Требования по технике безопасности

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 20Следующая ⇒

1. Подготовка лабораторной работы осуществляется лаборантом или преподавателем физики при обязательном соблюдении требований техники безопасности.

2. Старайтесь через каждые 10 минут делать паузу во избежание переутомлении глаз.

Задание

1. Измерение длины световой волны

Методика выполнения задания

Задание 1. Измерение длины световой волны

1. Поместить дифракционную решетку с периодом в рамку прибора.

2. Включить источник света. Смотря через дифракционную решетку, увидеть по обе стороны щитка на черном фоне заметные дифракционные спектры нескольких порядков. В случае отсутствия спектров повернуть решетку на угол 90°.

3. Установить шкалу на расстояние R от дифракционной решетки заданный преподавателем.

4. Вставить в рамку светофильтр, начиная с красного и по шкале щитка рассматриваемой через решетку, определить расстояние S от щели до наблюдаемых линий 1-го и 2-го порядка. Результаты измерений занести в таблицу 7.

5. Проделать п. 4 ещё два раза перемещая шкалу на расстояние R 10 – 15 см.

6. Проделать пп. 4 – 5 для лучей других цветов вставляя в рамку остальные светофильтры.

Таблица 7. Длина световой волны различных цветов

R, мм

S, мм

l, нм

7. Определить длину световой волны по формуле (4) для всех цветов лучей и занести в таблицу 7. Вычислить среднюю арифметическую длину каждой световой волны. Сравнить с табличными значениями (см. приложение 3, табл. 24)

8. Рассчитать абсолютную и относительную погрешность длины световой волны каждого цвета, учитывая систематическую погрешность измерений.

Требования к содержанию и оформлению отчета

После выполнения лабораторной работы студент представляет отчёт в следующей форме:

1. Сведения о лабораторной работе:

· номер лабораторной работы;

· название лабораторной работы;

· цель и задачи работы;

· приборы и принадлежности.

2. Методика эксперимента:

· схема установки;

· расчётные формулы.

3. Результаты измерений:

· номер таблицы;

· название таблицы;

· таблица с указанием в графах физических величин, единиц их измерения, погрешностей полученных величин.

4. Оценка погрешностей:

· вывод расчётных формул для вычисления погрешностей;

· вычисление погрешностей измеренных в эксперименте величин;

· вычисление погрешностей косвенных измерений.

5. Выводы:

· краткое изложение полученных результатов;

· сравнение длины волны различных цветов с табличным значениями.

Критерии результативности лабораторной работы

Лабораторная работа считается выполненной, если студент:

· получил экспериментальные и расчетные данные, соответствующие действительным результатам лабораторной работы;

· выполнил все расчеты согласно требованиям таблиц экспериментальных данных;

· правильно оценил погрешности измерений;

· сформулировал выводы о проделанной работе;

· представил индивидуальный письменный отчет, оформленный в соответствии с предъявляемыми к нему требованиями;

· подготовил ответы на все контрольные вопросы данной лабораторной работы.

Контрольные вопросы

1. Что называется дифракционной решеткой?

2. Перечислите виды дифракционных решеток. Приведите примеры.

3. Каков порядок следования цветов в дифракционных спектрах?

4. Какова окраска нулевого максимума?

5. Как изменится действие дифракционной решетки, если ее поместить в воду?

6. Объясните образование дифракционной картины от дифракционной решетки на экране. В каких точках наблюдаются максимумы интенсивности, в каких минимумы и почему?

7. Чем отличаются дифракционные картины при освещении решетки монохроматическим светом и белым светом? Как объяснить эти явления?

8. Участвует ли явление интерференции света при образовании дифракционного спектра на щели или решетке?

9. От чего зависит ширина полос дифракционного спектра? Что наблюдается на экране, если ширина щели намного больше длины волны l? Как объясняется это явление?

10. Чем отличаются дифракционные спектры, даваемые решетками с одинаковым количеством щелей, но с различными постоянными, и решетками с одинаковыми постоянными, но с различным количеством щелей?

11. Определите количество главных максимумов, наблюдаемых в дифракции света при помощи дифракционной решетки.

Список литературы

1. Детлаф А. А. Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие. – 8-е изд., стер. – М.: Академия, 2009. – 720 с.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. В 5 т. Т. 1. Механика: учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2011. – 352 с.

3. Трофимова Т. И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2012.

4. Трофимова Т. И. Физика в таблицах и формулах: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим специальностям. – 3-е изд., испр. – М.: Академия, 2009. – 448 с.

Лабораторная работа № 5

Измерение показателя преломления жидкостей
с помощью рефрактометра

Цель работы

– Ознакомление с принципом работы рефрактометра и исследование явления полного внутреннего отражения.

5.2. Задачи работы:

– Определить показатели преломления жидкостей с помощью рефрактометра.

