ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ З ОПТИКИ 4 страница

Під столиком знаходяться система освітлення 12, поляризатор 13 з освітлювальною лінзою і діафрагмою 14, конденсор 15, який служить для одержання пучка світла, що сходиться. Гвинт 16 служить для закріплення поляризатора у потрібному положенні. Уся освітлювальна система опускається за допомогою бокового гвинта 17 і тим же гвинтом вона може бути відведена в сторону.

Примітка. Перш ніж виконувати будь-які дії з використанням поляризаційного мікроскопа, досліднику слід звернути увагу на такі застереження. Треба пам’ятати про те, що поляризаційний мікроскоп є складним оптико-механічним приладом, який потребує бережливого відношення. Будьте уважні у ході виконання лабораторної роботи! Запам’ятайте таку вимогу! При проведенні вимірювань фокусування зображення об’єкта необхідно здійснювати переміщенням тубуса поляризаційного мікроскопа лише вгору, тобто шляхом підіймання тубуса, оскільки при його опусканні можна ненароком розбити лінзу об’єктива, предметне скло і сам об’єкт!

 

Завдання №1. Визначення ціни поділки шкали окуляра мікроскопа

 

При спостереженні і дослідженні різних дрібних предметів за допомогою поляризаційного мікроскопа часто буває потрібно визначати їх розміри.Для цього шкалу окуляра даного мікроскопа необхідно попередньо проградуювати. Це можна зробити таким чином. Треба покласти на середину предметного столика спеціальну скляну пластинку, на яку нанесена дрібна квадратна сітка з розмірами комірок в .

Користуючись кремальєрним гвинтом 5, піднімайте об’єктив доти, доки в полі зору окуляра не з’явиться виразне зображення квадратної сітки.

Дивлячись в окуляр, повертають його так, щоб поділки шкали окуляра і сітки були паралельними.

Знайшовши збіжні штрихи поділок, підрахуйте число комірок квадратної сітки і число поділок шкали окуляра, що їх покривають.

Дослід треба повторити тричі при різному числі комірок сітки, а результати вимірювань записати у таблицю №1.

Визначивши середнє значення ціни поділки шкали окуляра мікроскопа та середню абсолютну і відносну похибки, запишіть остаточний результат.

Таблиця №1

№ досліду	Число комірок сітки	Число поділок шкали	Ціна поділки шкали	Середнє значення ціни поділки	Похибки (абсолютна, відносна)

 

Завдання 2. Визначення лінійних розмірів та кутів кристалика ісландського шпату

 

Помістіть на предметне скло столика мікроскопа невеликий кристалик ісландського шпату. Побачивши його уявне збільшене зображення, визначте за допомогою окулярної шкали лінійні розміри кристалика. Скориставшись лімбом столика виміряйте 2 кути (гострий та тупий) між його гранями. Числове значення величин цих кутів є тією характеристикою, яка є однаковою для кристалів ісландського шпату будь яких розмірів.

 

Завдання 3. Визначення показника заломлення твердих прозорих тіл оптичним методом

Основні теоретичні відомості

Для визначення показника заломлення твердого прозорого тіла відносно повітря в даній роботі використовують зразки різних матеріалів (скла, кварцу, плексигласу), виготовлених у вигляді плоскопаралельних пластинок. Для цього достатньо визначити істинну товщину пластинки , вимірявши її, наприклад, за допомогою мікрометра, а також виміряти її так звану видиму товщину за допомогою мікроскопа. Із геометричної оптики відомо, що за допомогою

 

 

Рис.2.

 

мікроскопа замість істинної товщини прозорої плоскопаралельної пластинки вимірюється так звана видима товщина , де -показник заломлення речовини. Видима в мікроскопі товщина менша за .

Розглянемо хід світлового променя, що падає з повітря на плоскопаралельну пластинку під деяким кутом (рис.2). З трикутників АВС і DBC знаходимо:

.

Для малих кутів спостереження маємо наближено:

. (1)

Якщо послідовно одержати у мікроскопі чіткі зображення спочатку нижньої поверхні плоскопаралельної пластинки (рис.2, положення 1), а потім верхньої поверхні цієї ж пластинки (рис.2, положення 2), то можна визначити . Зрозуміло що для того, щоб одержати зображення, яке відповідає положенню 2, тубус мікроскопа необхідно перемістити (підняти) із початкового положення 1, яке відповідає фокусуванню мікроскопа на нижню поверхню плоскопаралельної пластинки, на деяку відстань . Це переміщення можна здійснити за допомогою обертання мікрометричного гвинта 6, розташованого на штативі мікроскопа. За числом поділок шкали барабана мікрометричного гвинта, які відповідають переміщенню тубуса із положення 1 у положення 2, визначають видиму товщину пластинки.

