От чего зависит преломляющая способность среды

8.5.2 Факторы, влияющие на величину показателя преломления света.

Свет, проходя через вещество, испытывает определенное сопротивление среды, что выражается в изменении его скорости и проявляется как эффект преломления лучей. В зависимости от свойств среды, этот эффект может быть как слабым, так и достаточно заметным. К факторам, влияние которых на величину n необходимо учитывать, относятся:

• температура;
• концентрация вещества;
• длина волны излучения;
• наличие поглощающих и рассеивающих частиц;
• фазовый состав (структурные особенности и химический состав).

При анализе воздействия конкретных факторов на величину показателя преломления будем рассматривать его взаимосвязь с плотностью среды.

Температура среды.

При нагревании практически все тела расширяются, а следовательно увеличивается их объем и возрастают межмолекулярные расстояния, тогда как межмолекулярное взаимодействие ослабевает. Это приводит к уменьшению плотности среды и увеличению скорости света в ней. Следовательно, учитывая формулу (8.22), значение показателя преломления с ростом температуры будет убывать. Для водных растворов при нагреве от 4-х до 100 эта зависимость имеет вид:

где и — показатели преломления воды при заданной температуре t и при 20 , t – температура среды в ( ).

Концентрация вещества.

С ростом концентрации вещества значение показателя преломления уменьшаются. Эта закономерность следует из взаимосвязи плотности среды и концентрации как числа единиц вещества в единичном объеме. Чем больше концентрация, тем выше плотность среды, тем ниже скорость распространения света в ней. Эта закономерность больше характерна для конденсированных сред, таких как растворы, расплавы или твердые вещества. Для газов эффект выражен значительно слабее, так как молекулы вещества достаточно далеко удалены друг от друга. Так абсолютный показатель преломления воздуха = 1,00027, т.е. практически близок к единице в широком температурном и концентрационном интервале. Это позволяет выполнять многие аналитические определения в обычных условиях, а при обработке результатов – не учитывать погрешность, вносимую воздухом из-за ее малости.

Длина волны излучения.

Как известно, в зависимости от энергии меняется цвет воспринимаемого излучения, а значит и значение длины волны. Так как длина волны определяется скоростью распространения излучения в вакууме, то и значение показателя преломления также будет меняться в зависимости от излучения. При прочих равных условиях наиболее сильно преломляются синие лучи, а наименее – красные. Этот факт объясняет расположение цветов в спектре при прохождении луча через призму (рисунок 8.37). Зависимость показателя преломления света для данного вещества от длины волны характеризуется дисперсией света . Под дисперсией света понимают разность показателей преломления синего ( =) и красного лучей ( =).

Дисперсия света характеризует преломляющие свойства вещества и является табличным значением.

Рисунок 8.37 Разложение в спектр белого света при прохождении его через

Наличие поглощающих и рассеивающих частиц.

Любое вещество, обладающее выраженной окраской (цветом), имеет сильное избирательным поглощением. Поэтому, при прохождении белого света через такую среду, наряду с преломлением луча, будет меняться и его цветность. Следовательно характеристики падающего и преломленного лучей будут существенно отличаться, а значение n не будет верным.

Если вещество характерно окрашено, то измерение показателя преломления следует выполнять на монохроматическом излучении того же цвета, что и среда. Это позволит исключить поглощение части исходного излучения самим веществом. Для аналитических целей интенсивно окрашенные растворы с сильным избирательным поглощением не используют из-за высокой погрешности определения. Наличие рассеивающих частиц практически не сказывается на точности показателя преломления, если размеры их больше длины волны излучения. Так как измерение показателя преломления проводят в очень тонком слое, то для большинства даже мутных сред эффектом рассеивания можно пренебречь. Для очень мелких частиц, какие образуются в коллоидах металлов, рассеяние света подчиняется закону Рэлея и зависит от длины волны. В этом случае показатель преломления подчас измеряется с существенной погрешностью.

Фазовый состав.

Под фазовым составом в химии понимают различие как в структуре, так и в химическом составе веществ. Показатели преломления оптических изомеров несколько отличаются, что позволяет определять их соотношение по градуировочным характеристикам, полученным путем замера стандартных серий специально приготовленных растворов. Аналогично выполняют определение состава 3-х фазных систем. Для этого используют несколько измеряемых параметров, таких как температура, пикнометрическая плотность раствора и его показатель преломления. По эмпирическим формулам рассчитывают коэффициенты, позволяющие по номограмме системы найти искомый состав. Например, таким способом можно определять соотношение компонентов в тройной системе вода – этанол – сахароза. На рисунке 8.38 приведен вид номограммы, применяемой для этих целей.

Рисунок 8.38 Вид номограммы для расчета состава тройной системы:

вода – этанол – сахароза.

8.5.3 Устройство и принцип работы рефрактометра.

На практике применяют несколько видов рефрактометров: от самых простых до более сложных, снабженных световыми и поляризационными светофильтрами. Вид одного из таких устройств показан на рисунке 8.39. Некоторые рефрактометры снабжены 2-мя шкалами, проградуированными не только в единицах показателя преломления, но и в белковых числах.

Рисунок 8.39 Внешний вид рефрактометра марки ИРФ-22.

А и Б – измерительные призмы внутри измерительной головки

1 – разъемные полушария термостатируемой измерительной головки;

2 – маховик поворота измерительной головки; 4 – осветительное зеркало;

5 – зеркало подсветки шкалы; 6 – окошко шкалы; 7 – зрительная труба (тубус);

8 – окуляр; 9 – маховик для компенсации рефракции; 10 – термометр.

Работа рефрактометра базируется на измерении предельного угла преломления на границе призма – слой жидкости (рисунок 8.40). В этом случае свет, пройдя через верхнюю призму (2), попадает в слой жидкости под критическим углом и скользит вдоль поверхности второй призмы (3). В окуляре (7) проецируется изображение обоих призм в виде 2-х полей: светлого (освещенная призма) и темного (не освещенная призма). При качественной настройке в перекрестье визира или просто в окуляре видна четкая граница 2-х полей: светлого и темного.

Рисунок 8.40 Схематическое устройство рефрактометра с призмой Амичи.

1 – источник света; 2 и 3 – измерительные призмы, между которыми находится тонкий слой измеряемой жидкости; 4 – фокусирующее устройство; 5 – призма Амичи для компенсации дихроизма; 6 – шкала в единицах преломления; 7 – вид поля в окуляре рефрактометра при его правильной настройке.

Показатель преломления: что это такое, формулы, таблица

Показатель преломления — это безразмерная физическая величина, характеризующая отличие фазовых скоростей света в двух средах.

Более подробно о показателе преломления и о том, как его рассчитать, вы узнаете из данной статьи.

Простое объяснение.

Наблюдайте за ходом светового луча из одной среды, например воздуха, в другую среду, например воду. Это можно сделать, например, глядя снизу на поверхность воды над собой при нырянии в бассейне. Если вы это сделаете, то увидите изменение направления луча при переходе из одной среды в другую. Это изменение направления также называется преломлением света. Вы всегда можете наблюдать это в средах с различными показателями преломления.

Показатель преломления — это свойство оптического материала. Это отношение длины волны света в вакууме c₀ к длине волны света в среде c_M, то есть n = c₀ / c_M .

Показатель преломления является безразмерным числом и зависит от частоты света. Поскольку показатель преломления зависит от частоты волны (света), мы также говорим о дисперсии. Если две среды имеют разные показатели преломления, вы наблюдаете преломление и отражение света на их границах. Среда с более высоким показателем преломления имеет более высокую оптическую плотность.

Другими терминами для обозначения показателя преломления являются также индекс преломления или оптическая плотность.

Закон преломления Снеллиуса

Закон преломления Снеллиуса гласит, что луч света преломляется, когда попадает в среду с другой оптической плотностью. Причиной преломления является изменение зависящей от материала фазовой скорости, которая входит в закон преломления как показатель преломления. Закон преломления — это зависимость между углом падения θ₁ и углом отражения θ₂ преломленного света.

n1 * sin θ₁ = n2 * sin θ₂

В этой формуле n₁ и n₂ означают показатели преломления двух сред.

Вещества с показателем преломления

Оптическая плотность вакуума определяется как 1. В видимом спектре показатели преломления прозрачных или слабо поглощающих материалов больше 1. Для электропроводящих и сильно поглощающих сред преобладают другие физические свойства. Хотя их показатели преломления находятся между 0 и 1, эти значения следует интерпретировать по-разному. В этих средах в комплексном показателе преломления преобладает мнимая часть.

Кроме того, каждое вещество имеет диапазон длин волн, в котором действительная часть показателя преломления меньше 1, но все еще положительна. Здесь оптическая плотность для малых длин волн всегда меньше 1 и приближается к 1 снизу по мере уменьшения длины волны.

Показатель преломления воздуха

Значение показателя преломления воздуха можно найти в таблице 1 ниже. Он зависит от плотности и температуры, а также от состава воздуха. В частности, влажность воздуха оказывает большое влияние на его коэффициент преломления. Согласно формуле барометрической высоты, давление воздуха экспоненциально уменьшается на больших высотах. На высоте 8 километров коэффициент преломления воздуха составляет всего 1,00011.

Показатель преломления воды

Для показателя преломления воды действуют те же принципы, что и для воздуха. На больших глубинах давление и температура выше, что влияет на преломление света. Но вы также можете легко убедиться в этом, наполнив стакан холодной воды горячей. Вы увидите, что горячая вода менее прозрачна, чем холодная. Поэтому оптическая плотность выше при использовании более горячей воды.

Таблица показателей преломления

В следующей таблице представлен обзор некоторых наиболее важных показателей преломления.

Атомы с показателем преломления

Показатель преломления кристаллических веществ напрямую зависит от их атомной структуры. Кристаллическая решетка твердого тела влияет на его полосовую структуру и, следовательно, на его преломляющее поведение.

Частично кристаллические материалы также демонстрируют корреляцию между плотностью и оптической плотностью. Однако эта зависимость, как правило, не является линейной.

