WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA SZKŁA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU.

Transkrypt

1 0.X.00 ĆWICZENIE NR 76 A (zestaw ) WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA SZKŁA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU. I. Zestaw przyrządów:. Spektrometr (goniometr), Lampy spektralne 3. Pryzmaty II. Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z budową i zasadą działania spektrometru, pomiary kąta łamiącego pryzmatu oraz kąta minimalnego odchylenia, wyznaczenie współczynnika załamania dla różnych długości fali. III. Wykonanie pomiarów: Zadania podstawowe: pomiary wykonać dla jednego pryzmatu.. Regulacja przyrządu Zaleca się sprawdzić, czy oś obrotu lunety spektrometru i oś obrotu stolika się pokrywają. Jeżeli nie spektrometr A można wyregulować przy pomocy śrub regulujących położenie stolika. W tym celu należy wykonać następujące czynności: a) Ustawić na stoliku badany pryzmat tak, aby śruby regulujące pochylenie stolika znalazły się naprzeciw krawędzi pryzmatu. b) Za pomocą przełącznika (4) włączyć żarówkę oświetlającą krzyż w lunecie. c) Ustawić lunetę tak, aby jej oś była prostopadła do jednej ze ścian pryzmatu. W polu widzenia powinny być wtedy widoczne dwa krzyże: jasny, podwójny oraz drugi ciemny. Naprowadzić obydwa krzyże na siebie tak, aby ich pionowe i poziome ramiona się pokrywały. Szczegółowy opis regulacji spektrometru A : Gdy przyrząd jest rozregulowany (rys. a). Należy wtedy: rys.a rys.b rys.c d) Kręcąc śrubą regulującą pochylenie stolika (tą, która znajduje się naprzeciw ściany pryzmatu, na którą pada światło) zmniejszyć odległość między poziomymi ramionami obu krzyży o połowę (rys.b). e) Ustawić lunetkę naprzeciw drugiej ze ścian pryzmatu i zobaczyć obraz obu krzyży. Jeśli się nie pokrywają, śrubą regulującą pochylenie stolika leżącą naprzeciw tej ściany pryzmatu zmniejszyć odległość między poziomymi ramionami krzyży o połowę. f) Wrócić do pierwszego położenia lunety i w razie potrzeby znów zmniejszyć odległość między poziomymi ramionami krzyży o połowę. Regulacje te (dla obu położeń lunetki) powtarzać tak długo, aż oba krzyże będą się dokładnie pokrywać (rys. c). Oznaczać to będzie, że oś obrotu lunety pokrywa się z osią obrotu stolika i przyrząd jest właściwie wyregulowany.

2 Podczas dalszych pomiarów nie wolno zmieniać położenia śrub regulujących pochylenie stolika!. Wyznaczanie kąta łamiącego pryzmatu: Metoda autokolimacji dla spektrometru nr A : a) Ustawiamy pryzmat na stoliku spektrometru w sposób przedstawiony na rys.. p rys. b) Po włączeniu (4) oświetlenia krzyża w lunetce ustawić ją prostopadle do jednej ze ścian pryzmatu doprowadzając obydwa krzyże: jasny i ciemny do pokrycia się. Następnie zaciskiem () zablokować lunetę i pokrętłem () drobnego ruchu lunety doprowadzić do precyzyjnego pokrycia się obu krzyży. Korzystając z mikroskopu odczytowego () odczytać wartość kąta l (przykładowy odczyt wartości kąta jest na str. 7). c) Ustawić lunetę naprzeciw drugiej ściany pryzmatu i powtarzając czynności opisane powyżej odczytać kąt p. d) Pomiary kątów powtórzyć kilkakrotnie o e) Obliczyć kąt łamiący ze wzoru: 80 p l w tym wzorze należy podstawić wartości średnie zmierzonych kątów Metoda promieni odbitych od ścian bocznych pryzmatu. rys. 3. a) Oświetlić szczelinę kolimatora (9) światłem białym. b) Ustawić lunetę (3) spektrometru naprzeciw kolimatora i znaleźć ( kręcąc regulacją przy okularze ) ostry obraz szczeliny kolimatora na tle krzyża celowniczego lunetki. Następnie, używając regulacji przy szczelinie kolimatora dobrać jej szerokość tak, aby wynosiła ok. 0,5mm. c) Ustawić na stoliku spektrometru badany pryzmat krawędzią łamiącą na wprost kolimatora tak, aby krawędź ta leżała blisko osi stolika i by wiązka wychodząca z kolimatora oświetlała obie ścianki pryzmatu (rys. 3). d) Ustawić lunetę na przedłużeniu promieni odbitych od jednej ze ścian pryzmatu. W lunecie powinien być wtedy widoczny obraz szczeliny.