 

Послідовність проведення досліджень при виконанні завдання №3

1. За допомогою мікрометра виміряйте істинну товщину скляної плоскопаралельної пластинки, на обох поверхнях якої нанесені тоненькі прямі подряпини так, що ці подряпини є взаємно перпендикулярними. Вимірювання проведіть не менше трьох раз. За даними вимірювань розрахуйте середнє значення істинної товщини пластинки і запишіть його у таблицю № 2.

2. Покладіть скляну пластинку на предметний столик мікроскопа і, скориставшись пристроєм для переміщення об’єктів, перемістіть її так, щоб точка перетину подряпин знаходилась в центральній частині столика.

3. Користуючись кремальєрним гвинтом 5, перемістіть тубус вгору і сфокусуйте мікроскоп спочатку на верхню подряпину, а потім одержіть чітке зображення якої-небудь з пилинок, які завжди є на поверхні скла. Відмітьте положення цієї пилинки відносно шкали окуляра.

4. Обертаючи мікрометричний гвинт 6 навколо своєї осі, поверніть його в вихідне положення так, щоб нульова поділка шкали барабана співпадала з міткою відліку.

5. Користуючись кремальєрним гвинтом 5, сфокусуйте мікроскоп на подряпину, яка нанесена на нижню поверхню плоскопаралельної пластинки. Одержіть чітке зображення пилинки, яка знаходиться на нижній поверхні пластинки. Відмітьте розташування цієї пилинки відносно шкали окуляра.

6. За допомогою обертання мікрометричного гвинта 6 перемістіть тубус мікроскопа вгору до повного відновлення чіткості зображення пилинки, яка знаходиться на верхній поверхні пластинки. Підрахуйте число обертів барабана мікрометричного гвинта. Знаючи, що один повний оберт барабана мікрометричного гвинта відповідає переміщенню тубуса на мм, визначте видиму товщину плоскопаралельної пластинки і за формулою (1) розрахуйте показник заломлення скла.

7. Повторюючи пункти (4 – 6), виконайте аналогічні вимірювання не менш ніж три рази. Результати вимірювань запишіть у таблицю №2.

Таблиця №2

№ досліду						,

 

8. Визначте середнє значення показника заломлення та величину середньої абсолютної і відносної похибок.

 

Завдання 4. Визначення показника заломлення ісландського шпату за допомогою поляризаційного мікроскопа

 

Основні теоретичні відомості

 

Як відомо, прозорі кристали бувають оптично ізотропними та оптично анізотропними. В оптично анізотропних кристалах спостерігається явище подвійного променезаломлення, яке полягає в тому, що промінь світла, який падає на поверхню кристала, роздвоюється в ньому на два заломлені промені, які поширюються з різними швидкостями. Анізотропні в оптичному відношенні кристали поділяють на одновісні і двовісні. В одновісних кристалах існує єдиний напрямок, вздовж якого подвійне променезаломлення не спостерігається, тобто кристал поводиться як ізотропне середовище. Цей напрямок називається оптичною віссю кристала. Довільна пряма, паралельна до цього напрямку, також є оптичною віссю кристала. В усіх інших напрямках відбувається подвійне променезаломлення. У двовісних кристалах таких напрямків є два.

Слід відзначити, що два промені, які виникають на поверхні одновісного кристала при падінні на нього з ізотропного середовища (вакууму, повітря) лінійно поляризованої хвилі, мають різні властивості. Для одного із заломлених променів виконується закон заломлення, зокрема заломлений промінь лежить в одній площині з падаючим променем і нормаллю до заломлюючої поверхні. Цей промінь називається звичайним. Для другого променя, який називається незвичайним, відношення синусів кута падіння і кута заломлення не залишається постійним при зміні кута падіння. Незвичайний промінь не лежить в одній площині з падаючим променем і нормаллю до поверхні кристала.

Дослідження звичайного і незвичайного променів показали, що обидва промені повністю поляризовані у взаємно перпендикулярних напрямках.

 

 

Рис.3.

