислить показатель преломления среды для каждого цвета видимого спектра.

Итак, белый свет разлагается на разные цвета, потому что каждый цвет имеет свой показатель преломления.

Дисперсией объясняется появление радуги. Капельки воды сферической формы, парящие в атмосфере, преломляют, а затем и отражают солнечный свет от своей внутренней поверхности. В результате он разлагается в спектр, и мы видим разноцветное свечение. Грани бриллианта «играют» цветами также благодаря дисперсии.

Цвета, входящие в спектр, называются спектральными цветами. Но спектр содержит не все цвета, которые воспринимает мозг человека. Например, в нём нет розового цвета. Он получается при смешении других цветов.

В спектре не существует резкой границы между цветами. Все цвета плавно переходят друг в друга.

Длины волн, соответствующих каждому цвету, были определены одним из создателей волновой теории света английским физиком, механиком, врачом, астрономом и востоковедом Томасом Юнгом.

Свет и цвет

Сложной структурой белого света объясняется многообразие красок в окружающем нас мире. Из-за того что световые лучи разного цвета по-разному отражаются от предметов или поглощаются ими, мы и видим мир цветным.

Помните выражение: «Все кошки ночью серые»? А ведь это действительно так. В темноте цвет различить невозможно. Там, где нет света, все предметы кажутся нам чёрными. Но стоит только направить на кошку луч света, как она сразу же приобретёт цвет.

Цвет предмета — это цвет отражённой волны спектра. Белые предметы отражают все цвета, поэтому мы и видим их белыми. Чёрные, наоборот, все цвета поглощают и не отражают ничего. Траву мы видим зелёной, потому при солнечном свете она отражает зелёный цвет, а все остальные поглощает. Банан жёлтый, потому что отражает жёлтый цвет и т.д.

Источник

Дисперсия спектр видимого света

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

Относительным показателем преломления двух сред (второй среды по отношению к первой) называется величина n21, равная отношению абсолютных показателей преломления этих сред:

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

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

Обычно для диспергирующих сред (т.е. сред, у которых D отлична от нуля) в области слабого поглощения (прозрачности) вещества значения n уменьшаются с ростом длины волны (рис.2), что соответствует нормальному закону дисперсии или нормальной дисперсии (D 0 .

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

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

Элементарная теория дисперсии света.

Максвелл показал, что свет представляет собой электромагнитную волну. Фазовые скорости распространения такой волны в веществе V и в вакууме C различны. Соотношение между ними в соответствии с теорией Максвелла определяется значениями диэлектрической \(\epsilon\) и магнитной \(\mu\) проницаемостей вещества:

Для немагнитных сред можно принять μ = 1. Тогда имеем:

Таким образом, фазовая скорость света в веществе в \(\sqrt<\epsilon>\) раз меньше, чем в вакууме. Учитывая (1), получим:

На первый взгляд кажется, что формулы (2) и (3) противоречат опыту. Так, для воды в постоянном электрическом поле и в переменных полях малой частоты ε =81. Тогда, согласно (3), n = 9. Однако из опыта известно, что для видимой области n =1,33. Данное “расхождение” связано с тем, что совершенно необоснованно проигнорировано явление дисперсии. Действительно, в постоянном электрическом поле и в переменных электрических полях малой частоты происходит сильная ориентационная поляризация полярных молекул, что и обуславливает высокое значение ε. Однако в переменных электрических полях высокой частоты, к каким относится и поле световой волны, полярные молекулы уже не успевают ориентироваться и ориентационная поляризация не происходит. Это приводит к сильному уменьшению как ε, так и n .

Из курса «Электричество» известно, что

где æ — диэлектрическая восприимчивость, определяющая способность среды к поляризации, то есть к образованию электрических диполей под действием внешнего электрического поля.