3 e) Naprowadzić krzyż celowniczy na obraz szczeliny. Zaciskiem () zablokować lunetę i pokrętłem () drobnego ruchu lunety ustawić środek krzyża na środek obrazu szczeliny. Odczytać położenie lunety l. f) Powtórzyć powyższe czynności dla obrazu szczeliny otrzymanego po odbiciu promieni od drugiej ściany pryzmatu. Pomiary kątów powtórzyć kilkakrotnie. p l g) Ze wzoru: Obliczyć kąt łamiący pryzmatu. W tym wzorze należy podstawić wartości średnie zmierzonych kątów. 3. Wyznaczanie kąta najmniejszego odchylenia. a) Oświetlić szczelinę kolimatora którąś z dostępnych na stanowisku pomiarowym lamp spektralnych. b) Ustawić na stoliku pryzmat tak, aby odchylał bieg promieni (rys. 4a) rys.4a rys. 4b c) Znaleźć obraz widma (będzie to widmo liniowe). d) Odblokować zacisk (7) obrotu stolika. Obracając stolik z pryzmatem zaobserwować, że obraz widma będzie się przesuwał tylko do pewnego miejsca, a następnie zawróci pomimo dalszego obracania pryzmatu w tym samym kierunku. Ustawić lunetę w tym zwrotnym położeniu dla wybranej linii widma, tzn. naprowadzić krzyż celowniczy lunety na obraz szczeliny. Zablokować lunetę śrubą () i pokrętłem () drobnego ruchu lunety ustalić jej położenie tak, aby środek krzyża celowniczego wypadł dokładnie w środku linii ustawionej na min. Odczytać wtedy położenie l. Pomiar powtórzyć kilka razy. e) Obrócić pryzmat do położenia przedstawionego na rys. 4b i powtarzając opisane powyżej czynności zmierzyć kilkakrotnie kąt p dla tej samej linii spektralnej. f) Wykonać (po kilka razy) pomiary dla pozostałych linii widmowych dla wszystkich dostępnych na stanowisku pomiarowym lamp spektralnych. g) Obliczyć kąty najmniejszego odchylenia dla zmierzonych linii widmowych korzystając ze wzoru: p l min We wzorze tym należy podstawić średnie wartości zmierzonych kątów l i p. Uwaga: Dla danej lampy spektralnej wygodnie jest wyznaczyć dla wszystkich linii widmowych najpierw l a następnie p. min sin h) Ze wzoru: n sin wyznaczyć współczynniki załamania światła pryzmatu dla różnych długości fal świetlnych. 3

4 IV. Opracowanie wyników pomiarów. a) Otrzymane wyniki pomiarów, wyliczeń oraz niepewności pomiarowych przedstawić w tabelach Tabela. Wyznaczanie kąta łamiącego pryzmatu. Lp. l α l α l p α p α p [] [] [] [] [] [] [] [rd] Tabela. Wyznaczanie współczynników załamania szkła pryzmatu (dla jednej dł. fali). Lp. l αl α l p α p α p min min n n [nm] [] [] [] [] [] [] [] [rd] % b) Niepewności pomiarów kątów l i p wyznaczyć jako średnie błędy kwadratowe wartości średniej. Jeśli niepewności te będą mniejsze niż dokładność przyrządu, jako błąd przyjąć dokładność przyrządu. c) Wykonać wykres krzywej dyspersji materiału pryzmatu n = n( ). d) Wyznaczyć średnią dyspersję materiału pryzmatu oraz współczynnik dyspersji. e) Niepewność współczynnika załamania n wyznaczyć metodą pochodnej logarytmicznej lub różniczki zupełnej. Uwaga: Błędy cząstkowe i min, które mają wpływ na niepewność współczynnika załamania wyrazić w radianach! Schemat lunety autokolimacyjnej. Δn n 4

