Instrukcja - Fizyka UMK

I PRACOWNIA FIZYCZNA, INSTYTUT FIZYKI UMK, TORUŃ
Instrukcja do ćwiczenia nr 57

WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA
W CIECZY ZA POMOCĄ REFRAKTOMETRU ABBEGO
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i zasady działania refraktometru Abbego oraz
wykorzystanie zjawiska załamania światła do wyznaczenia wartości współczynnika załamania
światła w cieczach.
2. Zagadnienia do przygotowania
 współczynnik załamania światła oraz jego zależność od rodzaju ośrodka i długości fali światła
rozchodzącego się w tym ośrodku
 prawo załamania światła
 podstawowe elementy optyczne: soczewka, matówka, pryzmat (w zakresie koniecznym do
zrozumienia zasady działania refraktometru Abbego)
Rys. 1.
Refraktometr Abbego.

Aktualizacja: 2011-03-18
3. Przyrządy pomiarowe, opis i schemat aparatury
W pomiarach współczynnika załamania cieczy za pomocą refraktometru Abbego (rys. 1-2)
wykorzystuje się zjawisko załamania światła na granicy pomiędzy badaną cieczą i szkłem.
Głównym elementem przyrządu wykorzystywanego w doświadczeniu jest układ dwóch pryzmatów
z ciężkiego szkła (flintu), pomiędzy którymi wytwarzana jest cienka warstwa badanej cieczy. Jej
kroplę umieszcza się na matowej ścianie jednego z pryzmatów, tzw. oświetlającego (P1). Jest ona
następnie przyciskana za pomocą specjalnego zamka do przezroczystej ściany drugiego pryzmatu,
tzw. pomiarowego (P2). Do oświetlenia stosuje się światło białe (np. żarówki lub słoneczne),
kierowane do pryzmatu oświetlającego przy pomocy oświetlacza, tj. zwierciadła wklęsłego w
obrotowym uchwycie. Promienie światła rozproszonego przez matówkę padają na granicę
ciecz-szkło pryzmatu pomiarowego pod kątami z pełnego zakresu (0°–90°) i przechodzą przez nią,
załamując się pod różnymi kątami, ograniczonymi jednakże przez kąt graniczny β, który zależy od
współczynnika załamania cieczy względem szkła w sposób określony równaniem:
sin  
ncieczy
nszkla
Promienie światła pochodzące z całej powierzchni granicznej ciecz-szkło, załamane pod
największymi kątami, opuszczają pryzmat pomiarowy w kierunku układu wyjściowych elementów
optycznych. Przechodzą przez regulowane pryzmaty kompensujące dyspersję światła (która
nastąpiła przy przejściach światła przez granice ośrodków), a następnie przez soczewkę skupiającą
padają na matówkę umieszczoną w jej płaszczyźnie ogniskowej. Przyosiowe promienie padające na
taką soczewkę pod jednakowym kątem zbiegają się w płaszczyźnie ogniskowej, wytwarzając na
matówce obraz w postaci linii. Ograniczenie kątowe istniejące w wiązce opuszczającej pryzmat
pomiarowy skutkuje więc podziałem pola matówki wyjściowej na części oświetloną i nieoświetloną
(jasną i ciemną) z wyraźną granicą odpowiadającą maksymalnemu kątowi załamania β z
ewentualnym niewielkim barwnym rozmyciem związanym z dyspersją światła białego. Układ
pryzmatów i oświetlacza można precyzyjnie obracać względem osi O leżącej w płaszczyźnie ściany
pryzmatu pomiarowego, która jest kontakcie z badaną cieczą.
Rys. 2.
Zasada działania refraktometru Abbego.
Pokrętłem z lewej strony przyrządu przez obrót pryzmatów obszar z granicą pól jasnego i ciemnego
można przesunąć na matówce układu wyjściowego w ograniczone pole widzenia okularu
