INSTYTUT FIZYKI WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI I TECHNOLOGII MATERIAŁÓW POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA PRACOWNIA OPTYKI Ć W I C Z E N I E N R O- WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA ZAŁAMANIA ŚWIATŁA DLA CIAŁ STAŁYCH I CIECZY ZA POMOCĄ REFRAKTOMETRU PULFRICHA.
Ćwiczeie O-: Wyzaczaie współczyika załamaia światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha I. Zagadieia do opracowaia 1. Fizycza atura światła. Współczyik załamaia 3. Zjawisko załamaia i odbicia światła 4. Refraktometr Pulfricha 5. Metoda pomiaru II. Wprowadzeie teoretycze Fale elektromagetycze z zakresu widzialego (400-800 m) zwyczajowo azywae są światłem. Fale z zakresu widzialego, którym odpowiada ajkrótsza długość fali mają barwę fioletową, atomiast falom o ajwiększej długości odpowiada barwa czerwoa. Fale spoza zakresu widzialego: krótsze tj. promieiowaie ultrafioletowe, retgeowskie, gamma, oraz dłuższe tj. podczerwień, mikrofale, fale radiowe mają tę samą aturę co światło. Fale elektromagetycze w próżi rozchodzą się z prędkością około 3*10 8 m/s Światło w pewych doświadczeiach tj. iterferecja, dyfrakcja, polaryzacja, wykazują falową aturę, a wiych jak p. zjawisko fotoelektrycze zewętrze wykazują aturę korpuskularą. Dlatego mówi się o korpuskularo falowej aturze światła. Falę elektromagetyczą charakteryzujemy drgaiami dwóch wektorów: wektora atężeia pola elektryczego E i wektora atężeia pola magetyczego H. Drgaia wektora pola magetyczego i wektora atężeia pola elektryczego odbywają się w kierukach wzajemie prostopadłych z tymi samymi fazami. Wektor prędkości fali jest prostopadły do kieruku obu wektorów E i H. Prędkość rozchodzeia się światła w ośrodkach materialych jest miejsza iż w próżi. Dla tej samej częstotliwości dwa róże ośrodki charakteryzują się różymi prędkościami. Im miejsza jest prędkość rozchodzeia się światła, tym większą gęstością optyczą charakteryzuje się ośrodek. Jeżeli wiązka światła pada a aicę dwóch ośrodków o różych gęstościach optyczych to a powierzchi aiczej może ulec odbiciu, rozproszeiu, częściowemu pochłoięciu i załamaiu w ośrodku, do którego wikie. Zachowaie się wiązki załamaej a aicy dwóch ośrodków izotropowych określa prawo załamaia. Doświadczalie zalezioo astępujące prawo odbicia: promień padający i promień odbity i ormala do powierzchi aiczej leżą w jedej płaszczyźie, kąt padaia jest rówy kątowi odbicia. Prawo załamaia zostało sformułowae przez W. Selliusa: promień padający i promień załamay i ormala do powierzchi aiczej leżą w jedej płaszczyźie, stosuek siusa kąta padaia do siusa kąta załamaia jest wielkością stałą: si si 1
Ćwiczeie O-: Wyzaczaie współczyika załamaia światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha przy czym 1 azywamy współczyikiem załamaia środowiska, do którego promień wchodzi (), względem środowiska, z którego wychodzi (1) (rys. 1). Bezwzględym współczyikiem załamaia azywamy współczyik załamaia daego środowiska względem próżi. Ozaczając prędkość światła w próżi przez c, bezwzględy współczyik załamaia środowiska (1) jest rówy: 1 c v 1 Rys. 1. Kąt padaia, kąt odbicia i kąt załamaia a aicy dwóch środowisk 1 i. podobie bezwzględy współczyik załamaia środowiska () jest rówy Współczyik załamaia środowiska () względem (1) wyosi zatem stąd: v c v 1 1, v 1 1 si si cost. Jest to ia forma prawa załamaia światła. Współczyik