Для диэлектриков в первом приближении явление поляризации в электрическом поле высокой частоты можно рассматривать как смещение электронов под действием этого поля на некоторое расстояние x относительно положения равновесия в направлении против поля. Ядра атомов при этом можно считать неподвижными, поскольку их масса значительно больше массы электрона. Количественной характеристикой эффекта является поляризованность Р, которая пропорциональна напряжённости электрического поля E:

где ε0 – электрическая постоянная. Равенство (3), с учетом (4), принимает вид:

Выразив из (5) величину æ и подставив ее в последнее равенство, имеем:

Из последнего выражения следует, что экспериментально наблюдаемые различия в значениях показателей преломления для разных веществ и длин волн могут обуславливаться особенностями в поляризации атомов при взаимодействии с электромагнитной волной.

Движение электронов в атоме описывается законами квантовой механики. Однако еще до ее создания Г.Лоренц показал, что для качественного объяснения дисперсии и многих других оптических явлений достаточно ограничится гипотезой о существовании внутри атомов электронов, связанных с атомами квазиупругими силами. Эти силы можно представить в виде:

где x — смещение электрона от положения равновесия; k – коэффициент пропорциональности.

Если электрон вывести из положения равновесия то, под действием квазиупругой силы он будет совершать гармонические колебания с частотой ω0, называемой собственной частотой атомного электрона. Из курса механики известно, что \(\omega_<0>=\sqrt<\frac>\), где m — масса электрона.

При прохождении электромагнитной волны через вещество каждый электрон оказывается под действием переменного электрического и магнитного полей. Расчёт показывает, что электрическая сила, действующая на электрон, значительно больше магнитной, так что магнитное поле электромагнитной волны практически не влияет на движение электрона. Напряжённость E электрического поля в электромагнитной волне изменяется по закону:

где Е0 — амплитуда напряжённости электрического поля;
ω = 2 πν — циклическая частота колебаний напряжённости (циклическая частота световой волны);
ν – частота световой волны.

Поэтому при прохождении через вещество электромагнитной волны на каждый электрон действует также сила

Под действием данной силы электрон совершает вынужденные колебания. В первом приближении можно считать, что вынужденные колебания совершают только внешние, наиболее слабо связанные с ядром электроны – оптические электроны. Для простоты рассмотрим колебания только одного оптического электрона. Пренебрежем для упрощения затуханием колебаний электрона. Затухание происходит по двум причинам. Во-первых, при ускоренном движении электрона излучаются электромагнитные волны. Во-вторых, имеет место диссипация энергии электромагнитного поля, т.е. превращение ее в другие формы (в теплоту) в результате взаимодействия с другими атомами и соударений. Пренебрегая затуханием, на основании второго закона Ньютона имеем:

Разделив на m и учитывая, что K/m = ω02, получим:

Уравнение (8) описывает вынужденные колебания электрона под действием переменного электрического поля световой волны. Решение этого уравнения имеет вид:

Из последнего равенства видно, что вынужденные колебания электронов происходят с частотой ω, равной частоте колебаний напряженности электрического поля световой волны. Величина

имеет размерность длины и представляет собой амплитуду вынужденных колебаний, которая зависит от ω. Как будет видно из последующего рассмотрения, именно зависимость амплитуды вынужденных колебаний от ω и является причиной дисперсии.

Читайте также:  Лампа 12в дневной свет

Для одного aтома величина электрического дипольного момента, индуцируемого в результате вынужденных колебаний, составляет:

а дипольный момент, индуцируемый в единице объёма вещества, содержащей N атомов, будет равен

Выражение (9) представляет собой поляризованность вещества. Подставляя выражения (9) и (7) в (6), получаем:

Из (10) видно, что показатель преломления n зависит от ω. Согласно (10), при частотах электромагнитной волны ω ›› ω0 (далёких от резонансной) n2≈1. Зависимость n2 от ω, соответствующая уравнению (10), показана на рис.5 пунктирными кривыми.

При стремлении ω к ω0 слева имеем что n2 → ∞, а при ω→ω0 справа n2→ — ∞. Таким образом, n2 , как функция ω, терпит разрыв при частоте, равной собственной частоте колебаний электрона (рис. 5). Подобное поведение функции (10) обусловлено тем, что в уравнении (7) мы пренебрегли членом, учитывающим затухание колебаний электрона. В результате при совпадении ω с ω0 (т.е. при резонансе) амплитуда колебаний возрастает безгранично. При учете затухания колебаний электрона амплитуда его вынужденных колебаний при резонансе возрастает до конечного значения, а зависимость n2 от ω в области частот, близких к резонансной, становится более плавной и разрыв вообще отсутствует (рис.6).