 

На рис.3 схематично показано явище подвійного променезаломлення в одновісному кристалі, коли пучок світла падає на кристал нормально. Один з променів (звичайний (о)) є продовженням падаючого, а інший (незвичайний (е)) при проникненні в кристал відхиляється на якийсь кут. На рис.3 обидва звичайний і незвичайний промені і оптична вісь MN лежать в площині рисунка.

Завдяки тому, що показники заломлення звичайного і незвичайного променів різні, ці промені можна просторово розділити.

Ісландський шпат відноситься до одновісних від’ємних кристалів з подвійним променезаломленням, у яких швидкість поширення незвичайної хвилі є більшою, ніж у звичайної, що відповідає умові .

 

Послідовність проведення досліджень при виконанні завдання №4

Для досліджень у даній лабораторній роботі використовують пластинку ісландського шпату товщиною , вирізану паралельно оптичній осі (оптична вісь лежить у площині поверхні). У тому випадку, коли світло розповсюджується в напрямі, перпендикулярному до оптичної осі, різниця між показниками заломлення звичайного і незвичайного променів максимальна.

1. Виміряйте за допомогою мікрометра істинну товщину пластинки. Вимірювання проведіть не менше трьох раз. За даними вимірювань розрахуйте середнє значення істинної товщини пластинки і запишіть його у таблицю № 3.

2. Увімкніть джерело живлення освітлювальної лампочки мікроскопа. Всуньте аналізатор у проріз тубуса і, обертаючи поляризатор, одержіть повне затемнення поля зору. Для цього, як відомо, треба схрестити поляризатор і аналізатор.

3. Покладіть пластинку на середину предметного столика мікроскопа і за допомогою пристрою для переміщення об’єктів розташуйте її в центральній його частині.

Зрозуміло, що при довільній орієнтації оптичної осі пластинки відносно головних перерізів поляризатора і аналізатора світло після проходження пластинки стане еліптично поляризованим, частина якого пройде через оптичну систему. Якщо ж оптична вісь пластинки розташована в площині головного перерізу поляризатора або аналізатора, то в кристалі виникає тільки одна хвиля (звичайна або незвичайна), яка на виході зберігає той же стан поляризації, що і на вході, і тому гаситься аналізатором. При обертанні столика на затемнення поля зору відбувається чотири рази. Треба встановити столик із кристалом в одне з таких положень і закріпити столик стопорним гвинтом 10.

4. Поверніть поляризатор в положення, яке паралельне аналізатору. В результаті цього освітленість зображення стане максимальною. Визначте показник заломлення n₁ за методикою завдання 3 (пункти 3-7).

5. Поверніть столик із кристалом на і визначте показник заломлення для цього положення. Більше з визначених значень і відповідає звичайній хвилі, а менше – незвичайній.

Таблиця №3

№ досліду				, мм			, мм

 

Досліди треба повторити не менше ніж три рази, оскільки точність отриманих результатів залежить від чіткості зображення, що є наслідком астигматизму і глибини чіткості та від акомодації ока, тобто похибки вимірювань носять випадковий характер.

 

Завдання 5. Визначення показника заломлення твердих прозорих тіл імерсійним методом

Основні теоретичні відомості

 

Основним методом вимірювань показників заломлення твердих прозорих дрібних предметів (уламків, порошків) є імерсійний метод. Назва цього методу походить від французького (англійського) слова immersion (занурення тіла в рідину, результат цієї дії). Суть імерсійного методу полягає в тому, що дрібний уламок (порошок) досліджуваної речовини занурюється в рідину, показник заломлення якої заздалегідь відомий з великою (достатньою) точністю. Якщо показник заломлення твердого тіла відрізняється від показника заломлення цієї рідини, то при його спостереженні за допомогою мікроскопа в полі зору окуляра можна побачити чітку світлу смужку (смужку Бекке), яка виникає на межі між рідиною і уламком. Причому, при переміщенні тубуса мікроскопа вгору від положення точного фокусування, ця смужка зміщується в бік середовища з більшим показником заломлення, а при опусканні тубуса – в бік середовища з меншим показником заломлення. За цією ознакою можна визначити, чи є показник заломлення досліджуваного тіла більшим або меншим за показник заломлення рідини, яка була взята для досліду.

Якщо ж показники заломлення тіла і рідини однакові, то смужка Бекке зникає, як і зображення країв уламка, котрий стає непомітним.

Розглянемо яким чином виникає і зміщується смужка Бекке. Нехай збіжні промені 1, 2, 3, 4, 5 з конденсора К падають на межу двох середовищ з різними

 

 

Рис.4.

