Для всех учителей из 37 347 образовательных учреждений по всей стране

Скидка до 75% на все 778 курсов

Выбрать курс
Получите деньги за публикацию своих
разработок в библиотеке «Инфоурок»
Добавить авторскую разработку
и получить бесплатное свидетельство о размещении материала на сайте infourok.ru
Инфоурок Физика Другие методич. материалыИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА "Способы определения показателей преломления прозрачных и слабо прозрачных жидкостей в учебном эксперименте"

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА "Способы определения показателей преломления прозрачных и слабо прозрачных жидкостей в учебном эксперименте"

библиотека
материалов

Государственное профессиональное

автономное учреждение

Ярославской области

Ярославский промышленно-экономический колледж,

г. Ярославль





ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА



Способы определения показателей преломления прозрачных и слабо прозрачных жидкостей в учебном эксперименте




Выполнили

Ситников Кирилл (15 БИО)

Постникова Валерия (15 БИО)

Зубов Вадим (15 АТП)

Звягина Дарья (15 АТП)

Чернышева Анна (15 АТП)


Научные руководители:

Преподаватель физики высшей категории, к.ф.-м.н.

А.С. Голованов

Преподаватель физики высшей категории

Л.Б. Кулдавлетова а











Ярославль, 2016

Введение

Актуальность проекта. Измерение показателя преломления оптически прозрачных твердых тел не представляется достаточно затруднительным. Самый известный метод определения показателя преломления, используемый в школе, достаточно прост, не требует специального оборудования и основан на законах преломления светового луча в среде. Измерение показателя преломления твердых тел также изучено и основано на поляризации электромагнитной волны при отражении и преломлении. Определения показателя преломления жидкости в большинстве своем требует специального оборудования. Знание данного оптического параметра широко используется от пищевой промышленности до медицины.

Мы предлагаем несколько простых методов для определения показателя преломления жидкости, которые можно легко повторить, и они не требуют специального оборудования.


Цель данного исследования: Предложить способы определения показателя преломления жидкостей. Экспериментальным путем проверить их физическую состоятельность.



Содержание исследования:


  1. Измерение показателя преломления жидкости с помощью циркуля и линейки

  2. Определение показателя преломления жидкости с помощью дифракционной решетки

  3. Определение показателя преломления жидкости с помощью плоского зеркала

  4. Определение показателя преломления жидкости с помощью вогнутого зеркала

  5. Определение показателя преломления жидкости с помощью полного отражения света






























ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

С ПОМОЩЬЮ ЦИРКУЛЯ И ЛИНЕЙКИ


МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ:

Не направляйте луч лазера в глаза, это может повредить сетчатку глаза!


ОБОРУДОВАНИЕ:

  • стеклянный сосуд с вертикальными стенками

  • калька

  • миллиметровая бумага

  • лазерная указка (при ее отсутствии можно обычную указку)

  • циркуль

  • копировальная бумага

  • исследуемая жидкость.


ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

На чертеже показаны падающий и преломленный лучи света в двух экспериментах. Показатель преломления не зависит от угла падения. Чтобы не измерять углы и находить их синусы воспользуемся окружностью с центром в точке падения и как можно большим радиусом, тогда значение синусов углов можно найти из прямоугольных треугольников, как отношение противолежащего катета к гипотенузе. Поскольку гипотенузы прямоугольных треугольников равны радиусу окружности, отношение синусов углов определяется как отношение катетов треугольников.




















ХОД ЭКСПЕРИМЕНТА:

  1. Начертить на кальке горизонтальную линию и два падающих под разными углами луча.

  2. Налить в сосуд жидкость, закрыть одну из стенок сосуда калькой так, чтобы горизонтальная линия совпала с поверхностью воды.

  3. Направить луч лазера по одному из лучей, отметить ход преломленного луча.

  4. Сделать то же для второго падающего луча.

  5. Перевести чертеж на миллиметровую бумагу.