Учитывая, что ω=2πC / λ и

находим, что на участках АВ и CD (рис.6), где dn/dλ 0, относится к области аномальной дисперсии.

Как отмечалось, при совпадении ω с ω0 (т.е. при резонансе) резко возрастает амплитуда колебаний электрона. Интенсивно колеблющийся электрон вызывает усиление колебаний атома или увеличение скорости поступательного движения, что приводит к нагреванию вещества. Это является дополнительной причиной затухания колебаний электрона. Таким образом, в области резонанса имеет место явление сильного поглощения, т.е. переход энергии световой волны во внутреннюю энергию вещества. Такое поглощение называется резонансным.

Электроны, входящие в состав атома или молекулы, имеют не одну, а несколько собственных (резонансных) частот колебаний (ω01,ω02,…). Учитывая это, зависимость n2 от ω изменяется. На рис.7 представлена данная зависимость для случая трех резонансных частот. Из рис.6 и 7, следует, что вдали от резонансных частот наблюдается нормальный закон дисперсии, а вблизи этих частот имеет место аномальная дисперсия. Формула (10) с учетом наличия нескольких резонансных частот преобразуется к виду:

Зависимость n2 от ω для случая трёх резонансных частот

Сказанное выше относится к электронам внешних оболочек атомов (оптическим электронам). Именно они взаимодействуют с излучением оптического диапазона. Электроны внутренних оболочек имеют очень высокие собственные частоты, и поле световой волны на них практически не влияет. Данные электроны эффективно взаимодействуют с ультрафиолетовым или рентгеновским излучением.

Из рис. 7 видно, что в некоторых областях спектра n c. Это обстоятельство не противоречит специальной теории относительности, основывающейся на утверждении, что скорость передачи сигнала не может превзойти с. Передача сигнала связана с распространением энергии в пространстве. Скорость распространения световой энергии, так называемая групповая скорость u ,отличается от фазовой, характеризующей скорость перемещения поверхности постоянной фазы. Соответствующие расчеты показывают, что групповая скорость оказывается меньше с в области нормальной дисперсии. В области аномальной дисперсии понятие групповой скорости теряет смысл, однако, и в данном случае скорость передачи энергии меньше с.

Определение показателя преломления веществ по углу наименьшего отклонения

Рассмотрим метод определения показателя преломления, применимый для прозрачных веществ. Метод состоит в измерении угла отклонения лучей при прохождении света через призму, изготовленную из исследуемого материала. На призму направляется параллельный пучок лучей, поэтому достаточно рассмотреть ход одного из них (S1) в плоскости, перпендикулярной линии пересечения преломляющих граней призмы (рис.8).

Ход луча через призму рассчитывается на основании законов преломления света. При преломлении на первой грани призмы АС получим

где n – показатель преломления материала призмы для данной длины волны света.

Для грани АВ закон преломления запишется как

Соотношения 12 и 13 позволяют найти выражения для определения n. Однако экспериментально определить углы r1 и i1 достаточно сложно. На практике удобнее измерить угол отклонения луча призмой δ и преломляющий угол призмы φ.

Получим формулу для определения показателя преломления n через углы δ и φ.

Сначала воспользуемся известной в геометрии теоремой, что внешний угол треугольника равен сумме внутренних углов, не смежных с ним. Тогда из треугольника EDF получим

Из треугольника EHF и, используя (14), получим:

Затем выразим угол δ через угол r1 , используя законы преломления (12), (13) и (14), и определим условия минимальности δ:

Зависимость δ от r1 имеет минимум, условие которого можно найти, приравняв производную δ от r1 нулю:

Выражение (16) выполняется, если r1= φ — r1. В соответствии с (14) имеем

поэтому r1 = i2. Тогда из законов преломления (12) и (13) следует, что углы i1, r2 также должны быть равны: i1=r2. Принимая во внимание (14) и (15), получим:

C учетом этих равенств окончательно получим:

Следовательно, при наименьшем угле отклонения луча призмой δmin показатель преломления вещества призмы может быть определен по формуле

Таким образом, определение показателя преломления вещества сводится к измерению преломляющего угла призмы и угла наименьшего отклонения лучей.