obserwacyjnego (okular z prawej strony), wyposażonego w znacznik w postaci krzyżujących się
linii. Pokrętło sprzężone jest z mechanizmem skali obserwowanej przez drugi okular (z lewej
strony), umożliwiającej bezpośredni odczyt bezwzględnego współczynnika załamania cieczy, a
także stężenia procentowego roztworu (w sytuacji, gdy badaną cieczą jest wodny rozwór cukru). W
związku z tym zastosowaniem uchwyty pryzmatów oświetlającego i pomiarowego wyposażone są
w króćce pozwalające na doprowadzenie wody o kontrolowanej temperaturze, której cyrkulacja
stabilizuje temperaturę pryzmatów i badanej cieczy (współczynnik załamania roztworu cukru zależy
bowiem nie tylko od jego stężenia, lecz w istotnym stopniu także od temperatury). Pokrętło z
prawej strony przyrządu pozwala na regulację układu pryzmatów kompensujących dyspersję:
światło przechodzi przez szereg dodatkowych płaskich powierzchni łamiących, dzięki czemu
zmniejszane zostają skutki początkowego rozszczepienia.
4. Przebieg ćwiczenia - tabela pomiarów
 refraktometr umieszczamy na stole oświetlonym białym światłem i przy pomocy zwierciadła
kierujemy światło do pryzmatu oświetlającego
 prawy okular ustawiamy na ostre widzenie znacznika (skrzyżowane linie)
 sprawdzamy, czy powierzchnie pryzmatów są suche i czyste
 za pomocą pipetki umieszczamy kroplę badanej cieczy na matowej powierzchni pryzmatu
oświetlającego i ostrożnie przyciskamy go do pryzmatu pomiarowego, przekręcając śrubę zamka
 pokrętłem z lewej strony przyrządu obracamy pryzmaty i patrząc przez prawy okular szukamy
obrazu dwóch pól: jasnego i ciemnego
 ciągle patrząc przez prawy okular i obracając drugim pokrętłem (z prawej strony przyrządu)
ustawiamy ostry i pozbawiony tęczowego rozmycia obraz granicy jasnego i ciemnego pola
(kompensacja dyspersji)
 obracając ponownie pokrętłem z lewej strony przyrządu ustawiamy linię graniczną dwóch pól
(jasnego i ciemnego) na skrzyżowaniu linii znacznika
 przez lewy okular odczytujemy ze skali wartość współczynnika załamania i zapisujemy go w
tabeli pomiarów
 odczytu dokonujemy pięciokrotnie dla tej samej cieczy, powtarzając kompensację i ustawienie
granicy pól na skrzyżowaniu linii znacznika
 powyższe czynności powtarzamy dla wszystkich cieczy dostępnych w zestawie, za każdym
razem dokładnie usuwając poprzednią ciecz z obydwu pryzmatów
5. Opracowanie wyników - schemat wykonania obliczeń
 dla każdej zbadanej cieczy obliczamy średnią wartość współczynnika załamania <n> i
przeprowadzamy analizę błędów pomiarowych (w tym obliczamy odchylenia standardowe
pojedynczego pomiaru i średniej oraz szacujemy niepewności, z jakimi zostały wyznaczone
współczynniki załamania)
 identyfikujemy ciecze na podstawie dostępnych w literaturze wartości współczynnika załamania
światła w cieczach
Tabela pomiarów.
nr cieczy
nr pomiaru
n
<n>
1
2
1
3
4
5
1
2
2
3
4
5
1
2
…
3
4
5
6. Literatura
 T. Dryński, „Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki”, wyd. VI, PWN, Warszawa 1977 (lub inne
wydanie)
 H. Szydłowski, „Pracownia fizyczna”, wyd. IX, PWN, Warszawa 1997 (lub inne wydanie)
 A. Zawadzki, H. Hofmokl, „Laboratorium fizyczne”, PWN, Warszawa 1968
 A. Bielski, R. Ciuryło, „Podstawy metod opracowania pomiarów”, wyd. II, Wydawnictwo
Naukowe UMK, Toruń 2001