– Определить зависимость показателя преломления от концентрации раствора жидкости.

– Определить концентрацию раствора жидкости используя рефрактометр.

Введение

Абсолютный показатель преломления среды n показывает во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света в среде. В свою очередь скорость света в среде зависит от длины волны падающего света и химического состава самой среды. Поэтому, зная показатель преломления раствора, можно определить содержание в ней растворенного вещества.

Для измерения концентрации растворенных веществ и определения показателя преломления раствора используют рефрактометры. Благодаря высокой точности они нашли широкое применение в разных промышленностях. В пищевой промышленности их используют для измерения содержания спирта в алкогольных продуктах, контроля содержания сахара в сахарном производстве, измерение массовой доли белков и сухих обезжиренных веществ в молоке, определение влажности меда и т. д. В медицине они применяются для определения белка в сыворотке крови, концентрации лекарств, плотности мочи. В фармацевтике они служат для исследования концентрации растворов различных лекарственных препаратов. В технике при обслуживании автомобилей, тракторов и судов рефрактометры применяются для определения сорта моторных топлив и охлаждающих жидкостей.

5.4. Компетенции, формируемые в результате выполнения
лабораторной работы

В результате выполнения лабораторной работы формируются следующие компетенции:

· способность демонстрировать базовые знания в области общенаучных дисциплин и готовность использовать основные законы в профессиональной деятельности;

· способность проводить эксперименты по заданной методике, обработку результатов, оценку погрешности и достоверности их результатов;

· способность сопоставлять экспериментальные данные с теоретическими положениями;

· способность оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы.

Перечисленные компетенции формируются через умения:

· работать с измерительными приборами;

· рассчитывать физические величины по экспериментальным данным;

· анализировать результаты опыта;

· оформлять отчет;

а также владения:

· теоретическим материалом;

· навыками измерения физических величин по приборам;

· технологией обработки экспериментальных данных.

Теоретическая часть

Рефрактометр служит для измерения абсолютного показателя преломления n жидких и твердых тел. Устройство рефрактометра основано на явлении полного внутреннего отражения.

Пусть луч падает на границу раздела двух сред со стороны оптически более плотной среды ( ). Для углов падения меньших некоторого , свет частично отражается. При преломленный луч отсутствует и наступает полное отражение. Предельный угол соответствует углу преломления 90° и следовательно

(1)

Зная показатель преломления одной из сред, и определяя на опыте предельный угол, можно с помощью (1) определить показатель преломления второй среды.

Пусть теперь свет падает на границу раздела со стороны оптически менее плотной среды. В зависимости от угла падения луч во второй среде может составлять с нормалью углы, расположенные в интервале от нуля до . Предельный угол преломления соответствует углу падения (скользящий луч). Легко видеть, что величина предельного угла и в этом случае определяется формулой (1).

Для определения теоретической зависимости показателя преломления от концентрации раствора жидкости воспользуемся классической электронной теорией дисперсии. При распространении световой волны в среде наиболее слабо связанный с ядром нейтрального атома электрон под действием внешнего электромагнитного излучения начинаeт смещаться из положения равновесия. Таким образом, нейтральный атом превращается в электрический диполь, направленный вдоль поля. Задача сводится к определению смещения электрона под действием удерживающей Кулоновской, тормозящей и вынуждающей силы, возникающая под действием световой волны. Также следует учесть, что электрон взаимодействует с окружающими молекулами среды, поляризованные действием света.

Уравнение дисперсии или уравнение движения электрона запишется в виде

(2)

где m – масса электрона, r – смещение электрона из положения равновесия, b – коэффициент затухания, b – константа упругой связи, e – заряд электрона, – напряженность внешнего поля, – поляризация среды, N – число атомов в веществе.

Умножив обе части уравнение (2) на и решив относительно P, учитывая соотношение Максвелла и , можно получить

(3)

где n – абсолютный показатель преломления вещества, r – плотность вещества, g – удельная рефракция вещества.

Как показывает опыт, рефракцию смеси веществ можно вычислить, если известны рефракции её отдельных компонентов и их процентное содержание в смеси, т.е.

(4)

Пусть С – массовая концентрация второго вещества в первом. Тогда из (3) и (4) получим

(5)

Последнее выражение (7) позволяет определить зависимость показателя преломления среды от концентрации раствора жидкости.

Зная показатель преломления раствора жидкостей, можно вычислить массовую концентрацию одной жидкости относительно другой. Выразив из (5) С, получим

(6)

Описание установки

Устройство рефрактометра

Прибор ИРФ-454 Б представляет собой современную модель рефрактометра Аббе (рис. 13). Он состоит из следующих основных частей: корпуса 1, измерительной головки 2 и зрительной трубы 3 с отсчетным устройством. В измерительной головке находится призменный блок Аббе, который жестко связан со шкалой отсчетного устройства, расположенной внутри корпуса. Шкала подсвечивается зеркалом и проектируется специальной оптической системой в поле зрения трубы.