 

показниками заломлення і (рис.4). Якщо , то промінь 3 розповсюджується вздовж межі , промені 1, 2 заломляться на цій межі і пройдуть у середовище з показником заломлення , промінь 5, що падає на межу під кутом меншим граничного, заломиться і ввійде в середовище з показником заломлення , а промінь 4, падаючи на межу під кутом більшим граничного, зазнає повного внутрішнього відбиття і в ліве середовище не попаде. Таким чином, середовище з більшим показником заломлення буде освітлене більше, ніж середовище з показником . Діафрагма не пропускає світлові промені, що розташовані праворуч від променя 5, ослаблюючи тим самим інтенсивність світлових пучків, які виходять з лівого середовища (промінь 5), унаслідок чого підвищується контрастність межі порівняння. Об’єктив зводить промені, що пройшли і дає обернене дійсне зображення, яке і спостерігається в окулярі мікроскопа. При точному фокусуванні площина предмета окуляра (площина зображення об’єктива) AB проходить через точку (рис.4). Якщо тепер піднімати тубус мікроскопа, площина зображення об’єктива буде опускатись, а площина предмета окуляра буде перетинати пучок променів, зібраних об’єктивом, вище точки по лінії . Пересічному спостерігачу буде здаватися, що біла смужка (смужка Бекке) при підніманні тубуса мікроскопа зміщується в бік середовища з більшим показником заломлення. Навпаки, якщо тубус опускати, то площина предмета окуляра буде пересікати пучок променів нижче точки по лінії , і біла смужка зміщується в середовище з меншим показником заломлення. Це явище краще спостерігати при освітленні об’єкта монохроматичним світлом, оскільки при використанні білого світла смужка Бекке може бути забарвленою, якщо показники заломлення рідини і твердого тіла близькі і є велика різниця в дисперсії двох речовин.

Для визначення показників заломлення імерсійним методом треба мати певний набір рідин з різними показниками заломлення. Чим точніше треба провести вимірювання, тим більше має бути рідин у цьому наборі.

У лабораторній роботі імерсійним методом визначаються показники заломлення ізотропного твердого тіла (плавлений кварц) і анізотропного твердого тіла (ісландський шпат).

 

Послідовність виконання досліджень при визначенні показника заломлення плавленого кварцу імерсійним методом за завданням №5

 

1. Покладіть дрібний уламок плавленого кварцу на пластинку зі скла і змочіть його рідиною №9 з набору рідин, який надається досліднику для виконання даної лабораторної роботи.

2. Помістіть скляну пластинку з об’єктом дослідження на середину предметного столика мікроскопа і притисніть її пружинистими лапками 11. Увімкніть джерело живлення освітлювальної лампочки мікроскопа.

3. Переміщаючи за допомогою кремальєрного гвинта 5 тубус мікроскопа вгору, досягніть чіткого зображення об’єкта дослідження в окулярі мікроскопа. Користуючись пристроєм для центрування об’єкта, потроху переміщуйте пластинку на столику доти, доки при обертанні столика зображення об’єкта буде залишатись в полі зору окуляра.

4. Дивлячись в окуляр, поверніть столик так, щоб на межі розділу «рідина-кварц» було чітко видно білу тонку смужку – смужку Бекке.

5. Ледь переміщуючи вгору тубус мікроскопа за допомогою кремальєрного гвинта 5, визначте напрям зміщення смужки Бекке (у бік рідини чи у бік кварцового уламку). Якщо смужка Бекке зміщується, наприклад, у бік кварцу, то треба записати результат дослідження так: .

6. Зніміть предметне скло зі столика і помістіть його на поверхню стола. Промокальним папером зберіть рідину, в яку був занурений уламок кварцу. Промийте кварцовий уламок спиртом і висушіть його.

7. Знову помістіть кварцовий уламок на чисту суху поверхню предметного скла і змочіть його іншою рідиною з набору, наприклад рідиною №10.

8. Далі, повторюючи пункти 2 – 5, визначте показник заломлення плавленого кварцу відносно показника заломлення цієї рідини. Запишіть одержаний результат.

9. Дослід, повторюючи пункти 2-7, слід продовжувати доти, доки не буде остаточно встановлено приблизні межі, в яких лежить значення показника заломлення зразка плавленого кварцу, що досліджується, тобто встановлені показники заломлення, які містить така нерівність: .

