I. Измерение показателя преломления жидкости с помощью рефрактометра

Рисунок установки:

Описание установки: общий вид рефрактометра Аббе приведен на рис. 11.4, где 1 – винт для закрепления призм; 2 – винт рычага для поворота призм; 3 – ручка компенсатора; 4 – компенсатор; 5 – тубус зрительной трубы; 6 – окуляр зрительной трубы; 7 – шкала прибора; 8 – наклонное зеркальце для освещения шкалы; 9 – лупа для снятия показаний со шкалы прибора; 10 – осветительная призма EKF; 11 – измерительная призма ABC; 12 – зеркальце Z для освещения призмы.

Главная часть прибора – призменный блок (рис. 11.5) – состоит из двух прямоугольных призм, расположенных гипотенузными гранями друг к другу. Призма EKF является осветительной, ABC – измерительной.

У осветительной призмы гипотенузная грань EK сделана матовой для рассеивания падающего от зеркальца Z на призму EKF света. Призма ABC закреплена, EFK может вращаться относительно горизонтальной оси и скрепляться специальным винтом с призмой ABC. Между призмами имеется зазор около 0,1 мм, который после открытия призменного блока заполняется исследуемой жидкостью с помощью пипетки.

Пучок световых лучей, испускаемый источником света , с помощью зеркала Z направляется на грань FK осветительной призмы EFK. Поскольку грань EK сделана матовой, то лучи, достигая ее, рассеиваются в исследуемой жидкости и под разными углами падают на грань AB измерительной призмы ABC. Наибольший возможный угол падения света на грань AB со стороны жидкости соответствует скользящему вдоль грани AB лучу. Скользящий луч, выйдя из измерительной призмы, попадает в зрительную трубу 5 и определяет границу света и тени – границу преломления. Зрительная труба соединена со шкалой 7 рефрактометра, дающей значения показателя преломления.

Существенной особенностью рефрактометра является возможность использования белого света. Так как вследствие дисперсии вместо резкой границы светотени получается размытая радужная полоса, то для устранения этого явления используется компенсатор с переменной дисперсией 4. Вращая ручку компенсатора 3, можно добиться резкой границы света и тени.

Порядок выполнения работы: 1) открыв с помощью винта 1 призменный блок 10, 11, расположить гипотенузную грань осветительной призмы 10 горизонтально. Промыть призмы водой и протереть их тряпочкой. Эти действия повторять после каждой серии измерений;

2) нанести с помощью пипетки 1 – 2 капли дистиллированной воды на гипотенузную грань призмы, полностью смочив ее. Закрыть блок с призмами;

3) установить зеркало 12 так, чтобы иметь наилучшую освещенность поля зрения трубы 5;

4) установить окуляр 6 на отчетливую видимость визирного креста;

5) с помощью винта 2, находящегося слева от шкалы, развернуть призмы так, чтобы в зрительную трубу была видна граница света и тени. Если поле зрения все время остается темным или качество картины плохое (блики, темные пятна, неровная граница и т.п.), это означает, что неравномерно заполнено пространство между призмами и необходимо повторить действия, описанные в п.1;

6) вращая ручку компенсатора 3, добиться исчезновения радужной окраски граничной линии света и тени;

7) вращая призмы винтом 2, точно установить визирное перекрестье на границу раздела света и тени;

8) пользуясь лупой 9, произвести отсчет показателя преломления дистиллированной воды по левой части шкалы 7 с точностью до четвертого знака. Повторить снятие отсчета еще два-три раза, сбив при этом настройку визира на границу;

9) указанным способом измерить по три раза показатели преломления выданных растворов. Данные измерений занести в таблицу:

10) измерить показатель преломления жидкости с неизвестной концентрацией глицерина.

Вывод рабочей формулы:

применение метода скользящего луча для определения показателя преломления жидкости: пусть из среды I, являющейся исследуемой жидкостью (рис. 11.3), падает луч света 1 на гипотенузную грань AB прямоугольной стеклянной призмы с преломляющим углом . Угол падения света . После преломления в призме ABC луч выходит в воздух с углом преломления .

Для преломления на гранях AB и AC закон преломления соответственно запишется так:

или .

Из рис. 11.3 видно, что .

Положим, что (луч 2). Луч 2 скользит по грани AB, угол преломления будет наибольшим: .

Лучи, выходящие из призмы, могут иметь углы преломления , лежащие в интервале от , соответствующего скользящему лучу, до . Из предыдущих формул следует: , т.е. наибольшему углу соответствует минимальное значение .

Поскольку , то

.

Подставляя, окончательно получим: .

Обработка и анализ результатов измерений:

1) построить график зависимости показателей преломления растворов от концентрации раствора;

2) по графику, зная показатель преломления, определить неизвестную концентрацию раствора;

3) для раствора с неизвестной концентрацией определить абсолютную погрешность измерения показателя преломления как результата прямых измерений;

4) используя полученное значение абсолютной погрешности измерения показателя преломления, по графику его зависимости от концентрации оценить погрешность определения неизвестной концентрации.

II. Измерение с помощью микроскопа показателя преломления стеклянной плоскопараллельной пластины.

Описание установки: в этой части работы определяется показатель преломления плоскопараллельной стеклянной пластины, на верхней и нижней поверхностях которой нанесены штрихи. Если рассматривать пластинку сверху, то нижний штрих будет казаться отстоящим от верхнего на расстояние . Величина d - истинный размер толщины – измеряется непосредственно микрометром. Для определения пластина помещается под микроскоп, у которого микрометрический винт снабжен барабаном с делениями. Микроскоп сначала наводится на нижний штрих, затем на верхний. Перемещение трубы осуществляется с помощью микрометрического винта. Шаг винта (один оборот барабана) составляет 0,1 мм. Цена деления барабана 0,002 мм.

Порядок выполнения работы: 1) измерить толщину d пластинки с помощью микрометра в нескольких местах;

2) поместить пластинку на столик микроскопа так, чтобы в поле зрения попадало перекрытие штрихов. Сфокусировать микроскоп на нижний штрих. Снять отсчет по барабану микрометрического винта;

3) вращая микрометрический винт, навести микроскоп на верхний штрих, сосчитав при этом число z полных оборотов барабана и сделать отсчет по барабану;

4) повторить измерения три раза, занося их в таблицу. Фокусировку рекомендуется выполнять при движении микроскопа в одном направлении снизу вверх.

№ п/п
Среднее

 

Вывод рабочей формулы: применяемый метод основан на кажущемся приближении к наблюдателю предмета, рассматриваемого сверху через слой вещества, оптически более плотного, чем среда над слоем (рис. 11.6). Предмет, находящийся в точке A, будет казаться расположенным в точке D, лежащей на продолжении преломленного луча BC, вышедшего из стекла в воздух.

Из рис. 11.6 видно, что: , где d – толщина пластинки; - кажущаяся толщина. Для малых углов (падение света, близкое к нормальному) можно считать, что .

В соответствии с законом преломления, , откуда:

где n – показатель преломления стекла относительно воздуха. Следует:

Обработка и анализ результатов измерений:

1) определить кажущуюся толщину пластинки по формуле ;

2) найти абсолютные погрешности и ;

3) по формуле определить показатель преломления стекла. Рассчитать относительную и абсолютную погрешности определения показателя преломления.

Формулы расчета погрешностей:

вычисляем оценку истинного значения исследуемой физической величины:

оцениваем значение среднеквадратического отклонения:

по данной доверительной вероятности () и количеству измерений n определяем из таблицы коэффициент Стьюдента и рассчитываем оценку ошибки измерений:

;

записываем результат измерений физической величины:

при .