załamaia światła to wielkość bezwymiarowa, zależa zarówo od waruków, w których zajduje się ośrodek takich jak: temperatura, ciśieie, stężeie jak i od długości fali padającego promieiowaia. Często współczyik załamaia określay jest względem powietrza. Współczyik załamaia powietrza pod ciśieiem ormalym i w temperaturze 0 C w stosuku do próżi wyosi 1,0008. Gdy promień świetly przechodzi z ośrodka optyczie gęstszego (woda, szkło) o współczyiku załamaia do ośrodka rzadszego (powietrze) o współczyiku załamaia, to zgodie z prawem Selliusa zachodzi rówość: si ' si a poieważ ', więc si si, czyli. Coraz większym kątom odpowiadają coraz większe kąty, ale zawsze. Kąt, dla którego kąt załamaia jest kątem prostym ( 90 ), azywamy 3
Ćwiczeie O-: Wyzaczaie współczyika załamaia światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha kątem aiczym ( styczie do powierzchi aiczej czyli ). Zachodzi to dla promieia (rys.). promień załamay biegie wtedy si 'si90 '. Dla kątów większych od kąta aiczego zachodzi tzw. całkowite wewętrze odbicie co pokazae jest a (rys.) dla promieia 1. Wszystkie promieie świetle wracają wówczas do ośrodka gęstszego odbijając się od powierzchi rozdzielającej dwa ośrodki. Rys.. Kąty: załamaia, odbicia i aiczy całkowitego wewętrzego odbicia, 1-promień odbity, - promień padający pod kątem aiczym, 3- promień załamay. Do wyzaczaia współczyików załamaia cieczy i przezroczystych ciał stałych mogą być stosowae refraktometry, w których metoda pomiaru współczyika załamaia opiera się a wykorzystaiu zjawiska aiczego załamaia lub całkowitego wewętrzego odbicia. W przypadku refraktometru Pulfricha zasadiczą częścią jest kostka szklaa K (rys.3) o współczyiku załamaia. Jej bocza, oszlifowaa ściaka jest dokładie prostopadła do oszlifowaej ściaki górej. Dookoła osi poziomej leżącej w płaszczyźie górej ściaki kostki obraca się luetka L sztywo związaa ze skalą kątową. Załóżmy, że rozciągłe, moochromatycze źródło światła o określoej długości fali, dla której mierzy się współczyik załamaia badaego materiału, promieiuje z kieruku A. Baday materiał ustawia się a pryzmacie wzorcowym (kostka K) zapewiając kotakt optyczy przy użyciu cieczy imersyjej (p. olejek cedrowy). Współczyik cieczy imersyjej c powiie być miejszy od współczyika załamaia szkła pryzmatu wzorcowego i większy od współczyika załamaia badaego materiału: > c >. Styczie do powierzchi poziomej PP (kąt padaia 90 ), odaiczającej kostkę K od próbki, rzucamy wiązkę światła moochromatyczego (lampa sodowa, rys.3). Wiązkę tę reprezetuje promień 1, który załamuje się w kostce K pod kątem aiczym i wchodząc do powietrza pod kątem trafia do luety. W luecie widocze jest pole podzieloe a dwa obszary: jasy i ciemy. Promień 1 jest więc skrajym promieiem wszystkich promiei wychodzących z refraktometru. Odpowiada mu ściśle określoe położeie luety L, określoe kątem, przy którym ostro zazacza się wyżej wspomiaa aica między jasym polem widzeia a ciemym. 4
Ćwiczeie O-: Wyzaczaie współczyika załamaia światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha Rys. 3. Zasada działaia refraktometru Pulfricha. czyli Zgodie z prawem Selliusa si si 90 si cos,, skąd si cos, Z kolei z defiicji kąta aiczego wyika, że si90 si ', czyli skąd ' si, ' si 1 cos, a zatem ' si, gdzie: współczyik załamaia dla kostki K refraktometru, współczyik badaej cieczy lub ciała stałego, - mierzoy kąt. 5