5 Goniometr Okular mikroskopu odczytowego.. Okular lunety autokolimacyjnej. 3. Luneta autokolimacyjna. 4. Żarówka oświetlająca lunetę. 5. Stolik. 6. Śruba regulacyjna stolika. 7. Zacisk obrotu stolika. 8. Zacisk podnoszenia stolika. 9. Kolimator. 0. Pierścień regulacji szczeliny.. Pokrętka ruchu drobnego lunety.. Zacisk lunety. 3. Zatrzask zwalniający krąg podziałowy (z tyłu). 4. Wyłącznik oświetlenia lunety autokolimacyjnej. 5. Wyłącznik przyrządu. Przykładowy odczyt wartości kąta: = 88 3,5 5

6 ĆWICZENIE NR 76 ( zestaw i 3) WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA SZKŁA ZA POMOCĄ SPEKTROMETRU. II. Zestaw przyrządów:. Spektrometr (goniometr) Lampy spektralne 3. Pryzmaty II. Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z budową i zasadą działania spektrometru, pomiary kąta łamiącego pryzmatu oraz kąta minimalnego odchylenia, wyznaczenie współczynnika załamania dla różnych długości fali. Opis spektrometru (goniometru): Blokada lunety. Blokada stolika pomiarowego 3. Zasilacz lampy spektralnej 4. Lampa spektralna w obudowie 5. Kolimator ze szczeliną 6. Luneta 7. Skala stolika pomiarowego 8. Skala lunety 9. Stolik pomiarowy 0. Część ruchoma stolika pomiarowego

7 . Wyznaczanie kąta łamiącego pryzmatu... Metoda promieni odbitych od ścian bocznych pryzmatu. rys.. a) Włączyć zasilanie lampy spektralnej (3). b) Zwolnić blokadę lunety () i ustawić lunetę (6) spektrometru naprzeciw kolimatora (5). Znaleźć ostry obraz szczeliny kolimatora na tle krzyża celowniczego lunety. c) Zablokować stolik pomiarowy (9) pokrętłem (). Ustawić na stoliku badany pryzmat krawędzią łamiącą na wprost kolimatora tak, aby krawędź ta leżała blisko osi stolika i by wiązka wychodząca z kolimatora oświetlała obie ścianki pryzmatu (rys. ). d) Ustawić lunetę po lewej stronie na przedłużeniu promieni odbitych od jednej ze ścian pryzmatu. W lunecie powinien być wtedy widoczny obraz szczeliny. e) Naprowadzić krzyż celowniczy na środek obrazu szczeliny. Pokrętłem () zablokować lunetę. Ze skali (8) odczytać położenie lunety l. f) Powtórzyć powyższe czynności dla obrazu szczeliny otrzymanego po odbiciu promieni od drugiej ściany pryzmatu. Odczytać p. Pomiary kątów powtórzyć kilkakrotnie. g) Obliczyć kąt łamiący pryzmatu ze wzoru: gdzie l i p p l,, to wartości średnie położeń lunety po lewej i prawej stronie, odpowiednio... Metoda lunety i kolimatora. rys.. 7

