Grzegorz F - (EU

Grzegorz F. Wojewoda
Zespół Szkół Ogólnokształcących nr 1
Bydgoszcz
Wyznaczanie wartości współczynnika załamania
Jest dobrze! Nareszcie można sprawdzić doświadczalnie wartości współczynników załamania
podawanych w podręcznikach i zbiorach zadań!
Oby tylko naszym uczniom chciało się to zrobić. Mamy nadzieję, że tak. W tym celu przygotowaliśmy dwa ćwiczenia pozwalające samodzielnie uczniom wyznaczyć wartość współczynnika
załamania za pomocą siatki dyfrakcyjnej oraz za pomocą polaryzatora.
A. Wyznaczanie wartości współczynnika załamania za pomocą siatki dyfrakcyjnej
1. Potrzebne materiały
Do wykonania doświadczeń potrzebne
będą:
 wskaźnik laserowy (może być też
poziomica laserowa),
 siatka dyfrakcyjna (można użyć
siatki wykonanej z płyty DVD –
patrz opis spektroskopu na stronie
HOU, ale lepsze wyniki otrzymamy
korzystając z siatek dostępnych w
wydawnictwie Zamkor)
 przeźroczyste naczynie,
 dwie klamerki do wieszania bielizny,
Rys. 1. Zestaw elementów niezbędnych do wykonania doświadczeń
 taśma klejąca (najlepsza jest taśma izolacyjna),
 nożyczki,
 kalka techniczna (lub inny półprzeźroczysty papier),
 dowolna książka (będzie ona podstawką pod laser).
2. Wykonanie
Za pomocą nożyczek odcinamy kawałek kalki technicznej, a następnie przyklejamy go do jednej
z zewnętrznych ścian naczynia. Do przeciwległej ściany przyklejamy siatkę dyfrakcyjną
Rys. 2. Przygotowanie naczynia do doświadczenia
Do gotowego naczynia nalewamy wodę, lub inną ciecz, której współczynnik załamania chcemy
wyznaczyć.
Rys. 3. Naczynie wypełnione cieczą.
Ustawiamy laser w taki sposób, aby jego wiązka przechodziła przez ciecz i zaznaczamy na
ekranie położenia prążka zerowego oraz dwóch prążków pierwszego rzędu.
Rys. 4. Ustawienie lasera względem naczynia z cieczą.
Zmieniamy wysokość, na której znajduje się laser w taki sposób, aby teraz wiązka przechodziła
nad powierzchnią cieczy. Powtórnie zaznaczamy położenie prążków interferencyjnych.
Rys. 5. Nowe ustawienie lasera względem naczynia z cieczą
3. Wyniki doświadczenia
Zaznaczone na ekranie odległości między prążkami pierwszego rzędu powinny być mniejsze
wtedy, gdy światło promień światła laserowego przechodził przez wodę, niż wtedy, gdy światło
rozchodziło się w powietrzu. Można to lepiej zauważyć wtedy, gdy zamiast wskaźnika laserowego użyjemy poziomicy laserowej (jest to produkt dostępny w sklepach budowlanych)
Rys. 6. Układ doświadczalny z poziomica laserową
Rys. 7. Różnice w położeniu prążków interferencyjnych w wyniku przejścia przez wodę oraz przez powietrze
4. Opracowanie wyników doświadczenia
Jasne prążki I rzędu spełniają warunek:
- w powietrzu: d ⋅ sin α1 = λ1
- w wodzie: d ⋅ sin α 2 = λ2
Z geometrii układu doświadczalnego:
x1
x
, w wodzie: tgα2 = 2
l
l
Możemy skorzystać z przybliżenia małych kątów: sinα = tgα
Więc długości fal świetlnych:
d ⋅ x1
d ⋅ x2
w powietrzu: λ1 =
, w wodzie: λ2 =
l
l
Współczynnika załamania wody względem powietrza:
vp
n=
vw
w powietrzu: tgα1 =
gdzie: v p =ν ⋅ λ1 - prędkość światła w powietrzu,
v w =ν ⋅ λ2 - prędkość światła w wodzie
Ostatecznie wartość współczynnika załamania wody względem powietrza:
λ
x
n= 1 = 1
λ2 x 2
