• 5

Работа 61. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСИИ СТЕКЛЯННЫХ ПРИЗМ С ПОМОЩЬЮ ГОНИОМЕТРА

Принадлежности: гониометр, стеклянная плоскопараллельная пластинка, призмы из различных сортов стекла, ртутная лампа ПРК-4.

Гониометр служит для точного измерения углов и находит широ­кое применение в оптических лабораториях. С помощью гониометра можно определить показатели преломления и преломляющие углы

 

Рис. 189. Гониометр.

призм и кристаллов, исследовать параметры дифракционных реше­ток, измерять длины волн спектральных линий и т. д. В настоящей работе этот прибор применяется для исследования дисперсии стеклянных призм.

Гониометр состоит из треножного штатива (рис. 189), на кото­ром вокруг общей вертикальной оси вращаются зрительная труба Т и разделенный на градусы круг N (лимб). На том же штативе укреп­

лена неподвижно другая труба — коллиматор /С, служащий для получения параллельного пучка лучей. Ширина входной щели S коллиматора регулируется с помощью винта Вх. Над лимбом N находится столик С, который может вращаться вокруг общей оси прибора; кроме того, столик может смещаться вдоль оси и закреп­ляться в желаемом положении зажимным винтом В2. Столик со­стоит из двух дисков, верхний из которых укреплен на нижнем с помощью трех установочных винтов /, что дает возможность на­клонять верхний диск относительно оси.

Зрительная труба снабжена окуляром Аббе О (рис. 190), вблизи фокальной плоскости которого помещена пластинка П со сложным

крестом нитей (рис. 191). Между окуляром О и пластинкой П в рас­ширенной части трубы имеется окошечко а\ перед ним помещена небольшая призма полного внутреннего отражения Р, служащая для освещения креста нитей (/, 2). Призма Р во время установки прибора заслоняет собой часть поля зрения, закрывая почти всю вертикальную нить 2 и почти всю горизонтальную нить 1 (рис. 191). При некоторых измерениях эта призма бывает не нужна; в этих случаях при помощи бокового рычажка г (см. рис. 189) она может быть отведена в сторону. По другую сторону окошечка а в спе­циальном тубусе D помещается лампочка, освещающая крест нитей (1, 2) через призму Р. Перемещая окуляр О, устанавливают крест нитей в его фокусе. Окуляр вместе с осветителем, призмой и кре­стом нитей посредством кремальеры может перемещаться относи­тельно объектива.

Труба (рис. 189) может поворачиваться относительно верти­кальной оси и закрепляться зажимным винтом 8 в произвольном положении; после закрепления она может слегка поворачиваться с помощью микрометрического винта 7. Лимб N аналогичным обра­зом может закрепляться зажимным винтом 5 и поворачиваться

 

4

Рис. 191. Нити в поле зрения трубы гониометра.

3

Рис. 190. Окуляр зрительной трубы с устройством для осве­щения нитей.

микрометрическим винтом 6. При отпущенном винте 5 лимб пово­рачивается за рычажки штурвала 4. Лимб N может быть скреплен со столиком С с помощью винта 2. Если этот винт отпущен, то лимб можно поворачивать относительно столика, придерживая последний за кольцо 3.

Зрительная труба жестко соединена с двумя диаметрально рас­положенными нониусами, которые скользят вдоль делений круга. Отсчеты всегда производятся по обоим нониусам для исключения ошибки от эксцентриситета системы. Вблизи каждого нониуса расположена лупа L, облегчающая отсчет.

Юстировка гониометра. Гониометр требует тщательной юсти­ровки, которая заключается в установке зрительной трубы на бес­конечность, в установке оптической оси трубы перпендикулярно оси вращения прибора и в установке коллиматора на параллель­ный пучок лучей.