Экспериментальное определение угла наименьшего отклонения лучей призмой

Для определения показателя преломления исследуемых в данной работе стеклянных призм используется гониометр — прибор для точного измерения углов. Схема измерений приведена на рис.9.

Сняв призму со столика, наводим зрительную трубу на коллиматор и совмещаем изображение его щели с перекрестием зрительной трубы. Снимаем по лимбу отсчёт S1, соответствующий направлению неотклонённого луча (положение зрительной трубы при этом показано на рис.9 штриховой линией).

Затем призма из исследуемого материала устанавливается на предметном столике гониометра и на одну из её граней направляется параллельный пучок света коллиматора. Источником света служит ртутная лампа, излучение которой состоит из ряда узких спектральных линий. Свет от ртутной лампы поступает на щель коллиматора по гибкому световоду. Благодаря зависимости показателя преломления от длины волны, излучение ртутной лампы, пройдя через призму, разлагается на монохроматические составляющие, идущие под различными углами к первоначальному направлению.

Наблюдая в зрительную трубу и медленно поворачивая её, находим спектральные линии в поле зрения окуляра. Затем поворачиваем предметный столик с призмой так, чтобы спектральные линии приближались к направлению неотклонённого луча и добиваемся такого положения призмы, п+dwри котором угол отклонения лучей от первоначального (S1) направления будет минимальным.

Отсчёты по лимбу, соответствующие каждой спектральной линии обозначим S2.

Величина угла наименьшего отклонения каждой линии спектра находится как разность между двумя отсчётами:

Эксперимент

Оборудование

гониометра, преломляющая призма

Измерение преломляющего угла призмы

Преломляющий угол призмы измеряется на гониометре автоколлимационным методом. Для этого, как показано на рис.10, зрительная труба поочередно устанавливается перпендикулярно граням преломляющего угла призмы. Но на практике более удобно зафиксировать в некотором положении зрительную трубу, а поворачивать предметный столик с призмой так, чтобы нужная грань призмы оказалась перпендикулярной к оси зрительной трубы. Перпендикулярность контролируется по совмещению перекрестия окуляра с изображением автоколлимационного креста, идущего из автоколлиматора и отражающегося от грани призмы. По формуле (18) находим преломляющий угол призмы:

где А1, A2 – отсчёты по лимбу для двух положений зрительной трубы.

Устройство гониометра

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

Зрительная труба и коллиматор имеют внутреннюю фокусировку, осуществляемую с помощью маховичков 4,13 и одинаковые объективы 16,17. Для регистрации положения установок объективов на бесконечность и величины расфокусировок, трубы снабжены фокусировочными отсчётными шкалами 5,12. Наклон коллиматора и зрительной трубы к горизонтальной оси изменяется юстировочными винтами 6 и 11 соответственно.

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

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

С помощью двух винтов 9 столик приводится в горизонтальное положение.

Читайте также:  Почему человек видит только видимый свет

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

Лимб можно повернуть относительно алидады и столика нажимным маховичком 21.

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

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

При нажатии рычажка 27 происходит соединение алидады со столиком (и лимбом). В этом случае при вращении алидады шкала лимба в окуляре остается неподвижной. Отключается механизм сцепки нажатием кнопки 26. (В данной работе этот режим не используется).

Снятие отсчета на гониометре.

Отсчет направлений, определяемых гониометром, производится с помощью отсчетного устройства 17, расположенного ниже зрительной трубы. Оптическая схема отсчетного устройства собрана так, что через его окуляр можно наблюдать шкалу лимба, связанного с поворотом зрительной трубы (или нижней частью предметного столика). Шкала подсвечивается лампочкой, включаемой тумблером 25, расположенном в нижней части основания прибора. Резкость изображения шкалы регулируется вращением оправы окуляра отсчетного устройства 17.

