Статья
Явление преломления света. Измерения показателя преломления стекла
0

Явление преломления света. Измерения показателя преломления стекла

by admin07.11.2018

Показатель преломления — это важная величина, которую учитывают при производстве таких оптических приборов, как микроскопы, рефракторные телескопы, очки, линзы для глаз и т. д. В данной статье рассмотрен вопрос измерения показателя преломления стекла.

Что такое преломление света?

Перед тем как рассматривать особенности экспериментального измерения показателя преломления стекла, следует познакомиться с самим явлением преломления. Его суть заключается в изломе траектории светового луча, когда он переходит через границу прозрачных сред разной природы, например, воздух и вода. Стоит отметить, что обе среды обязательно должны быть прозрачными для света. В противном случае, преломление наблюдаться не будет (будут происходить лишь процессы отражения и поглощения световой энергии).

Математика явления преломления

Преломление вместе с отражением света изучается человечеством с давних времен, достаточно вспомнить имена Птолемея, Герона Александрийского и Аристотеля. Математический закон, описывающий это явление, называется законом Снелла.

Виллеброрд Снеллиус

В начале XVII века голландский математик по фамилии Снелл (Снеллиус) первым получил соответствующее математическое выражение, обобщая множество экспериментальных данных. Стоит отметить, что аналогичное выражение было получено также арабским математиком Ибн Сахлем в X веке, но о его работах после темного Средневековья никто не вспомнил на заре Нового времени.

Если обозначить угол между перпендикуляром к поверхности раздела сред и падающим узким лучом света символом θ1 (тета один), а между тем же перпендикуляром и преломленным лучом — символом θ2, тогда можно записать равенство:

n1*sin(θ1) = n2*sin(θ2).

Это выражение и есть вышеупомянутый закон Снелла. К нему часто добавляют еще один закон преломления, утверждающий, что в плоскости, образованной падающим и преломленным лучами, также лежит перпендикуляр к поверхности раздела сред. Величины n1 и n2 называются показателями преломления 1-й и 2-й среды.

Абсолютный показатель преломления

Эта физическая величина показывает, как сильно происходит замедление света (электромагнитной волны), когда он из вакуума попадает в материальную среду. Математически это определение можно записать так:

n = c/v.

Здесь c — скорость распространения света в вакууме, v — в материале. Так как величина c всегда больше, чем v, то показатель n для любой среды больше единицы. Оптическая плотность среды коррелирует с величиной n. Например, для воздуха n равен 1, для воды — 1,33, то есть вода — оптически более плотная среда.

Явление дисперсии

Показатель преломления определяется не только природой материала, но также частотой электромагнитной волны: чем она больше, тем больше n. Эта зависимость в физике известна под названием «дисперсия». Голубое небо — яркий пример явления дисперсии солнечного света.

Показатель преломления стекла и его измерение

Углы падения и преломления

Стекло — это твердый прозрачный материал, имеющий аморфную структуру. Промышленное производство стекла осуществляется в виде ряда сортов. Каждый из них имеет свой показатель преломления, который колеблется от 1,5 до 1,9.

Определение этой величины для стекла легко осуществить в лабораторных условиях. Для этого необходимо иметь лампу, собирающее оптическое стекло, набор диафрагм, диск с делениями до долей градуса и образец исследуемого стекла в форме полуцилиндра.

Эксперимент выполняется в следующей последовательности:

  • Лампа устанавливается в фокусе собирающей линзы. Затем ее включают и при помощи диафрагм добиваются узкого светового пучка.
  • Диск с делениями располагают горизонтально за линзой так, чтобы луч света проходил над его поверхностью через центр.
  • Кладут стеклянный полуцилиндр на диск таким образом, чтобы его плоская боковая поверхность совпадала с диаметром диска.
  • Поворачивают диск на различные углы и измеряют углы падения и преломления луча.
  • Обрабатывают измеренные результаты, используя формулу Снелла, и полагая, что показатель преломления света в воздухе равен единице.
  • Ниже на рисунке приведены два различных случая положения полуцилиндра на диске относительно падающего луча.

    Измерение углов

    Левый рисунок соответствует преломлению «воздух-стекло», правый — «стекло-воздух». Стоит отметить, что при пересечении границы двух сред через цилиндрическую поверхность преломления не происходит, поскольку луч света падает перпендикулярно на нее (вдоль радиуса).

    Измерение показателя преломления стекла с помощью лазера

    Этот эксперимент провести сложнее, чем предыдущий. Для него необходимо использовать лазер с известной длиной волны, маленькое отверстие, через которое будет проходить лазерный луч, стеклянную пластинку и экран. Поскольку разброс длин волн, излучаемых лазером, не велик, то явление дисперсии не оказывает влияние на результаты измерений. В этом заключается преимущество этого метода по сравнению с предыдущим.

    Принцип действия лазерного метода заключается в явлениях дифракции, полного внутреннего отражения света от границы пластинки и интерференции волн на экране. Из анализа дифракционной картины можно вычислить показатель преломления стекла.

    Поскольку толщина полуцилиндра в предыдущем методе измерения является небольшой, то дисперсией света в нем можно пренебречь. Это значит, что справедлив следующий вывод: измерение показателя преломления стекла лучше проводить при помощи более простого способа с лампой белого света, чем с использованием лазера.

    Источник

    About The Author
    admin

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *