Измерение показателя преломления стекла

Цель работы: с помощью экспериментальной установки определить показатель преломления стеклянного полуцилиндра.

Для выполнения работы нам предлагается оборудование из комплекта № 4 в составе: полуцилиндр, осветитель, диафрагма щелевая с одной щелью, источник питания постоянного тока и планшет с круговым транспортиром.

Итак, вы уже знаете, что в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно. Если же пучок света падает на границу раздела двух однородных прозрачных сред, то часть его отражается и возвращается в первоначальную среду. Это явление называется отражением света. А часть света проходит во вторую среду, изменив направление своего распространения. Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую называют преломлением света.

Если опустить перпендикуляр к границе раздела двух сред в точку падения луча, то угол между падающим лучом и перпендикуляром называется углом падения. Угол, образованный отражённым лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения. А угол между преломлённым лучом и тем же перпендикуляром — углом преломления.

Отметим, что если луч света падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, то он не испытывает преломления.

Ещё в 1621 году нидерландский учёный Виллеброрд Снелл установил, что луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. А отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

Показатель преломления — это безразмерная физическая величина, характеризующая различие фазовых скоростей света в двух средах.

Для прозрачных изотропных сред, таких как газы и большинства жидкостей, употребляют термин абсолютный показатель преломления, который определяют как отношение скорости света в вакууме c к скорости света в данной среде:

И в сегодняшней работе мы с вами будем определять показатель преломления стеклянного полуцилиндра на основании закона преломления света — закона Снелла.

Ну а первое, что мы с вами должны сделать — это нарисовать рисунок нашей экспериментальной установки. Для этого мы в бланке ответов изобразим стеклянный полуцилиндр. Далее, под некоторым углом, пустим на него луч света. На границе раздела двух сред этот луч испытает преломление. При этом необходимо помнить, что при переходе света из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную угол преломления меньше угла падения. И наоборот.

Обратите внимание ещё и на тот факт, что при пересечении границы двух сред через цилиндрическую поверхность преломления не происходит, поскольку луч света падает перпендикулярно на неё (вдоль радиуса).

Теперь запишем формулы, которыми будем пользоваться при выполнении данной работы. Для начала мы должны записать закон преломления света: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

Здесь же мы с вами укажем, что показатель преломления среды, из которой свет падает на границу раздела (у нас это воздух), равен единице:

Тогда наша расчётная формула примет тот окончательный вид, который вы сейчас видите на экране:

Теперь приступим непосредственно к работе. Для начала подключим осветитель (лампочку) к источнику постоянного тока через ключ. В плотную к осветителю поставим щелевую диафрагму, которая даст нам узкий пучок света. Теперь расположим планшет с транспортиром горизонтально так, чтобы луч света проходил над его поверхностью через центр. На планшете есть обозначенное место, куда мы с вами должны поместить наш полуцилиндр. Если его нет, то стеклянный полуцилиндр кладут на диск таким образом, чтобы его плоская боковая поверхность совпадала с диаметром кругового транспортира.

Установка собрана. Замыкаем ключ. И поворачиваем планшет так, чтобы луч света падал на плоскую грань полуцилиндра под заданным в условии углом. Теперь в бланк ответов мы с вами должны записать значения угла падения светового луча, и угол его преломления (определяем с помощью транспортира) с учётом погрешности измерения:

Размыкаем ключ.

Далее в нашу расчётную формулу подставляем значения угла падения и угла преломления светового луча.

Тогда в выводе мы с вами напишем, что показатель преломления стекла, из которого изготовлен полуцилиндр, равен 1,51.