Установка трубы на бесконечность. Для установки трубы на бесконечность нужно установить крест нитей в общей фокальной плоскости окуляра и объектива. Установка креста в фокальной плоскости окуляра, как уже говорилось, произ­водится путем перемещения окуляра от руки. Установка его в фо­кальной плоскости объектива осуществляется с помощью кремаль­еры и требует дополнительных приспособлений. На столик С пер­пендикулярно оптической оси трубы помещают какой-либо плоский отражающий предмет, например плоскопараллельную стеклянную пластинку. Крест нитей освещают через призму Р\ на него фоку­сируют окуляр О. Пучок света, освещающий крест нитей, выходит из объектива зрительной трубы и, частично отразившись от передней грани плоскопараллельной пластинки, вновь попадает в трубу. Передвигая весь окуляр с помощью кремальеры, добиваются того, чтобы изображение отраженного креста нитей было ясно видно в окуляре одновременно с самим крестом и располагалось с ним в одной плоскости (убедиться в этом проще всего, несколько сме­щая глаз в сторону; расположенные в одной плоскости крест и его изображение не передвигаются при этом друг относительно друга). Установка трубы на бесконечность на этом заканчивается.

Установка оптической оси трубы перпен­дикулярно оси вращения прибора. При юсти­ровке оптической оси трубы существенно расположение плоско­параллельной пластинки на столике гониометра. Лучше всего, если она стоит параллельно линии, соединяющей два устано­вочных винта. Вращение третьего винта позволяет в этом случае эффективно регулировать поворот пластинки относительно гори­зонтальной оси, параллельной ее отражающей грани.

Вращая столик и наклоняя его или трубу, добиваются того, чтобы изображение горизонтальной нити 1 попало между двумя нитями 3\ затем поворачивают лимб N вместе со столиком и пластин­

кой на 180°. При этом расположение отраженного креста нитей, вообще говоря, изменится (нить 1 уйдет из зазора между нитями 5). Его восстанавливают, действуя двумя винтами: винтом Сх (накло­няя зрительную трубу) и третьим винтом столика С (наклоняя плоскопараллельную пластинку). При первой из этих операций следует приблизить изображение нити к двойной горизонтальной нити 3 приблизительно на половину своего первоначального рас­стояния, а затем винтом столика вводят изображение этой нити между нитями 3. После этого снова поворачивают столик на 180°, и если установка нарушается, ее снова восстанавливают тем же путем. Легко видеть, что расположение отраженного креста нитей не изменяется, при повороте столика на 180° лишь в том случае, если оптическая ось зрительной трубы перпендикулярна оси вра­щения прибора (и ось вращения столика параллельна отражающей грани пластинки).

Установка коллиматора. Щель коллиматора долж­на быть установлена в фокальной плоскости объектива с тем, чтобы пучок выходящих из коллиматора лучей был параллельным. Для этого освещают щель светом помещенной против нее лампы и на­правляют на коллиматор предварительно установленную на беско­нечность зрительную трубу. Трубку со щелью устанавливают так, чтобы щель была четко видна при наблюдении через зрительную трубу.

Для установки оптической оси коллиматора перпендикулярно оси вращения прибора следует наклонять коллиматор посредством установочного винта С2, пока изображение щели в поле зрения трубы не расположится симметрично относительно нитей 3. На этом юстировка гониометра заканчивается.

Указания. В настоящей работе гониометр применяется для изме­рения преломляющих углов призм и определения зависимости пока­зателя преломления от длины световой волны (дисперсии). При этом используются призмы, сделанные из разных сортов стекла.

Установка призмы. Призма помещается на столике гониометра и должна быть установлена так, чтобы ее исследуемое преломляю­щее ребро было параллельно оси вращения гониометра, т. е. чтобы ось вращения одновременно была параллельна двум рабочим граням призмы. Для этого устанавливают призму в центр столика отъюсти­рованного гониометра таким образом, чтобы одна из преломляющих граней была параллельна линии, соединяющей два установочных винта столика С. Поворачивая столик и вращая третий установоч­ный винт, добиваются того, чтобы указанная грань оказалась пер­пендикулярна оптической оси трубы (изображение горизонтальной нити 1 попадает в просвет между горизонтальными нитями 3) и, следовательно, параллельна оси вращения гониометра. Затем пово­рачивают призму другой преломляющей гранью к трубе 7, действуя двумя другими установочными винтами, устанавливают вторую