Применение показателя преломления

Показатель преломления является наиболее важным параметром для оптических линз. Оптический расчет, используемый для проектирования оптических приборов, основан на сочетании различных преломляющих линз с подходящими стеклами.

В химии и фармации различные вещества характеризуются оптической плотностью при определенных температурах. Кроме того, определяя коэффициент преломления, вы узнаете содержание определенного вещества в растворе.

Список использованной литературы

1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Мнемозина, 2014.
3. Савельев, И. В. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. // Курс общей физики: Учеб. пособие.. — М.: «Наука», 1988. — Т. 2. — 496 с.

Измерение показателя преломления стекла

Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Система оценки: 5 балльная

Список вопросов теста

Вопрос 1

Как называется явление изменения направления распространения света при переходе из одной среды в другую? Ответ запишите в именительном падеже (например, деревянная ручка).

Вопрос 2

Как называется угол между преломлённым лучом и перпендикуляром, восставленным к границе раздела двух сред в точке падения луча?

Варианты ответов

• угол падения
• угол отражения
• угол преломления
• равен 180 о

Вопрос 3

От чего зависит преломляющая способность среды?

Варианты ответов

• от скорости распространения света в ней
• от оптической плотности среды
• от угла падения света
• не от чего не зависит

Вопрос 4

Если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то.

Варианты ответов

• угол преломления меньше угла падения.
• угол преломления больше угла падения.
• угол преломления равен углу падения.
• для ответа не хватает данных.

Вопрос 5

Закончите предложение: относительный показатель преломления.

Варианты ответов

• показывает, во сколько раз скорость света в первой по ходу луча среде отличается от скорости распространения света во второй среде.
• показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде.
• характеризуется скоростью распространения света.
• среди приведённых утверждений нет правильного.

Вопрос 6

Сформулируйте закон преломления света.

Варианты ответов

• лучи, падающий и преломлённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым в точке падения луча к границе раздела двух сред;
• лучи, падающий и преломлённый, лежат в разных плоскостях с перпендикуляром, проведённым в точке падения луча к границе раздела двух сред;
• \(\frac<\sin\gamma>=\frac<\upsilon_1><\upsilon_2>=n_\)
• угол падения равен углу преломления.

Вопрос 7

На дне водоёма глубиной 3 м находится источник света. На какой глубине увидит источник света наблюдатель, если он смотрит с лодки вертикально вниз, а показатель преломления воды равен 1,33? Ответ дайте с точностью до десятых метра. Единицы измерения не пишите, только число (например, 3,3).

Вопрос 8

Во сколько раз угол между падающим и отражённым лучом больше угла отражения? Ответ запишите числом (например, 10).

Вопрос 9

На сколько изменится угол между падающим и отражённым лучами, если угол падения уменьшится на 10 о ?

Варианты ответов

• уменьшится на 10 о
• увеличится на 10 о
• уменьшится на 20 о
• увеличится на 20 о

Вопрос 10

Если луч падает на границу разделе двух прозрачных сред под углом 45°, то угол преломления составляет 60 о . Определите по этим данным относительный показатель преломления. Ответ дайте с точностью до сотых (например, 0,11).

Преломление света

Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Система оценки: 5 балльная

Список вопросов теста

Вопрос 1

Изменение направления распространения света при переходе из одной среды в другую. В ответе укажите словосочетание.

Вопрос 2

Угол между преломлённым лучом и перпендикуляром, восставленным к границе раздела двух сред в точке падения луча.

Варианты ответов

• угол падения
• угол отражения
• угол преломления
• равен 180 о

Вопрос 3

От чего зависит преломляющая способность среды?

Варианты ответов

• от скорости распространения света в ней
• от оптической плотности среды
• от угла падения света
• не от чего не зависит

Вопрос 4

Если луч света переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную, то

Варианты ответов

• угол преломления меньше угла падения
• угол преломления больше угла падения
• угол преломления равен углу падения
• для ответа не хватает данных

Вопрос 5

Если свет переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную, то угол преломления . угла падения. Восстановите пропущенное слово в нужной форме.

Вопрос 6

Относительный показатель преломления

Варианты ответов

• показывает, во сколько раз скорость света в первой по ходу луча среде отличается от скорости распространения света во второй среде.
• показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данной среде.
• характеризуется скоростью распространения света.
• среди приведённых утверждений нет правильного.

Вопрос 7

Закон преломления света:

Варианты ответов

• лучи, падающий и преломлённый, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым в точке падения луча к границе раздела двух сред;
• лучи, падающий и преломлённый, лежат в разных плоскостях с перпендикуляром, проведённым в точке падения луча к границе раздела двух сред;
• угол падения равен углу преломления.

Вопрос 8

На дне водоёма глубиной 3 м находится источник света. На какой глубине увидит источник света наблюдатель, если он смотрит с лодки вертикально вниз, а показатель преломления воды равен 1,33? Ответ запишите числом. Например, 3,5

Вопрос 9

Кто открыл закон преломления света?