Úloha 9
Měření indexu lomu hranolu metodou minimální deviace
Stručná charakteristika měření a demonstrace spektrálního rozkladu světla:
Měření indexu lomu skla hranolu pro různé světlo několika vlnových délek probíhá na goniometru SG-5 (viz
Obr. 1). Jako zdroj světla s diskrétním spektrem slouží rtuťová (Hg) výbojka. Rozklad bílého světla na hranolu
je zobrazen na Obr. 2, Obr. 3 a 4 pak zachycují rozklad světla Hg výbojky pomocí hranolu v praktiku. Spektrum
Hg výbojky rozložené pomocí difrakční mřížky je zobrazeno na Obr. 5 spolu s vyznačenými vlnovými délkami
spektrálních čar.
Průběh měření:
1. Provedeme justaci hranolu na goniometru, tj. nastavíme lámavé plochy hranolu kolmo na rovinu pohybu optické osy
pozorovacího dalekohledu goniometru. Justování se provádí pomocí zrcadlení nitkového kříže dalekohledu (Obr. 7),
kdy se pomocí stavěcích šroubů goniometru naklánějících hranol postupně ztotožní horizontální složka nitkového kříže
v okuláru s jejím odrazem na každé z lámavých ploch hranolu.
2. Změříme opakovaně (pětkrát až desetkrát) lámavý úhel hranolu pomocí zrcadlení nitkového kříže dalekohledu
na první a druhé lámavé ploše hranolu (Obr. 6 a 7). Zaznamenáváme páry úhlových poloh dalekohledu (Obr. 8 a 9),
v nichž je vertikální složka nitkového kříže v okuláru ztotožněna s jejím odrazem na první resp. druhé lámavé ploše.
Mezi měřeními pár· úhlových poloh oto£te stolkem hranolu tak, aby se oto£ila i stupnice dalekohledu.
3. Naměříme úhlové polohy (Obr. 8 a 9) vystupujících paprsků několika (5 - 6) spektrálních čar rtuťové výbojky v bodech
minimální deviace příslušných čar. měření se provádí postupně při vstupu svazku světla z Hg výbojky
přes první resp. druhou lámavou plochu hranolu, tj. provádí se dvě měření pro každou spektrální čáru.
Zaznamenáváme si též vlnové délky spektrálních čar.
4. Z měření v části 2. vypočítáme lámavý úhel hranolu a hodnoty ze série měření statisticky zpracujeme.
5. Z měření v části 3. určíme minimální deviaci pro každou z měřených spektrálních čar. Z hodnot minimálních
deviací a lámavého úhlu pak vypočtemee index lomu materiálu hranolu pro měřené spektrální čáry.
6. Vykreslíme graf závislosti indexu lomu materiálu hranolu na vlnové délce a proložíme Cauchyovým vztahem.
Úloha 9
Měření indexu lomu hranolu metodou minimální deviace
Soubor s daty a komentáři pro „distanční“ praktikum:
ul9_komentare_indexLomuHranol.txt … komentáře k datovým souborům a vyhodnocení
ul9_LamavyUhel.txt … data k měření lámavého úhlu hranolu s vysvětlením k veličinám
ul9_MinimalniDeviace.txt … data k měření úhlů minimální deviace jednotlivých spektrálních čar
s vysvětlením k veličinám
Úloha 9
Měření indexu lomu hranolu metodou minimální deviace
Aparatura s goniometrem SG-5 pro měření indexu lomu hranolu
dalekohled pro
odečítání úhlové polohy
šroub aretace
kruhu dalekohledu
dalekohled pro
pozorování spektra
šroub jemného
otáčení dalekohledem
(při zaaretování kruhu)
šroub aretace
otáčení vzorkem
šroub naklánění
vzorku
kolimátor svazku
z Hg výbojky
šroub nastavení
štěrbiny – šířky svazku
Hg výbojka
šroub nastavení
úhlové stupnice
osvětlení nitkového
kříže
Obr. 1
Úloha 9
Rozklad (disperze) světla na hranolu
dopadající
bílé světlo
odražené
lomené světlo rozklad
na barvy
způsobený závislostí
indexu lomu na
vlnové délce
(tj. barvě)
Difrakční mřížkou rozložené diskrétní spektrum rtuťové výbojky
(ionizované atomy plynu Hg vyzařují jen na určitých vlnových délkách
určených diskrétními energiovými hladinami na kterých
se můžou nácházet elektrony v el. slupce atomu Hg)
spektrum Hg výbojky
rozložené hranolem
v praktiku
