Nr ćwicz. 308	Data 15.12.1994		Wydział Elektryczny	Semestr III	Grupa I-4
Prowadzący:			Przygotowanie	Wykonanie	Ocena

Temat: Wyznaczanie współczynnika załamania światła za pomocą refraktometru Abbego.

1. Prawo załamania światła (Snella).

Promień świetlny na granicy dwóch ośrodków (optycznie gętszego i optycznie rzadszego) ulega załamaniu tworząc w ośrodku gęstszym mniejszy kąt z normalną do powierzchni niż w ośrodku rzadszym. Przy tym zja-wisku wyróżniamy kąt padania oraz kąt załamania promienia świetlnego. Stosunek sinusów obu tych kątów jest wielkością stałą dla danej pary ośrodków i danej długości fali świetlnej.

n1, n2 bezwzględne współczynniki załamania światła w ośrodkach.

Bezwzględny współczynnik załamania światła określony jest stosunkiem prędkości światła w próżni c do prędkości światła w danym ośrodku v.

Ze względu na to, że prędkość światła jest największa w próżni, bezwzględny współczynnik załamania światła jest dla wszystkich ośrodków materialnych większy od jedności.

Załamanie światła na granicy dwóch ośrodków materialnych jest określone ich względnym współczynnikiem załamania

W praktyce często przyjmuje się, że powietrze ma współczynnik załamania bardzo bliski wartości dla próżni (n=1).

2. Zależność współczynnika załamania światła od długości fali.

Ponieważ kąt w między promieniem świetlnym w drugim ośrodku a normalną do granicy ośrodków zależy od długości fali, zatem również wartość współczynnika załamania zależy od długości fali. Z tego względu zała-manie w odróżnieniu od odbicia moze być wykorzystane do rozłożenia wiązki światła na składowe o róznych długościach fali ( w tym ćwiczeniu efekt niepożądany).

3. Całkowite wewnętrzne odbicie.

Promienie biegnące z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego odchylają się od normalnej tym bardziej, im większy jest kąt padania a. Dla pewnej jego wartości promień świetlny nie wchodzi nawet do drugiego ośrodka "ślizgając się" po powierzchni granicznej. Co zgodnie z prawem Snella daje:

Przy dalszym zwiększaniu wartości kąta padania promień zaczyna odbijać się od powierzchni granicznej wra-cając do ośrodka pierwszego.

4. Procent energii odbitej i załamanej na granicy dwóch ośrodków.

W większości przypadków mamy do czynienia z dwoma zjawiskami naraz: odbiciem i załamaniem światła na granicy dwóch ośrodków. Pozostaje pytanie jaki procent energii niosą dalej fale odbita i załamana. Równania Maxwella pozwalają obliczyć w jaki sposób energia niesiona przez falę dzieli się pomiędzy nimi. Najlepiej widać to na przykładzie powietrze--szkło:

wiązka z powietrza do szkła

wiązka ze szkła do powietrza

5. Dyspersja światła.

Dyspersja to zjawisko polegające na rozszczepieniu światła białego przy przejściu przez pryzmat. Jest ono w tym ćwiczeniu niepożądane. Stosuje się więc układ pryzmatów, z których każdy odchyla światło w przeciwną stronę, ponieważ sa obrócone względem siebie o 180°. W sumie efekty ich działania się znoszą się. W refra-ktometrze układ ten służy do kompensacji dyspersji wywołanej przez badaną ciecz.

6. Refraktometr Abbego i zasada jego działania.

Zasadniczą częścią refraktometru Abbego są dwa prostokątne pryzmaty za szkła flintowanego, posiadające duży współczynnik załamania. Jeden z pryzmatów można odchylać obracając go wokół osi. Po odchyleniu na jego powierzchni na jego powierzchni przeciwprostokątnej umieszcza się kilka kropel badanej cieczy, która po dociśnięciu pryzmatów tworzy cinką płaskorównoległą warstwę. Należy tak ustawić pryzmaty, by część światła padała na ciecz pod kątem granicznym. Przy takim biegu promienia świetlnego w polu widzenia lunetki zauważymy obszar jasny i ciemny. Położenie granicy między tymi obszarami zależy od wartości współczynnika załamania cieczy. Granica ta jest naprowadzana na środek pola widzenia przez obrót pryzmatów za pomocą pokrętła sprzężonego z podziałką, z której odczytuje się wartość współczynnika załamania. By uniknąć niepożądanych efektów dyspersji wprowadzonej przez ciecz stosuje sie układ opisany punkt wyżej. Spotyka się też kryształy anizotropowe.

7. Kryształy anizotropowe.

Mają one nieliniowe właściwości przewodzenia światła w róznych kierunkach. Zachodzi tu zjawisko podwójnego załamania.

8. Pomiary.

Zależność współczynnika załamania od stężenia roztworu w temperaturze 24°C.

Stężenie roztworu wodnego gliceryny, Cp	Współczynnik załamania, n
woda	1,337
10 %	1,349
30 %	1,382
50 %	1,400
70 %	1,427

dn=0,001

Wykres zależności współczynnika załamania od stężenia procentowego roztworu gliceryny

w temperaturze pokojowej ( 24° C ).

Zależność współczynnika załamania od temperatury dla roztworu gliceryny o stężeniu 70%.

Temperatura, t [°C]	30	33	37	40	42	45	48	50	52	58	60	62	65
Współczynnik załamania, n	1,427	1,426	1,425	1,424	1,424	1,423	1,423	1,422	1,421	1,419	1,419	1,418	1,417

dt=1 dn=0,001

9. Wnioski.

Wiadomo że gęstosc wody (a także jej roztworów ) w zakresie temperatur (4 - 100)*C zmniejsza sie wraz ze wzrostem temperatury. Proporcjonalnie do zmniejszania się gęstości wody wzrasta prędkość poruszania się w niej światła - v, a to znowu powoduje zmiejszenie wartosci bezwzględnego współczynnika zalamania swiatla okreslonego wzorem n=c/v.

Przeprowadzone pomiary wykazują, w granicach błędu, liniową zależność bezwzględnego współczynnika za-łamania od temperatury dla roztworu gliceryny o stężeniu procentowym=70%. Można zatem przyjąć, że dla każdej wartości stężenia w/w roztworu zależność ta będzie liniowa.

Patrząc na pierwszy wykres nasuwa się pytanie, dlaczego prosta nie przecięła prostokątów błędów. Wydaje mi się, że spowodowane to zostało przeprowadzeniem tylko jednego pomiaru danej wartości, przez co pomi-nięty został błąd przypadkowy popełniany przy dokonywaniu pomiarów. Za wartość błędu przyjęto więc błąd systematyczny wynikający z jakości urządzenia, co nie uwzględnia rzeczywistości.

Sprawozdanie str. 1

---