грань перпендикулярно оптической оси трубы; при этом нужно следить за тем чтобы один из винтов поднимался приблизительно на столько же, на сколько опускается другой (в этом случае сере­дина первой установленной грани практически не сдвигается с места и эта грань остается параллельной оси вращения). После этого снова поворачивают призму первой гранью к трубе и проверяют установку. Если установка нарушилась, восстанавливают ее, действуя третьим установочным винтом столика, и т. д.

Измерение преломляющего угла призмы. Повернуть зрительную трубу относительно призмы так, чтобы в просвете между двумя вертикальными линиями 4 наблюдалось изображение нити 2 в одной из рабочих граней призмы. Затем, не изменяя положения столика и лимба, нужно повернуть трубу так, чтобы в просвет между ни­тями 4 попало изображение нити 2, полученное при отражении света от второй рабочей грани. По углу поворота зрительной трубы

нетрудно определить прелом­ляющий угол призмы.

Рекомендуется (не перестав­ляя призмы!) проделать указан­ные измерения со всеми тремя преломляющими углами и найти их сумму. Отличие этой суммы от 180° служит хорошей мерой точности эксперимента.

Измерение показателя пре­ломления. Показатель преломле­ния материала призмы удобно определять по углу наименьшего отклонения.

Как известно, минимальное отклонение света получается при симметричном ходе лучей в призме (рис. 192). Угол минимального отклонения лучей б, преломляющий угол а и показатель преломле­ния п связаны между собой соотношением

 

Рис. 192. Симметричный ход лучей в призме.

sin У2 (а + 6) sin V2a

(i)

Вывести это соотношение студентам предлагается самостоятельно.

Измерение угла наименьшего отклонения производится следую­щим образом. Устанавливают зрительную трубу против коллима­тора (на глаз). Призму (вместе со столиком!) поворачивают так, чтобы биссектриса ее преломляющего угла была приблизительно перпендикулярна оси коллиматора (и трубы). Затем вращают зрительную трубу в сторону основания призмы до тех пор, пока в поле зрения не появится избранная для наблюдения спектральная линия. Установив на нее крест нитей, трубу закрепляют и, освобо­див столик, поворачивают его вместе с призмой так, чтобы изобра­жение линии приблизилось к направлению неотклоненного луча.

Столик вместе с призмой закрепляют в таком положении, когда отклонение изображения спектральной линии от направления оси коллиматора оказывается наименьшим. В этом положении крест нитей зрительной трубы снова совмещают с изображением спектраль­ной линии и производят отсчет по лимбу. Зная направление неоткло- ненного луча, определяют угол наименьшего отклонения и затем по формуле (1) вычисляют значение п для заданной спектральной линии.

Измерив п для ряда спектральных линий, можно построить дисперсионную кривую — график зависимости п (К). По диспер­сионной кривой могут быть определены такие важные характери­стики оптических стекол, как средняя дисперсия D:

D = nF— tic   (2)

и коэффициент дисперсии v (число Аббе):

Здесь nDi tip и tic — показатели преломления для XD = 5893 А (среднее значение длин волн желтого дублета натрия), KF = 4861 А (голубая линия водорода), = 6563 А (красная линия водорода). Для определения пс с помощью спектра ртутной лампы дисперсион­ную кривую приходится несколько экстраполировать в область длинных волн.

Измерения. 1. Измерьте с помощью гониометра преломляющие углы двух-трех призм, выполненных из стекла различных сортов.

2.         У тех же призм измерьте показатели преломления для глав­ных спектральных линий ртути и постройте дисперсионные кривые п (к). Длины волн возьмите из таблицы спектральных линий ртути.

3.         По дисперсионным кривым вычислите значения D и v и опре­делите, из каких сортов стекла изготовлены призмы. При этом можно использовать таблицу, приведенную в конце книги.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я