8 a) Zwolnić blokadę lunety () i ustawić lunetę (6) pod możliwie ostrym kątem względem kolimatora (5), rys.. Zablokować obrót lunety pokrętłem (). Nie zmieniać położenia lunety w trakcie pomiaru. b) Na stoliku pomiarowym (9) umieścić badany pryzmat tak, aby jego środek znajdował się na osi obrotu stolika, i nie zmieniać jego położenia w trakcie pomiaru. c) Zablokować stolik pomiarowy pokrętłem () i obracać ruchomą górą stolika (0), aż do momentu, gdy w lunecie będzie widoczny ostry obraz szczeliny odbity od pierwszej ściany pryzmatu. Delikatnie obracając stolik, ustawić obraz szczeliny na środku krzyża celowniczego. d) Odczytać I - wskazanie ze skali stolika pomiarowego (7). e) Obrócić ruchomą część stolika pomiarowego (0) o około 80 tak, aby obraz szczeliny odbijał się od drugiej ściany pryzmatu. f) Obrotem stolika (0) ponownie ustawić obraz szczeliny na środku krzyża celowniczego i ze skali (7) odczytać położenie II. g) Położenia stolika I i II zmierzyć kilkakrotnie posługując się zawsze skalą (7). h) Obliczyć kąt łamiący pryzmatu ze wzoru: 80, gdzie I II. i) Pomiary, tj. punkty od a) do h) powtórzyć dla innych ustawień lunety względem kolimatora.. Wyznaczanie kąta najmniejszego odchylenia. a) Ustawić na stoliku (9) pryzmat tak, aby odchylał bieg promieni (rys. 3a) rys. 3a rys. 3b b) Zwolnić blokadę lunety () i znaleźć obraz widma (będzie to widmo liniowe). c) Zablokować stolik pomiarowy pokrętłem (). Obracając górą stolika (0) z pryzmatem obserwować przez lunetę obraz widma. Zaobserwować, że wraz z obrotem stolika widmo liniowe przesuwa się w jednym kierunku, a następnie zawraca, pomimo dalszego obracania stolika w tą samą stronę. Zmienić kierunek obrotu stolika. Zaprzestać obrotu stolika pomiarowego w momencie, gdy wybrana linia widma zaczyna przesuwać się w przeciwnym kierunku. d) Naprowadzić krzyż celowniczy lunety (6) na środek linii widmowej. Odczytać ze skali (8) położenie l. Kąt l zmierzyć dla każdej linii widmowej (długości fali poszczególnych linii zostały wyszczególnione w Tabeli 6). e) Obrócić górę stolika (0) wraz z pryzmatem do położenia przedstawionego na rys. 3b i powtarzając czynności od b) do d) zmierzyć kąt p dla każdej linii spektralnej. 8

9 f) Wyznaczyć kąt najmniejszego odchylenia dla każdej linii widmowej korzystając ze wzoru: min p l. g) Wyznaczyć współczynniki załamania światła pryzmatu dla różnych długości fal świetlnych używając wyrażenia: sin n sin min. III. Opracowanie wyników pomiarów. a) Otrzymane wyniki pomiarów, wyliczeń oraz niepewności pomiarowych przedstawić w tabelach Tabela. Lp. Wyznaczanie kąta łamiącego pryzmatu. α α p α p l l l α p [] [] [] [] [] [] [] [rd] Tabela. Wyznaczanie współczynników załamania szkła pryzmatu (dla jednej dł. fali). Lp. l αl α l p α p α p min min n n [nm] [] [] [] [] [] [] [] [rd] % Δn n b) Niepewności pomiarów kątów l i p wyznaczyć jako średnie błędy kwadratowe wartości średniej. Jeśli niepewności te będą mniejsze niż dokładność przyrządu, jako błąd przyjąć dokładność przyrządu. c) Wykonać wykres krzywej dyspersji materiału pryzmatu n = f( ). d) Wyznaczyć średnią dyspersję materiału pryzmatu oraz współczynnik dyspersji. e) Niepewność współczynnika załamania n wyznaczyć metodą pochodnej logarytmicznej lub różniczki zupełnej. Uwaga: Błędy cząstkowe i min, które mają wpływ na niepewność współczynnika załamania wyrazić w radianach! 9