Поле зрения отсчетного устройства приведено на Рис.13 и представляет собой два окна.

В левом (большом) окне наблюдаются изображения диаметрально противоположных участков лимба с делениями в виде двойных штрихов (биштрихов) и отсчетный вертикальный индекс. Это окно служит для отсчета градусов и десятков минут.

В правом (маленьком) окне видны деления шкалы оптического микрометра и горизонтальный индекс (линия). Оно служит для отсчета единиц минут (левая часть шкалы) и секунд (правая часть шкалы).

Перед снятием отсчета необходимо совместить верхнюю и нижнюю шкалы по бишрихам с помощью маховика 20 (рис.11-12).

Число градусов (по верхней шкале) будет равно ближайшему числу слева от вертикального индекса (в данном случае 37о).

Число десятков минут равно числу интервалов, заключённых между биштрихом, соответствующим найденному числу градусов, и биштрихом перевернутого числа на нижней шкале, которое оканчивается на такую же цифру, как и найденное число градусов. На рисунке это 37° и перевернутое 217° (эти числа всегда отличаются на 180°). (4 интервала, т.е. 4 десятка).

Число единиц минут отсчитывается по шкале правого окошка по левому вертикальному ряду цифр. Если цифры разные, выбирается та, которая находится выше неподвижной горизонтальной линии (3′).

Число секунд отсчитывается в том же окне по правому ряду чисел относительно горизонтальной линии (52″).

Положение, показанное на рис. 13, соответствует отсчёту 37°43’52».

Порядок выполнения

Подготовка гониометра к работе

  1. Включите гониометр тумблером «сеть» 25 (рис. 11). Вращением оправы окуляра 16 добейтесь резкого изображения отсчётного перекрестия в поле зрения окуляра.
  2. К оправе объектива зрительной трубы приложите (и удерживайте) плоскопараллельную стеклянную пластину и, медленно вращая маховичок 13 влево-вправо, добейтесь максимальной резкости изображения светящегося креста автоколлимационной сетки.
  3. Включите ртутную лампу, соединенную с помощью световода со щелью коллиматора.
  4. Откройте (выдвиньте) шторку раздвижной щели 1, если она закрыта.
  5. Поворачивая алидаду, направьте зрительную трубу на коллиматор и найдите изображение коллимационной щели.
  6. Фокусировка изображения коллимационной щели, (если это необходимо), осуществляется маховичком 4, расположенном на коллиматоре.

Порядок выполнения измерений и вычислений

Измерение угла неотклоненного луча
  1. Перед измерением угла неотклоненного луча следует зажать винт 29 и отпустить винты 23 и 31 (рис.11,12).
  2. Поворачивая алидаду, наведите зрительную трубу на коллиматор и совместите (приблизительно) изображение вертикальной светящейся щели коллиматора с перекрестием окуляра. Затем зажмите винт 23 и винтом 15 проведите точную наводку линии на перекрестие.
  3. По отсчётному микроскопу 17 снимите отсчёт S1, соответствующий направлению неотклонённого луча. (Используйте рекомендации п.3.6). Результат внесите в табл.1.
Измерение углов наименьшего отклонения лучей
  1. Поставьте призму на столик так, чтобы вершина прямого угла призмы была обращёна к коллиматору, а наибольшая грань призмы была перпендикулярна оси коллиматора.
  2. Отжать винт 23. Наблюдая в зрительную трубу и медленно поворачивая её, найдите узкие спектральные линии в поле зрения окуляра.
  3. Выберите любой участок спектра. Медленно поворачивая столик с призмой, следите за смещением линий. Направление вращения столика должно быть таким, чтобы спектральные линии приближались к направлению неотклонённого луча. (Если при этом линии спектра выйдут из поля зрения, найдите их поворотом зрительной трубы.) Пройдя некоторое расстояние, линии остановятся и начнут перемещаться в обратном направлении, хотя столик вы продолжаете вращать в том же направлении. Момент остановки спектральных линий соответствует положению призмы, при котором наблюдается наименьшее отклонение лучей от направления не отклоненного луча. Поворачивая столик с призмой вправо и влево около этого положения, установите его с максимальной точностью и аккуратно зафиксируйте винтом 31.
  4. После установки призмы в положение углов наименьшего отклонения снимите значения углов S2 для тех спектральных линий ртути, длины волн которых подчеркнуты в Приложении 1.
  5. Поворачивая зрительную трубу, совмещайте изображение измеряемой линии спектра с перекрестием окуляра. Застопорьте зрительную трубу винтом 23 и проведите точную наводку микрометрическим винтом 15.
  6. По микроскопу 17 снимите отсчёт S2, соответствующий направлению выбранной линии. Результаты измерений внесите в табл.1.

