Sprawozdanie z wykonanego ¢wiczenia nr 401

Temat:

Wyznaczanie wspóªczynnika zaªamania ±wiatªa i dyspersji cieczy za pomoc¡ refraktometru Abbego.

Imi¦ i nazwisko:

Tomasz Pu±lednik

Rok studiów:

Wydziaª:

I

Wydziaª Informatyki

Zespóª:

Data wykonania:

Ocena:

Podpis:

21

22.10.2012

1 Wst¦p teoretyczny.

Na granicy dwóch o±rodków izotropowych 1 i 2, w których ±wiatªo rozchodzi si¦ z ró»nymi pr¦dko-

±ciami v 1 i v 2, promie« ±wietlny wchodz¡cy z o±rodka 1 do o±rodka 2 zmienia kierunek swojego biegu.

Je»eli np. wi¡zk¦ promieni ±wietlnych skierujemy z powietrza na powierzchni¦ wody, wówczas cz¦±¢

promieni ulegnie odbiciu, a cz¦±¢ wejdzie do wody, tworz¡c tzw. wi¡zk¦ zaªaman¡. Do±wiadczalnie stwierdzono, »e je»eli o±rodek 1 jest optycznie rzadszy od o±rodka 2, wówczas k¡t zaªamania β jest mniejszy od k¡ta padania α oraz v 1 > v 2. Gdy za± o±rodek 1 jest g¦stszy od o±rodka 2, promie«

zaªamuje si¦ od prostopadªej i wówczas α < β oraz v 1 < v 2.

Staª¡ warto±¢ stosunku sinusów k¡tów padania i zaªamania, równ¡ stosunkowi pr¦dko±ci rozcho-dzenia si¦ ±wiatªa w o±rodkach 1 i 2, nazywamy wspóªczynnikiem zaªamania o±rodka 2 wzgl¦dem o±rodka 1 i oznaczamy przez n 2 , 1.

n

n

2

2 , 1 =

= sin αgr

n 1

Obok wspóªczynnika zaªamania ±wiatªa, charakterystyczn¡ wielko±ci¡ ka»dego o±rodka jest jego dyspersja optyczna. Miar¡ dyspersji danego o±rodka jest ró»nica wspóªczynników zaªamania dla linii F i C Fraunhoera, przy czym linia F le»y w krótkofalowej cz¦±ci widma, linia C w dªugofalowej:

∆ n = nF − nC

Zdolno±¢ ªami¡c¡ danego o±rodka charakteryzuje wspóªczynnik zaªamania nD dla »óªtej linii Fraunhoera D1. Stosunek:

n

v

F − nC

= nD − 1

nazywano zdolno±ci¡ rozszczepiaj¡c¡ wzgl¦dn¡ danego o±rodka. Pomiar k¡ta granicznego mo»e by¢

wykorzystany do wyznaczenia wspóªczynnika zaªamania. Je»eli mierzymy k¡t graniczny αgr przy przechodzeniu ±wiatªa z o±rodka badanego o nieznanym wspóªczynniku zaªamania n 2 do o±rodka o wspóªczynniku znanym n 1, to szukany wspóªczynnik n 2 = n 1 · sin αgr 1

Rysunek 1: Zaªamanie ±wiatªa na pograniczu dwóch o±rodków: v 1 > v 2. Promie« padaj¡cy, zaªamany i normalna le»¡ w jednej pªaszczy¹nie. Stosunek sinusa k¡ta padania α do sinusa k¡ta zaªamania β

równy jest stosunkowi pr¦dko±ci ±wiatªa v 1 w o±rodku 1 do pr¦dko±ci ±wiatªa v 2 w o±rodku 2.

2

2 Tabelka pomiarowa oraz obliczenia.

Tabela 1: Pomiary oraz obliczenia warto±ci u±rednionych _

_

Nr cieczy

Pomiar

_

_

nD

nD

ua( nD)

Pomiar Z

Z

ua( Z)

1

2

3

1

2

3

1

1.3325 1.3325 1.3325 1.3325 0

16.0

16.0

16.0

16.0

0

2

1.3370 1.3370 1.3370 1.3370 0

16.5

16.5

16.5

16.5

0

3

1.3430 1.3430 1.3430 1.3430 0

17.0

17.0

17.0

17.0

0

4

1.3770 1.3770 1.3770 1.3770 0

17.0

17.0

17.0

17.0

0

5

1.4410 1.4410 1.4410 1.4410 0

17.0

17.0

17.0

17.0

0

_

Warto±ci

_

ua( nD) , ua( Z) obliczono za pomoc¡ wzorów: v

u

3

_

u P ( n

_

u

D −ni)2

u

t i=1

a( nD ) =

3 · 2

v

u

3

_

u P

_

( Z −Z

u

i)2

u

t i=1

a( Z ) =

3 · 2

podanych w instrukcji ¢wiczenia.