  6. Через точку В границы раздела сред воздух-жидкость провести перпендикуляр к границе, и отметить углы падения α и преломления β.

  7. Провести окружность с центром в точке В и отметить точки пересечения окружности с падающим и отраженным лучами (соответственно точки А и С).

  8. Измерить расстояние от точки А до перпендикуляра к границе раздела (АЕ).

  9. Измерить расстояние от точки С до перпендикуляра к границе раздела (СД).

  10. Вычислить показатель преломления стекла по формуле: .

  11. Найти среднее арифметическое значений, полученных в опытах.


РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Мы измеряли показатель преломления водопроводной воды.

















ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА:

  • В данном эксперименте можно непосредственно наблюдать преломление луча света на границе раздела двух сред.

  • Для того, чтобы увидеть преломленный луч на кальке, необходимо менять угол наклона лазера, что может привести к его смещению и соответственно к появлению погрешности в построении чертежа.















ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

С ПОМОЩЬЮ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ


МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ:

Не направляйте луч лазера в глаза, это может повредить сетчатку глаза!

ОБОРУДОВАНИЕ:

  • лазерная указка

  • дифракционная решетка с периодом 6 мкм.

  • прозрачная кювета

  • крепеж для лазерной указки

  • скотч (или изолента)

  • ножницы

  • калька.


ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Условие максимума первого порядка

- в воздухе:

- в жидкости:

Найдем тангенсы углов из прямоугольных треугольников

- в воздухе: ,

- в жидкости:

Из геометрии мы знаем, что для малых углов:

Выразим из условия максимумов длины волн:

- в воздухе:

- в жидкости:

Показатель преломления жидкости относительно воздуха:

где: - скорость света в воздухе

- скорость света в жидкости

Окончательное значение показателя преломления жидкости относительно воздуха следующим образом:

ХОД ЭКСПЕРИМЕНТА

  1. Прикрепить дифракционную решетку на одну из внешних стенок кюветы

  2. Налить в кювету жидкость, показатель преломления которой нужно измерить.

  3. Поместить лист миллиметровой бумаги на экран и поместить его рядом с противоположной стенкой кюветы.

  4. Поместить лазерную указку перед дифракционной решеткой так, чтобы его луч проходил над поверхностью жидкости, и дифракционная картина была видна на миллиметровой бумаге.

  5. Измерить расстояние между главным и первым максимумами дифракционной картины ().

  6. Опустить лазерную указку так, чтобы луч проходил через жидкость.

  7. Измерить новое расстояние между максимумами ()

  8. Найти значение показателя преломления по формуле: .


РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА:

  • в ходе эксперимента мы убедились в том, что показатель преломления зависит от концентрации раствора (заметное его изменение от показателя преломления воды произошло только при достаточно большой концентрации вещества в воде)

  • показатель преломления зависит и от длины световой волны: красный луч лазера не проходит через насыщенный раствор медного купороса и мы использовали зеленый лазер. Измерив показатель преломления воды для зеленого света, мы получили другое значение.

  • Данный способ измерения дает достаточно точные результаты.


















ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

С ПОМОЩЬЮ ПЛОСКОГО ЗЕРКАЛА


МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ:

Не направляйте луч лазера в глаза, это может повредить сетчатку глаза!

Будьте осторожны при работе со стеклом


ОБОРУДОВАНИЕ:

  • стакан

  • штатив с муфтой и лапкой

  • пробка или ластик

  • линейка

  • два одинаковых гвоздя (можно использовать абсолютно все, что имеет цилиндрическую продолговатую форму и длину чуть меньше диаметра стакана)

  • зеркало (шириной оно должно равняться радиусу стакана, а длинной должно быть больше диаметра стакана)

  • исследуемая жидкость.

















ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ











т. - положение конца карандаша на дне сосуда т. - его мнимое изображение

, , - кажущаяся глубина, - действительная глубина, (для малых углов)



ХОД ЭКСПЕРИМЕНТА

  1. На ровную горизонтальную поверхность установите стакан, заполните его водой.

  2. Один гвоздь поместите на дно сосуда, заполненного водой; другой гвоздь воткните в пробку или ластик и закрепите в лапке штатива поверх стакана так, чтобы его положение было над нижним гвоздем строго параллельно и сонаправлено положению нижнего гвоздя.

  3. Положите на стакан зеркало так, чтобы его положение было перпендикулярно обоим гвоздям (отражающей поверхностью вверх). Зеркало должно закрывать примерно половину поверхности воды.

  4. Глядя на закрепленный в лапке гвоздь перпендикулярно вниз путем перемещения лапки штатива выше или ниже установите его в такое положение, при котором изображение в зеркале полностью совпадет с мнимым изображением гвоздя, видимого сквозь толщу воды.

  5. Измерьте расстояние между закрепленным в штативе гвоздем и зеркалом (x - мнимая глубина).

  6. Измерьте расстояние от гвоздя на дне сосуда до поверхности воды (у - реальная действительная глубина).

  7. Рассчитайте показатель преломления по формуле


РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА




















ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА:

Точность определения показателя преломления определяется тем, насколько горизонтально вы выстроите установку, и вертикально будете совмещать изображения. Погрешность определяется еще и тем, насколько точно вам удастся визуально совместить изображения. Способ относительно неточен.




ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

С ПОМОЩЬЮ ВОГНУТОГО ЗЕРКАЛА


МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ:

Не направляйте луч лазера в глаза, это может повредить сетчатку глаза!

Будьте осторожны при работе со стеклом


ОБОРУДОВАНИЕ

  • вогнутые сферические зеркала

  • вода

  • карандаш

  • штатив с муфтой и лапкой

  • линейка.


ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

















(угол падения) =

(угол преломления) =

Из , , ,

При совмещении кончиков изображений карандашей точка D будет близка к точке B. Поэтому

В случае заполнения зеркала водой точка B будет близка к точке P т.е.,

и


ХОД ЭКСПЕРИМЕНТА

  1. Поставьте вогнутое зеркало горизонтально к поверхности.

  2. Зажмите карандаш в штатив строго горизонтально.

  3. Совместите кончики реального изображения карандаша и его перевернутого изображения в зеркале.

  4. Измерьте расстояние РС, используя отвес и линейку.

  5. Теперь добавьте небольшое количество воды в зеркало, чтобы изменить положение изображения карандаша.

  6. Установите лапку штатива выше или ниже, чтобы совместить кончики изображений карандаша.

  7. Измерьте расстояние Р1С1 полюса зеркала до карандаша.

  8. Рассчитайте показатель преломления: .















РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

зеркала

РС, мм

Р1С1, мм

n

nср

1

160

119

1,34

1,32

2

163

12

1,38

3

70

55

1,27



ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА:

Зеркало и поверхность воды должны быть чистыми.

Карандаш должен быть зажат надежно в горизонтальном положении.










ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ

С ПОМОЩЬЮ ПОЛНОГО ОТРАЖЕНИЯ СВЕТА


МЕРЫ ПРЕДОСТОРОЖНОСТИ:

Не направляйте луч лазера в глаза, это может повредить сетчатку глаза!

Будьте осторожны при работе со стеклом


ОБОРУДОВАНИЕ:

  • лазерная указка

  • стеклянный стакан

  • жидкость, показатель преломления которой известен

  • жидкость, показатель преломления которой нужно измерить (жидкости не должны смешиваться и показатель преломления более легкой жидкости должен быть меньше показателя преломления более тяжелой жидкости)

  • транспортир.


ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Для полного отражения света справедлива формула


,


ХОД ЭКСПЕРИМЕНТА

  1. Налить в стакан раствор медного купороса и скипидар. Дождаться, чтобы граница раздела была четкой.