Послідовність виконання досліджень при визначенні показника заломлення ісландського шпату імерсійним методом за завданням №5

1. Всуньте аналізатор 3 у проріз тубуса мікроскопа і, обертаючи поляризатор 13, досягніть повного затемнення поля зору окуляра.

2. Помістіть предметне скло з кристалом ісландського шпату на столик мікроскопа і, висунувши аналізатор 3, розмістіть кристал якомога точніше в центрі предметного столика.

3. Всуньте аналізатор 3 і, обертаючи столик, досягніть максимального затемнення кристала на темному полі.

4. Висуньте аналізатор 3. Дивлячись в окуляр, поверніть його так, щоб повздовжня вісь його шкали співпала з великою діагоналлю кристала (перше вихідне положення). Цим самим буде зафіксоване просторове положення кристала – виділено один стан (з двох) поляризації з відповідним показником заломлення .

5. Змочіть кристал, наприклад, рідиною № 17. Обертаючи столик з кристалом, відновіть перше вихідне положення кристала відносно поляризатора.

6. Спостерігаючи смужку Бекке, визначте співвідношення між показниками заломлення і так, як це було зроблено за пунктом 5 попереднього експериментального дослідження, щодо визначення показника заломлення зразка плавленого кварцу.

7. Проведіть дослідження з іншими рідинами згідно з методикою, описаною у пунктах 6 – 9 попереднього експериментального дослідження щодо визначення показника заломлення зразка плавленого кварцу та у пункті 5 цього досліду. Визначте показник заломлення зразка ісландського шпату .

8. Відновіть перше вихідне положення кристала ісландського шпату за шкалою окуляра і, обертаючи столик, поверніть кристал на . За допомогою шкали окуляра зафіксуйте друге вихідне положення кристала і визначте показник заломлення ісландського шпату для світла, яке поляризоване перпендикулярно первісній площині падіння. Запишіть остаточні результати та зробіть висновки.

 

Питання для самоконтролю

 

1. Які кристали називають одноосними?

2. Коли виникає подвійне променезаломлення в кристалах?

3. З якою метою використовують в цій лабораторній роботі схрещені поляризатор і аналізатор?

4. Що таке головна площина поляризатора (аналізатора)?

5. Як змінюється інтенсивність початкового природного світла після проходження через поляризатор і аналізатор, якщо їх головні площини утворюють кут ?

 

Література: [1, 6, 7, 27, 33, 38]

Лабораторна робота №19

 

ОБЕРТАННЯ ПЛОЩИНИ ПОЛЯРИЗАЦІЇ СВІТЛА КВАРЦОМ

 

Мета лабораторної роботи: дослідити явище обертання площини поляризації світла оптично активною речовиною (кварцом).

 

Основні теоретичні відомості

 

Серед фізичних явищ, які виникають при взаємодії світла з речовиною, надзвичайно важливим у теоретичному і практичному відношеннях є обертання площини поляризації світла, яке вперше було спостережено у 1811р. Д. Арго на пластинках кварцу, вирізаних перпендикулярно до оптичної осі.

Якщо між схрещеними ніколями (поляризатором Р і аналізатором А) помістити пластинку К з кристалічного кварцу (одноосний кристал), вирізану перпендикулярно оптичній осі, і якщо світло поширюється вздовж оптичної осі (подвійне променезаломлення відсутнє) то, як показав Араго, світло через таку систему проходить. Однак, повернувши аналізатор на певний кут j, що дорівнює куту обертання площини поляризації монохроматичного світла кварцом, можна повністю загасити світло на виході системи. Це означає, що світло і після проходження кварцової пластинки, залишається плоскополяризованим, але вона повертає площину поляризації на кут . Отже, обертаючи пластинку К при схрещених ніколях можна спостерігати зміну інтенсивності світла, що проходить через таку оптичну систему. Це явище називають обертанням площини поляризації (або оптичною активністю), а речовини, які здатні обертати площину поляризації світла, називають оптично активними.

 

 

Рис.1.

 

Крім кварцу природно оптично активними є кіновар, кристалічний цукор, кристали NaClO₃, NaBrO₃, розчин цукру і глюкози у воді, винна кислота, скипидар, нікотин.

Прийнято визначати напрям обертання площини поляризації відносно спостерігача, погляд якого спрямований назустріч світловому променю. Обертання називають правим (додатним) (), якщо площина поляризації повертається вправо (за годинниковою стрілкою) для спостерігача і лівим (від'ємним) (), якщо вона повертається вліво (проти годинникової стрілки).