Лабораторная работа №42 "Определение показателя преломления стекла"

Лабораторная работа № 42

Раздел 5. Оптика

Тема 5.1. Природа света

Название работы: определение показателя преломления стекла

Учебная цель: наблюдать преломление света с помощью стеклянной пластины с двумя параллельными гранями, использовать законы преломления для расчета показателя преломления.

Учебные задачи: определить показатель преломления стекла относительно воздуха, сравнить с табличным значением, оценить погрешности

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения практического занятия

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Студент должен

уметь: измерять показатель преломления вещества, делать выводы на основе экспериментальных данных. Представлять результаты измерений с учётом их погрешностей

знать: законы преломления света, что такое коэффициент преломления, его физический смысл

Обеспеченность занятия:

- методические указания по выполнению лабораторного занятия

- лабораторная тетрадь, стеклянная пластинка с двумя параллельными гранями, стеклянный полуцилиндр, Бумажный круг с градусами, карандаш хорошо отточенный, транспортир, линейка, циркуль, экран с щелью, источник света, таблица тригонометрических функций, таблица показателей преломления веществ относительно воздуха, бумага писчая

Порядок проведения занятия:

Для выполнения лабораторной работы учебная группа выполняет три задания (с разными пластинами)

Теоретическое обоснование 

Свет при переходе из одной среды в другую меняет своё направление, т. е. преломляется. Преломление объясняется изменением скорости при переходе из одной среды в другую и подчиняется следующим законам:

1. Падающий и преломлённый лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым через точку падения луча к границе раздела двух сред.

2. Отношение синуса угла падения  к синусу угла преломления  – величина постоянная для данных двух сред и называется коэффициентом преломления n второй среды относительно первой: n = = n

Вопросы для закрепления теоретического материала к занятию:

1. В чём сущность явления преломления света и какова причина этого явления?

2. В каких случаях свет на границе раздела двух прозрачных сред не преломляется?

3. Что называется коэффициентом преломления и в чём различие абсолютного и относительного коэффициентов преломления?

4. Докажите, что показатель преломления второй среды относительно первой

n 2,1 = n 2 / n 1, где n 1 и n 2 –абсолютные показатели первой и второй

сред.

5. Как определить геометрически показатель преломления n оп.

6. Как с помощью радиуса и перпендикуляра к нормали определить

синус угла падения и синус угла преломления?

1. Как рассчитать абсолютную погрешность показателя преломления стекла n?

2. Как рассчитать относительную погрешность измерения показателя преломления стекла? Каковы численные значения?

3. Что показывает запись результата опыта n оп - n ≤ n ≤ n оп + n?

4. Зависит ли показатель преломления стекла от угла падения луча света на пластину? Где в вашем опыте это видно?

5. Чему соответствует ваш показатель преломления стекла по таблице? Что это за вещество или какой вид оптического стекла?

Содержание и Последовательность выполнения практической работы:

Задачи практической работы:

Задание 1

1. Положить стеклянную пластинку на лист бумаги, обвести хорошо отточенным карандашом её контуры.

2. Щель экрана направить на источник света. Экран перемещать, пока луч света не попадёт в среднюю точку на грань пластины.

3. Отметить точками 1, 2, 3, 4 падающий луч на пластину и вышедшей луч из неё.

4. Снять пластину (рисунок1) через точки 1, 2, 3, 4 провести прямые до пересечения с противоположными гранями. Через точку 2 провести перпендикуляр к границе сред воздух – стекло.

5. Отметить угол падения и угол преломления, транспортиром измерить эти углы и по таблице значений синусов определить синусы измеренных углов.

6. Опыт повторить 2 – 3 раза, меняя каждый раз угол.

7. Вычислить коэффициент преломления, найти среднее значение. Определить погрешность измерения методом среднего арифметического.

8. Результаты измерений, вычислений записать в таблицу №1

Таблица №1

Задание 2

Рекомендации

Для определения отношения, стоящего в правой части формулы,

n = ,

поступают следующим образом. Перед тем, как направить на пластину световой пучок, её располагают на столе, на листе миллиметровой бумаги так, чтобы одна из её параллельных граней совпала с предварительно отмеченной линией на бумаге. Эта линия укажет границу раздела сред воздух – стекло. Тонко очинённым карандашом проводят линию вдоль второй параллельной грани. Эта линия изображает границу раздела сред стекло – воздух. Не смещая пластины, на её первую параллельную грань направляют узкий световой пучок под каким – либо углом к грани. Вдоль падающего на пластину и вышедшего из неё световых пучков тонко очинённым карандашом ставят точки 1, 2, 3, 4 (рисунок 2). Лампочку выключают, пластину снимают и с помощью линейки прочерчивают входящий и преломлённый лучи. Через точку. В границы раздела сред воздух – стекло проводят перпендикуляр к границе, отмечают углы падения  и преломления . Циркулем проводят окружность с центром в точке В и строят прямоугольные треугольники АВЕ и СВД.

Так как Sin = , Sin  = и АВ. = ВС, то формула для определения показателя преломления стекла примет вид

n = (1)

Длину отрезков АЕ и DC измеряют по миллиметровой бумаге или с помощью линейки. Инструментальную погрешность можно считать равной 1 мм.

Максимальная относительная погрешность определяется по формуле: _пр . приближённое значение рассчитывается по формуле (1).

Окончательный результат измерения показателя преломления записывается так: n = n_пр 

Порядок выполнения работы

1. Подготовить бланк отчёта с таблицей для записи результатов измерений и вычислений, таблица №2

2. Подключить лампочку через выключатель к источнику тока. С помощью экрана с щелью получить тонкий световой пучок.

3. Измерить показатель преломления стекла относительно воздуха, при каком – ни будь угле падения. Результат записать с учётом погрешностей.

4. Повторить то же при другом угле падения.

5. Сравнить результаты, полученные по формулам n₁пр -  n₁  n₁  n₁пр +  n₁ n₂пр -  n₂  n₂  n₂пр +  n₂.

6. Сделать вывод о зависимости (или независимости) показателя преломления от угла падения.

Рисунок 1 Рисунок 2

Таблица №2

Задание 3

Порядок выполнения работы

1. Положить стеклянный полуцилиндр на бумажный круг, разделённый на градусы, так чтобы центр круга и центр полуцилиндра совпадали рисунок 4

2. Щель экрана направить на источник света перемещать прибор до тех пор, пока луч света не попадёт в среднюю точку на плоской грани полуцилиндра, рисунок 5

Рисунок 5

Рисунок 4

Измерить по кругу угол падения луча α и угол преломления и их значения использовать для определения коэффициента преломления стекла.

1. Перемещая экран со щелью получить несколько значений для углов падения и преломления луча.

2. Направить световой луч перпендикулярно плоской грани полуцилиндра, пронаблюдать ход луча в полуцилиндре и сделать вывод.

3. Результаты измерений вычислить и записать в таблицу №2

4. Найти среднее значение коэффициента преломления и вычислить методом среднего арифметического погрешности измерения

По окончанию практической работы студент должен представить: - Выполненную в лабораторной тетради работу в соответствии с вышеуказанными требованиями.

Список литературы: 

1. В. Ф. Дмитриева Физика для профессий и специальностей технического профиля М.: ИД Академия – 2018

2. Р. А. Дондукова Руководство по проведению лабораторных работ по физике для СПО М.: Высшая школа,2000

3. Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями

О. М. Тарасов М.: ФОРУМ-ИНФА-М, 2017