Ćwiczeie O-: Wyzaczaie współczyika załamaia światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha W przypadku roztworu jedym z parametrów, od którego zależy współczyik załamaia światła jest jego stężeie. Do wyzaczeia iezaego współczyika załamaia dokoao pomiaru współczyika załamaia roztworu gliceryy o zaym stężeiu. Uwzględiając możliwości pomiarowe refraktometru określoo zależość pomiędzy współczyikiem załamaia a stężeiem procetowym dla stężeia gliceryy z zakresu 60% 90%. Zależość stężeia od współczyika załamaia jest liiowa i może być opisaa zależością: C% = 747,13 * 98,5. Zestaw pomiarowy lampa sodowa, refraktometr Pulfricha, zasilacz 6V, zestaw próbek pomiarowych. 1. - mikroskop odczytowy. - okular luety 3. - pokrętło zerowaia mikroskopu odczytowego 4. - pryzmat wzorcowy 5. - pokrętka blokująca położeie luety 6. - pokrętło precyzyjego obrotu luety 7. - mechaizm do pochyleia pryzmatu 8. - mechaizm do obrotu pryzmatu 9,10. - oświetlacz 11. - obiektyw luety 1. - mikroskop odczytowy. - okular luety 4. - pryzmat wzorcowy 5. - pokrętka blokująca położeie luety 6. - pokrętka blokująca położeie luety działa po zablokowaiu luety pokrętką /5/ 13. - śruba mikrometrycza okularu luety Rys. 4. Refraktometr Pulfricha. 6
Ćwiczeie O-: Wyzaczaie współczyika załamaia światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha III. Przebieg ćwiczeia 1. Włączyć lampę sodową i odczekać, aż będzie świecić światłem żółtym. Przed przystąpieiem do pomiaru wyczyścić pryzmat wzorcowy oraz badae próbki alkoholem (deaturat). Włączyć podświetleie skali kątomierza refraktometru.. Sprawdzeie i regulacja refraktometru: a) Zerowe położeie osi celowej luety. Lueta ustawioa jest prawidłowo, gdy w okularze luety // (rys.4) bisektor obejmuje kreskę ozaczoą cyfrą 4 oraz bębe śruby mikrometryczej /13/ ustawioy jest a zero (krzyż z ici pajęczych zajduje się w cetrum pola widzeia). b) Ustawieie pryzmatu wzorcowego w poziomie. Po ustawieiu obiektywu luety /11/ ad pryzmatem wzorcowym /4/, zdjęciu osłoy i załączeiu oświetleia przyrządu ależy doprowadzić do pokrycia obrazu świecącego krzyża luety autokolimacyjej, daego przez górą powierzchię pryzmatu wzorcowego, z ciemym krzyżem w okularze luety //. W przypadku iezgodości dokoać regulacji: lewo prawo - obrotem luety góra dół - obrotem pryzmatu za pomocą pokręteł mechaizmu /7/. c) Zerowaie mikroskopu odczytowego /1/. Obiektyw luety /11/ ustawić a wprost boczej ściay pryzmatu wzorcowego, doprowadzić do pokrycia obrazu świecącego krzyża luety autokolimacyjej, daego przez boczą powierzchię pryzmatu wzorcowego, z ciemym krzyżem w okularze luety. W przeciwym razie dokoać regulacji lewo prawo - pokrętkami mechaizmu /8/ góra dół - obrotem luety Za pomocą pokrętła /3/ doprowadzić do zera odczyt w mikroskopie pomiarowym /1/. Przeprowadzeie regulacji refraktometru może uiemożliwiać zbyt itesywe oświetleie pola widzeia w luecie //. Aby dokoać regulacji ależy lampę sodową oddalić od refraktometru i obrócić o kąt około 90 co powio umożliwić pojawieie się obrazu świecącego krzyża luety autokolimacyjej. Po dokoaiu wyżej wymieioych regulacji refraktometr gotowy jest do pracy. 3. Wyzaczaie współczyika załamaia dla pleksi. W celu zapewieia kotaktu optyczego użyć olejku cedrowego jako cieczy imersyjej dla wszystkich próbek (jeda kropla powia wystarczyć do wszystkich pomiarów). Kroplę cieczy imersyjej umieścić a pryzmacie wzorcowym. Ustawić a kropli pojemik (pleksi) z cieczą dociskając go do powierzchi pryzmatu. Obracając luetą odszukać obraz pokazay a rysuku 7
