UNIWERSYSTET WARMIŃSKO-MAZURSKI

W OLSZTYNIE

WYDZIAŁ NAUK TECHNICZNYCH

I rok, studia stacjonarne

MECHATRONIKA

Ćwiczenia laboratoryjne

z

Fizyki

Temat 3: Właściwości optyczne i elektryczne materii. Pomiar współczynnika załamania światła w funkcji stężenia i temperatury.

Grupa III

1. Wstęp teoretyczny

Wiązka światła padając na granicę dwóch ośrodków przezroczystych o różnch gęstościach optycznych, ulega załamaniu. Stwierdzono, że dla dwóch ośrodków w niezmiennych warunkach fizycznych stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest wielkością stałą, zwaną współczynnikiem załamania. Jest to prawo Snelliusa.

Względny współczynnik załamania osrodka drugiego względem ośrodka pierwszego n wyraża się wzorem:

Bezwzględny współczynnik załamania substancji jest to stosunek prędkości c światła do prędkości fazowej światła w danej substancji:

Względny współczynnik załamania ośrodka drugiego względem pierwszego wyraża się więc wzorem:

gdzie:

n₁, n₂ – bezwzględne współczynniki załamania światła odpowiednio ośrodka 1 i 2.

Prędkość fali elektromagnetycznej w ośrodku zależy od częstotliwości tej fali, dlatego współczynnik załamania światła jest funkcją częstotliwości, czyli światło o różnej barwie padając na granicę dwóch ośrodków pod tym samym kątem ulega załamaniu pod różnym kątem. Stąd wniosek, że:

Wartość współczynnika załamania jest związana z wieloma właściwościami fizycznymi i fizykochemicznymi substancji, jak: przenikalność elektryczna (ε) i magnetyczna (µ) substancji, temperatura, ciśnienie itp. Według elektromagnetycznej teorii światła współczynnik załamania wyraża się wzorem:

Prędkość światła zależy od temperatury, stąd współczynnik załamania światła jest funkcją temperatury T:

W roztworach współczynnik załamania światła zależy od stężenia (C) substancji w roztworze:

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie współczynnika załamania kilku badanych cieczy za pomocą refraktometru oraz pomiar stężenia sacharozy w roztworze metodą refraktometryczną.

Przyrządy służące do pomiaru współczynnika załamania światła nazywają się refraktometrami. W ćwiczeniu poznamy jedną z metod pomiaru współczynnika załamania opartą na pomiarze kąta granicznego, wykorzystaną m. in. w refraktometrze Abbiego.

2. Wykonanie pomiarów

• Pomiar współczynnika załamania metodą graficzną

1. Położyć płytkę-równoległą na kartce papieru i rzucić na nią wąską wiązkę światła. Zaznaczyć dokładnie kierunek wiązki padającej i wychodzącej z płytki oraz ścianki płytki, przez które przechodzi światło.

2. Usunąć płytkę, zaznaczyć bieg promienia w płytce. Narysować prostopadłą padania na granicy ośrodków powietrze –szkło. Dokładnie zmierzyć kąt padania α i kąt załamania ρ oraz obliczyć współczynnik załamania. Pomiar wykonać dla kilku kątów padania.

3. W podobny sposób ustawić półkrążek szklany na drodze wiązki świetlnej, aby biegła ona wzdłuż promienia krzywizny półkrążka.

4. Nie zmieniając położenia ośrodka A, obrócić krążek, by promień załamany ślizgał się po jego powierzchni.

5. Zaznaczyć bieg wiązki padającej oraz załamanej. Usunąć krążek, wykreślić prostopadłą padania i zmierzyć kąt graniczny α_g. Obliczyć n.

6. Napełnić naczynie półokrągłe badaną cieczą.

7. Rzucić wzdłuż płaskiej ścianki naczynia wiązkę światła i odczytać na kątomierzu, zespolonym z naczyniem, kąt załamania α_g.

8. Obliczyć n.

9. Wyniki zestawić w tabelce.

Pomiar nr	α	β	n	nśr	αg	n	Ciecz nr	αg	n

• Wyznaczanie stężenia roztworów metodą refraktometryczną

1. Odchylić pryzmat nakrywkowy do góry i oczyścić powierzchnię pryzmatów za pomocą miękkiej ściereczki zwilżonej czystym alkoholem.

2. Za pomocą specjalnej płytki wzorcowej sprawdzić czy ustawienie (wyregulowanie) refraktometru jest prawidłowe. W ćwiczeniach czynność tę należy przeprowadzić przy użyciu wody, wiedząc, że jej współczynnik załamania w temp. 20˚C ma wartość n=1,3329. Szklaną bagietką lub kroplomierzem nanieść na powierzchnię pomiarową pryzmatu refraktometrycznego (P2) kilka kropel wody, aby cała powierzchnia została pokryta cienką warstewką.

3. Zamknąć pryzmat i suszyć obudowę.

4. Otworzyć okienko oświetlające (pryzmat nakrywkowy o oświetlić je (mniej więcej prostopadle) dostatecznie jasnym światłem żarówki lub dziennym.

5. Uchylić małe lusterko z lewej strony kadłuba przyrządu, oświetlić skalę i ustawić okular na ostre widzenie krzyża i skali.

6. Pokrętłem z prawej strony przyrządu doprowadzić do achromatyzacji (a zarazem ostrości) poziomej linii rozdziału części jasnej i ciemnej pola widzenia.

7. Pokrętłem z lewej strony kadłuba refraktometru naprowadzić linię rozdziału dokładnie na środek krzyża i na skali odczytać współczynnik załamania. Porównać otrzymany wynik z podaną wyżej wartością współczynnika załamania dla wody.

8. W ten SA sposób przeprowadzić pomiary dla badanej cieczy. Podczas pomiaru roztworów sacharozy odczytać wartość współczynnika załamania oraz stężenia C sacharozy (na dole skali).

9. Wyniki zestawić w tabelce i sporządzić wykres zależności współczynnika załamania od stężenia substancji w roztworze.

nω

n1

C1

n2

C2

n3

C3

n4

C4

n5

C5

n6

C6

Temp. pomiaru

3. Wnioski

5 | Strona