Таблица 1

Линяя λ,нм S2 S1 A1 A2 \(\phi\)
синяя
голубая
зеленая
жёлтая 1
желтая 2
желто-ор.
красная

Определение преломляющего угла призмы

  1. Закройте шторку 1 раздвижной щели (рис.11).
  2. Для определения преломляющего угла призмы зажмите винт 31 верхней части столика, застопорив его, и отпустите винт 29 нижнего части столика. Винтом 23 зафиксируйте зрительную трубу гониометра в удобном для вас положении.
  3. К оправе объектива зрительной трубы приложите плоскопараллельную стеклянную пластину и посмотрите, как выглядит автоколлимационный крест. При необходимости маховичком 13 добейтесь максимальной его резкости
  4. Поворотом столика разверните призму так, чтобы нужная её грань оказалась перпендикулярной оси зрительной трубы. Грань будет перпендикулярна, если отразившееся от нее изображение автоколлимационного креста будет совмещено с перекрестием окуляра. Точную наводку проводите микрометрическим винтом 30 при застопоренном винте 29.
  5. По микроскопу 17 снимите отсчёт А1 для первой грани и А2 для второй. Данные занесите в таблицу 1.

Оформление результатов работы

Для расчетов используйте компьютер.

Таблица соответствия символов
В метод. руководстве В компьютере
λ L
\(\phi\) Φ
\(\frac<\Delta n>\) dn/n
ne Для зелен. линии (L=546,07) n
nf nf
δn dn = nf — nc
  1. Рассчитайте показатель преломления материала призмы для каждой спектральной линии по формуле (17). Преломляющий угол призмы найдите по формуле (18).
  2. Оцените максимальную погрешность, допущенную при измерении показателя преломления по формуле

где Δn — абсолютная погрешность определения показателя преломления, Δφ — абсолютная погрешность измерения углов, выраженная в радианах. Для гониометра Г-5 Δφ = 5» = 0.24·10-4 рад.

  • Постройте график зависимости показателя преломления стекла призмы n от длины световой волны λ.
  • Определите по графику значения nf’ и nc’′ и вычислите среднюю дисперсию δn по формуле (19).
  • Используя полученные значения ne и nf’─nc’ и приведённые в приложении 2 оптические характеристики различных марок стекла, определите марку стекла, из которого сделана призма. Результаты вычислений внесите в таблицу 2.
  • λ, нм n Δn \(\frac<\Delta n>\) ne nf nc δn марка

    Основные дисперсионные характеристики оптических стекол

    Оптическое бесцветное стекло является основным материалом для изготовления оптических деталей приборов — линз, призм, зеркал и тому подобных. Зачастую это требует знания дисперсии материала во всём используемом диапазоне длин волн. Однако в ряде случаев для характеристики дисперсионных свойств материала удобнее использовать лишь некоторые параметры. Эти же параметры используются для идентификации материала.

    В качестве номинальных установлены:

    Показатель преломления ne на длине волны λe = 546.07 нм зелёной линии спектра ртути.

    где nf’ — показатель преломления стекла на длине волны λf = 480 нм голубой линии спектра кадмия, nc’ — показатель преломления стекла на длине волны λc = 643.8 нм красной линии спектра кадмия.

    Оптические характеристики некоторых марок стекла приведены в таблице Приложения 1.

    Источник

    Adblock
    detector