Według naszych pomiarów wartość współczynnika załamania wody wynosi 1,29. Wartość ta nie
odbiega zbyt od tych podawanych w tablicach, czyli 1,3
B. Wyznaczanie wartości współczynnika załamania za pomocą polaryzatora
1. Potrzebne materiały
Do wykonania doświadczeń potrzebne
będą:
 wskaźnik laserowy,
 polaryzator liniowy (niezłe wyniki
otrzymamy korzystając z polaryzatorów dostępnych w wydawnictwie
Zamkom, ale może być polaryzator
odzyskany z wyświetlacza kalkulatora lub telefonu komórkowego))
 szyba, której współczynnik załamania chcemy wyznaczyć (może być
dowolny, wypolerowany dielektryk),
 przyrząd do mierzenia kątów,
 klamerki do wieszania bielizny,
Rys. 8. Zestaw elementów niezbędnych do wykonania do taśma klejąca (najlepsza jest taświadczeń
śma izolacyjna),
 biały papier (będzie służył jako
ekran),
 dowolne książki (będzie one podstawkami pod zestawy doświadczalne),
 dużo cierpliwości .
2. Wykonanie
Za pomocą klamerek do bielizny ustawiamy pionowo badaną szybę. Pod szybą umieszczamy
kątomierz. Dolna krawędź szyby powinna pokrywać się idealnie z wyznaczona przez kątomierz.
Rys. 9. Sposób ustawienia szyby na kątomierzu
Na drugiej książce stawiamy laser i oświetlamy szybę w taki sposób, aby można było zobaczyć
promienie padający i odbity. Ksiązki świetnie się do tego nadają, bo można zmieniając ilość
stron, na których leżą przyrządy optyczne, precyzyjne ustawić ich wzajemne położenie.
Rys. 10. Oświetlenie szyby za pomocą lasera
Na drodze promienia odbitego umieszczamy polaryzator liniowy. Sposób zamocowania umożliwia jego swobodny obrót wokół osi równoległej do promienia światła odbitego od szyby.
Rys. 11. Położenie polaryzatora względem promienia odbitego.
Światło odbite od szyby jest częściowo (a w szczególnym przypadku całkowicie) spolaryzowane. Naszym zadaniem jest uzyskanie takiego ustawienia kąta padania światła na szybę oraz takie ustawienia polaryzatora, aby światło odbite nie przeszło przez polaryzator! Szukanie takiego
ustawienia wymaga sporo cierpliwości i uwagi podczas pracy. Gdy to nastąpi możemy przyjąć,
że światło odbite od szyby jest całkowicie spolaryzowane. Kąt padania, przy którym światło odbite jest całkowicie spolaryzowane stanowi wynik naszego doświadczenia.
Rys. 12. Uzyskany na ekranie obraz światła odbitego od szyby
3. Opracowanie wyników doświadczenia
Na granicy dwóch ośrodków dielektrycznych następuje częściowe odbicie oraz załamanie światła. Gdy pomiędzy promieniem odbitym i załamanym jest kąt 900, to światło odbite jest spolaryzowane liniowo. Kąt padania, przy którym jest spełniony ten warunek nazywamy kątem Brewstera. Związek między kątem Brewstera a współczynnikiem załamania jest następujący:
tgα = n
Oznacza to, że w naszym doświadczeniu nie interesuje nas promień załamany, tylko promień
odbity. Nie ma więc znaczenia grubość dielektryka od którego odbija się promień całkowicie
spolaryzowany. Można więc używać tej metody do wyznaczenia współczynnika załamania dielektryka nieprzeźroczystego.
Program nauczania
Szkoła ponadgimnazjalna
Podstawa programowa: Światło i jego rola w przyrodzie. Interferencja i dyfrakcja. Polaryzacja
światła.
Tematy lekcji: Badanie zjawiska dyfrakcji i interferencji
Zjawisko polaryzacji