Ćwiczeie O-: Wyzaczaie współczyika załamaia światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha (rys.) z widoczą aicą obszaru jasego i ciemego. Umieścić krzyż z ici pajęczych a aicy obszarów i odczytać kąt aiczy w mikroskopie odczytowym /1/ zgodie ze wzorem. = (360 0-0 )+ (1) gdzie: - odczyt ze skali kątowej wyrażoy w stopiach, - odczyt kąta wyrażoy w miutach. Pomiaru kąta dokoać trzy razy za każdym razem odjeżdżając luetką. 4. Wyzaczaie współczyika załamaia oleju parafiowego i gliceryy o różych stężeiach. W przypadku cieczy widocze są dwie aice obszaru jasego i ciemego. Pierwsza wyraża kąt aiczy dla materiału, z którego wykoay jest pojemik (pleksi), a druga, miej wyraźa, odosi się do kąta aiczego badaej cieczy. Odszukać drugą aicę zacieioego obszaru (rys.). Doprowadzając do pokrycia krzyża z ici pajęczych z aicą obszarów jasego i ciemego odczytać wartość kąta aiczego zgodie ze wzorem (1). Odczyt powtórzyć trzykrotie dla każdej badaej cieczy za każdym razem odjeżdżając luetką. 5. Wyzaczaie współczyika załamaia dla szkła. Dokoując pomiaru kąta dla szkła zwrócić uwagę aby olejek zajdował się jedocześie a pryzmacie i a szklaej próbce. Ochroi to pryzmat przed zarysowaiem. Następie aby zapewić kotakt optyczy asuąć szkło a pryzmat z prawej stroy jedocześie wkręcając szkło w pryzmat. Obracając luetą odszukać w okularze luety // obrazu pokazaego a rysuku (rys.). Doprowadzając do pokrycia krzyża z ici pajęczych z aicą obszarów jasego i ciemego odczytać kąt w mikroskopie odczytowym /1/ zgodie ze wzorem (1). W razie otrzymaia ieostrej aicy obszarów jasego i ciemego ależy wkręcać szkło w pryzmat jedocześie obserwując obraz w okularze luetki //. Zmierzyć kąt aiczy trzy razy za każdym razem odjeżdżając luetką. 8
IV. Tabela pomiarowa Ćwiczeie O-: Wyzaczaie współczyika załamaia światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha Baday Materiał 1 3 kąt średi współczyik załamaia stężeie roztworu gliceryy C% pleksi glicerya I glicerya II glicerya III olej parafiowy szkło 9
Ćwiczeie O-: Wyzaczaie współczyika załamaia światła dla ciał stałych i cieczy za pomocą refraktometru Pulfricha V. Opracowaie ćwiczeia 1. Pryzmat pomiarowy wykoay ze szkła SF wg katalogu Schotta o współczyiku załamaia d =1,64787. Z każdej serii pomiarowej daego kąta ależy obliczyć wartość średią. Zając obliczyć współczyiki załamaia badaych cieczy i ciał stałych ze wzoru: gdzie: ' si współczyik załamaia badaego materiału - współczyik załamaia pryzmatu wzorcowego - kąt mierzoy (wartość średia). Na podstawie zależości współczyika załamaia światła od stężeia roztworu wyzaczyć stężeie procetowe C% dla wodego roztworu gliceryy z rówaia : C% = 747,03 * 98.5 gdzie: wyzaczoy współczyik załamaia. 3. Wyiki umieścić w Tabeli i porówać z wartościami tablicowymi. VI. Rachuek błędu 1. Wyzaczyć błąd maksymaly metodą różiczki zupełej. Niepewość pomiarową odczytu kąta wyrazić w radiaach. gdzie '... rad. '. Obliczyć błąd względy wyzaczaych wielkości. ' VII. Literatura 1. S. Szczeiowski Fizyka doświadczala cz. IV. I. W. Sawieliew Wykłady z fizyki t. II 3. J. Masalski, M. Masalska Fizyka dla iżyierów t. I, 4. D. Halliday, R. Resick Fizyka t. II 5. S. Pieńkowski Optyka 6. H. Szydłowski Laboratorium fizycze 7. II Pracowia Fizycza pod red. F. Kaczmarka 10