Tabela 2:

Nr cieczy δ

u( δ)

A

u( A)

B

u( B)

∆ n

u(∆ n)

1

9.6491

0.0113

1.7923

3 . 7118 · 10 − 6

0.0323

1 . 0440 · 10 − 5

2.1040

0.0020

2

9.6293

0.0115

1.8027

3 . 6691 · 10 − 6

0.0322

1 . 0589 · 10 − 5

2.1128

0.0021

3

9.6091

0.0118

1.8165

3 . 6158 · 10 − 6

0.0321

1 . 0802 · 10 − 5

2.1250

0.0021

4

9.6091

0.0118

1.8949

3 . 3793 · 10 − 6

0.0313

1 . 2334 · 10 − 5

2.1957

0.0021

5

9.6091

0.0118

2.0424

3 . 0905 · 10 − 6

0.0294

1 . 6708 · 10 − 5

2.3249

0.0020

Warto±ci δ, u( δ), A, u( A), B, u( B), ∆ n, u(∆ n) obliczono za pomoc¡ wzorów: _3

_2

_

δ = (0 . 16 · Z − 16 . 60 · Z +17 . 20 · Z +9981 . 10) · 10 − 4

s

_

_2

_

_

∆2( Z)

_

u( δ) = | 0 . 48 · Z − 33 . 20 · Z +17 . 20 | · 10 − 4 ·

u 2(

, gdzie ∆(

a Z ) +

Z) = 0 . 5

3

_

_

_

A = 0 . 112 · n 4 − 0 . 638 · n 3 +1 . 367 · n D

D

D +0 . 501

s

_

_

_

_

_

∆2( n

_

u

D )

( A) = | 0 . 448 · n 3 − 1 . 914 · n 2 +2 . 734 · n u 2( n

, gdzie ∆( n

D

D

D − 1 . 312 | ·

a

D ) +

D ) = 0 . 0005

3

_

_

_

B = − 0 . 1583 · n 3 +0 . 6008 · n 2 − 0 . 7788 · n D

D

D +0 . 3778

s

_

_

_

_

∆2( n

_

u

D )

( B) = | − 0 . 4749 · nD +1 . 2016 · nD − 0 . 7788 | ·

u 2( n

, gdzie ∆( n

a

D ) +

D ) = 0 . 0005

3

∆ n = nF − nC = A + B · δ

q

u(∆ n) =

u 2( A) + δ · u 2( B) + B · u 2( δ) podanych w instrukcji ¢wiczenia.

3

W tre±ci zadania zwrócono uwag¦ na obecno±¢ szczególnych cieczy, których wspóªczynnik zaªamania miaª by¢ zmierzony - s¡ to woda, alkohol etylowy oraz gliceryna. Ich wspóªczynniki zaªamania s¡

podane w tablicach, zadaniem jest zidentykowa¢ wymienione substancje na podstawie wykonanych pomiarów.

Tabela 3: Identykacja substancji na podstawie pomiarów n.

Nazwa substancji

Wspóªczynnik zaªama- Najbli»szy _ nD

Numer cieczy

nia

Woda

1.33

1.3325

1

Alkohol etylowy

1.36

1.3770

4

Gliceryna

1.47

1.4410

5

3 Wnioski wªasne.

Warto±ci pomiarów nD s¡ identyczne, poniewa» pomiar byª dokonywany na tej samej próbce i od-czyt nie ró»niª si¦. Mo»liwe nierówno±ci mogªyby si¦ pojawi¢, gdyby dla jednej substancji powtarzano nanoszenie na pryzmat refraktometru przed ka»dym pomiarem.

Poniewa» warto±ci pomiarów byªy jednakowe za ka»dym pomiarem, ich warto±¢ ±rednia jest równa warto±ciom zmierzonym, st¡d obliczone niepewno±ci pomiarowe wynosz¡ 0.

Warto±ci dyspersji ±redniej ∆ n ró»ni¡ si¦ mi¦dzy substancjami, co wydaje si¦ by¢ prawidªowe wzi¡wszy pod uwag¦, »e pomiarów dokonywano wobec pi¦ciu cieczy o ró»nych wªa±ciwo±ciach.

Pomimo, i» udaªo si¦ zidentykowa¢ ciecze na podstawie ich wspóªczynników zaªamania podanych w tablicach, wida¢ du»e rozbie»no±ci mi¦dzy warto±ciami podanymi, a zmierzonymi. Rozbie»-

no±¢ jest tym wi¦ksza, im wi¦kszy jest podany wspóªczynnik zaªamania. Jedyna zbli»ona warto±¢

dotyczy wspóªczynnika zaªamania wody, gdzie ró»nice zacz¦ªy si¦ pojawia¢ na dalszych miejscach po przecinku.

4