část spektra
pozorovaná
v dalekohledu
goniometru
Obr. 2
Obr. 3
Obr. 4
Obr. 5
Úloha 9
ψ2
ω
ψ1
I
II
Schéma měření lámavého úhlu hranolu pomocí zrcadlení
nitkového kříže pozorovacího dalekohledu na plochách
hranolu
ψ=0º
stolek
goniometru
dalekohled
s nitkovým
křížem
┴ ┴
nitkový kříž pozorovacího dalekohledu
odraz nitkového kříže na lámavé ploše hranolu
Obr. 6
Obr. 7
Úloha 9
Aparatura s goniometrem SG-5 pro měření indexu lomu hranolu
dalekohled pro
odečítání úhlové polohy
dalekohled pro
pozorování spektra
kolimátor svazku
z Hg výbojky
šroub nastavení
štěrbiny – šířky svazkuHg výbojka
Stupnice úhlová polohy dalekohledu
Obr. 8
Úloha 9
Pohled na stupnice úhlová polohy dalekohledu + odečítání úhlu
ryska
celé stupně
=325 º
úhlový rozdíl 180º
1 2 3 4 5
počet intervalů = počet desítek minut
= +50 '
počet jednotek minut
= +03 '
počet úhlových vteřin
= +18,5 ''
Celkem = 325º 53' 18,5''
Obr. 9
Úloha 9 – volitelná část A
Měření indexu lomu látek Abbého refraktometrem
Stručná charakteristika měření:
Měření probíhá na Abbého refraktometru – viz. Obr. 10 a 11. Horní plocha polokoule refraktometru je ozářena
rozptýleným světlem, tak že světlo dopadá na horizontální povrch pod všemi možnými úhly dopadu (tj. 0 – 90 deg).
Vzhledem k tomu, že má sklo polokoule větší index lomu než prostředí nad polokoulí, existuje maximální
(mezní) úhel měřený vzhledem k vertikální ose, pod nímž se světlo prošlé rozhraním může šířit v polokouli
(Obr. 13 dole). Měření mezního úhlu výstupu světla v polokouli refraktometru měříme pro několik otočení polokoule
kolem vertikální osy, abychom kompenzovali případné špatné nastavení počátku úhlové stupnice úhloměru (Obr. 12).
Průběh měření:
1. Provedeme kalibraci Abbého refraktometru (Obr. 10 a 11). Změříme mezní úhel šíření světla polokoulí
rafraktometru, tj. úhlovou polohu rozhraní světla a stínu pozorovaného v dalekohledu refraktometru
(Obr. 13). Měření provedeme pro šest úhlů otočení polokoule refraktometru okolo vertikální osy s krokem 60 deg.
2. Provedeme měření mezních úhlů potřebná k určení indexu lomu dvou kapaliny (vody).
pomocí Abbeho refraktometru. Měří se opět mezní úhly šíření světla polokoulí refraktometru při nanesení látky na plochu
polokoule refraktometru. Provedeme opět šest měření při stejných úhlech otočení polokoule refraktometru kolem
vertikální osy jako u části 1.
3. Z měření v částech 1. a 2. určíme index lomu měřené látky z dat pro každý úhel otočení polokoule refraktometru
Data statisticky zpracujeme.
Soubor s daty a komentáři pro „distanční“ praktikum:
uloha09_refraktometr.txt … mezní úhly šíření světla v polokouli Abbého refraktometru při volné horní
ploše polokoule a pří nanesení vodního sloupce na povrch polokoule pro různé úhly natočení
polokoule + vysvětlení k veličinám.
Úloha 9 – volitelná část A
Měření indexu lomu látek Abbého refraktometrem
Abbého refraktometr
2. difuzor světla
Injekční
stříkačka
pro nanášení
měřených
kapalin
Osvětlení dioda
zakrytá
papírem
rozptylujícím
světlo
Objektiv
dalekohledu
refraktomeru
Digitální
úhloměr
Osa otáčení
dalekohledu Digitální
úhloměr
Skleněná
polokoule
refraktometru
Skleněný
cylindr
pro
nalití kapaliny
Osvětlení
Obr. 10
Obr 11
Úloha 9 – volitelná část A
Digitální úhloměr
pro odečtení
mezního úhlu
Osvětlení dioda
zakrytá
papírem
rozptylujícím
světlo
Nitkový
kříž
Rozhraní
Rozhraní tmavého a světlého
pole zobrazené v okuláru
dalekohledu refraktometru
při měření mezního úhlu
Oblast nad kritickým úhlem
(obraz v dalekohledu je převrácený
podél horizontální osy)
do níž nepronikají paprsky
lomené na horní ploše polokoule
Obr. 12
Obr. 13