  2. Направить луч лазера через медный купорос на границу раздела двух сред и менять угол падения пока не добьетесь полного отражения (луч лазера не проходит во вторую среду, а скользит по границе раздела),

  3. Измерить угол падения луча.

  4. Рассчитать показатель преломления по формуле: .

Показатель преломления скипидара (измеренный в предыдущем эксперименте) равен 1,5


РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

,












ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТА:

В работе получается достаточно большая погрешность измерения угла падения луча с помощью транспортира.

ВЫВОДЫ

За время работы над экспериментальным заданием мы рассмотрели возможные методы определения показателя преломления жидкости. К сожалению, в нашем распоряжении нет рефрактометра и набора по геометрической оптике, с помощью которых можно измерить показатель преломления жидкости с более высокой точностью и оценить наши результаты.

Из предложенных способов измерения показателя преломления жидкости на наш взгляд более точным является способ определения с помощью дифракционной решетки. Этот способ был бы более точным, если мы использовали решетку с большим периодом, чем у нас имеется.


Литература:

  1. Касьянов В.А. Физика. 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. – 5-е изд., дораб. – М.: Дрофа, 2003. – 416с.: ил.

  2. Физика для профессий и специальностей технического и естественно-научного профилей: учебник для образоват. учреждений нач. и сред, проф. образования / А. В. Фирсов ; под ред. Т. И. Трофимовой. — 3-е изд., стер. — М. : Издательский центр «Академия», 2012. — 432 с.


11

Курс повышения квалификации
Курс профессиональной переподготовки
Учитель физики
Курс повышения квалификации
Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:
также Вы можете выбрать тип материала:
Краткое описание документа:

Измерение показателя преломления оптически прозрачных твердых тел не представляется достаточно затруднительным. Самый известный метод определения показателя преломления, используемый в школе, достаточно прост, не требует специального оборудования и основан на законах преломления светового луча в среде. Измерение показателя преломления твердых тел также изучено и основано на поляризации электромагнитной волны при отражении и преломлении. Определения показателя преломления жидкости в большинстве своем требует специального оборудования. Знание данного оптического параметра широко используется от пищевой промышленности до медицины.

Мы предлагаем несколько простых методов для определения показателя преломления жидкости, которые можно легко повторить, и они не требуют специального оборудования.

Проверен экспертом
Общая информация
Учебник: «Физика (базовый уровень)», Касьянов В.А.

Номер материала: ДБ-1017432

Вам будут интересны эти курсы:

Курс повышения квалификации «Информационные технологии в деятельности учителя физики»
Курс профессиональной переподготовки «Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс повышения квалификации «Основы туризма и гостеприимства»
Курс профессиональной переподготовки «Организация логистической деятельности на транспорте»
Курс повышения квалификации «Страхование и актуарные расчеты»
Курс повышения квалификации «ЕГЭ по физике: методика решения задач»
Курс профессиональной переподготовки «Управление сервисами информационных технологий»
Курс профессиональной переподготовки «Организация технической поддержки клиентов при установке и эксплуатации информационно-коммуникационных систем»
Курс профессиональной переподготовки «Организация системы менеджмента транспортных услуг в туризме»
Курс профессиональной переподготовки «Политология: взаимодействие с органами государственной власти и управления, негосударственными и международными организациями»
Курс профессиональной переподготовки «Метрология, стандартизация и сертификация»
Курс профессиональной переподготовки «Эксплуатация и обслуживание общего имущества многоквартирного дома»
Курс профессиональной переподготовки «Технический контроль и техническая подготовка сварочного процесса»
Курс профессиональной переподготовки «Гражданско-правовые дисциплины: Теория и методика преподавания в образовательной организации»

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Репетиторы онлайн

✅ Подготовка к ЕГЭ/ГИА
✅ По школьным предметам

✅ На балансе занятий — 1

Подробнее