Рис. 13. Устройство рефрактометра: 1 – корпус; 2 – измерительная головка; 3 – зрительная труба; 4 – маховик; 5 – маховик для регулировки четкости

Таким образом, в поле зрения трубы одновременно видны граничная линия, крест нитей, деления шкалы и визирный штрих шкалы. Чтобы найти границу раздела и совместить ее с перекрестием, необходимо вращать маховичок 4. Окрашенность наблюдаемой границы устраняется поворотом компенсатора с помощью маховичка 5. Вместе с компенсатором одновременно вращается барабан со шкалой, по которой в случае необходимости можно измерить дисперсию вещества. Подсветка исследуемого вещества осуществляется с помощью зеркала дневным светом или от электрической лампы накаливания.

Ход лучей в рефрактометре

Оптическая схема рефрактометра представлена на рис. 14. Основной частью его являются две стеклянные прямоугольные призмы 1 и 2 изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных треугольников, обращенных друг к другу гипотенузами; зазор между призмами имеет ширину около 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости.

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 15.

Свет проникает в призму 1 через грань EF и попадает в жидкость через матовую грань ED. Свет рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами ( ) падает на сторону AC призмы 2.

Скользящему лучу в жидкости ( ) соответствует предельный угол преломления . Преломленные лучи с углами больше не возникает. В связи с этим угол выхода лучей из грани AB может изменяться в интервале от некоторого значения до .

Если свет, выходящий из грани AB, пропустить через собирающую линзу 3, то в ее фокальной плоскости наблюдается резкая граница света и темноты. Граница рассматривается с помощью линзы 4. Линзы 3 и 4 образуют зрительную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен крест, образованный тонкими нитями.

Положение границы в фокальной плоскости линз зависит от величины показателя преломления жидкости . Вращая трубу относительно призм, можно совместить границу раздела света и ее тени с центром креста. В этом случае измерение преломления показателя сводится к измерению угла , образованного нормалью к грани AB и оптической осью зрительной трубы. В современных приборах труба укрепляется неподвижно, а оправа с призмами может поворачиваться. С оправой скреплен указатель перемещающейся по лимбу. Лимб градуирован непосредственно в значениях показателя преломления.

Рис. 14. Оптическая схема рефрактометра: 1, 2 – стеклянные призмы; 3, 4 – дисперсионные призмы

Изложенная теория рефрактометра, строго говоря, справедлива лишь в том случае, когда свет является монохроматическим. Дисперсия исследуемого вещества и стекла призм приводит к тому, что величина предельных углов и зависит от длины волны. При работе с белым светом наблюдаемая в поле зрения граница света и темноты (свет и полутени) часто оказывается размытой и окрашенной. Для того, чтобы получить и в этом случае резкое изображение, перед объективом трубы помещают компенсатор с переменной дисперсией. Компенсатор содержит две одинаковые дисперсионные призмы Амичи (призмы 3 и 4 на рис. 14), каждая из которых состоит из трех склеенных призм, обладающих различными показателями преломления и различной дисперсией. Призмы рассчитываются так, чтобы монохроматический луч с длиной волны Å (среднее значение длины волны желтого дублета натрия) не испытывал отклонения. Лучи с другими длинами волн отклоняются призмой в ту или иную сторону. Если положение призм соответствует рис. 4, то дисперсия двух призм равна удвоенной дисперсии каждой из них. При повороте одной из призм Амичи на 180° относительно другой (вокруг вертикальной оси) полная дисперсия компенсатора оказывается равной нулю, так как дисперсия одной из призм скомпенсирована дисперсией другой. В зависимости от взаимной ориентации призм дисперсия компенсатора изменяется, таким образом, в пределах от нуля до удвоенного значения дисперсии одной призмы.

Рис. 15. Ход лучей в рефрактометре: 1, 2 – стеклянные призмы;3, 4 – собирающие линзы

Для поворота призм друг относительно друга служат специальная рукоятка и система конических шестерен, с помощью которой призмы одновременно поворачиваются в противоположных направлениях. Вращая ручку компенсатора, следует добиваться того, чтобы граница света и тени в поле зрения стала достаточно резкой. Положение границы при этом соответствует длине волны , для которой обычно и приводятся значения показателя преломления .

При визуальном совмещении границы раздела света и тени с серединой креста нити наблюдатель, вообще говоря, допускает небольшие ошибки, в результате которых измеренные значения для одного итого же вещества в разных опытах не вполне точно совпадают между собой (случайный разброс). Рекомендуется поэтому проводить в каждом случае несколько измерений показателя преломления и определять среднее значение.

Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 459; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!