Жауабы: Исследование преломления света

Преломление света
Исследование явления преломления света

Вы не замечали, что стоящие в воде люди кажутся короче, чем есть на самом деле, а если посмотреть на дно реки, то оно кажется ближе? Всё дело в преломлении света.

На границе с прозрачными телами – например, на границе с водой или стеклом – световые лучи частично проходят из воздуха во вторую прозрачную среду, но меняют при этом направление распространения (см. рис. 1). Это явление называется преломлением света.

Рис.
1. Угол между падающим лучом и перпендикуляром к поверхности в точке падения называется углом падения (угол α); угол между преломлённым лучом и перпендикуляром к поверхности – углом преломления. Угол преломления в воде или стекле больше угла падения в
воздухе.

Можно проделать следующие опыты по наблюдению преломления света в воде. Если в стакан с водой (а лучше некрепким чаем) опустить вертикально карандаш (см. рис. 2а) и посмотреть на стакан сбоку, то карандаш в воде кажется толще, чем он есть на самом деле. Если карандаш опустить наклонно в воду, то, глядя сбоку, можно четко увидеть, что часть карандаша, расположенная в воде, кажется надломленной, сдвинутой в сторону (рис. 2б).

Рис. 2а
Рис. 2б

Коэффициент преломления – это коэффициент, который показывает, насколько сильно отклоняется преломлённый луч относительно падающего. Чем больше коэффициент преломления, тем в большей степени проявляется преломление. В таблице 1 представлены коэффициенты преломления
(
n
)
при переходе луча из воздуха в разные вещества.

Кесте 1
| Вещество | n | Вещество | n |
| Ацетон | 1,36 | Органическое стекло | 1,50 |
| Алмаз | 2,42 | Серная кислота | 1,43 |
| Бензол | 1,50 | Рубин | 1,76 |
| Вода | 1,33 | Слюда | 1,58 |
| Кварц | 1,54 | Спирт | 1,36 |
| Глицерин | 1,47 | Стекло (обычное) | 1,53 |
| Лёд | 1,31 | Стекло (оптическое) | 2,04 |

Закон, которому подчиняется преломление, пытались найти сначала греческие, а позже арабские учёные. Но автором закона преломления считается голландец Снеллиус (1580–1626 гг.), экспериментально и математически открывший его в 1621 г.

Позже было установлено, что чем оптически плотнее вещество, тем в большей степени уменьшается угол преломления по сравнению с углом падения (рис. 3).

Рис. 3

Где на самом деле находятся на небе звезды

Иногда чёткой границы раздела между веществами нет и преломление меняется плавно. Так, например, по мере приближения к поверхности Земли плотность воздуха плавно увеличивается, соответственно, плавно увеличивается коэффициент преломления световых лучей. В результате наблюдается рефракция света – оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов.

Греческий астроном Клавдий Птолемей (около 130 г. н. э.) известен как автор замечательной книги, которая в течение почти 15 столетий служила основным учебником по астрономии. Однако кроме учебника по астрономии Птолемей написал ещё книгу «Оптика», в которой изложил в том числе свои исследования преломления света. С явлением преломления света Птолемей столкнулся, наблюдая звёзды. Он заметил, что луч света, переходя из одной среды в другую, «ломается». Поэтому звёздный луч, проходя через земную атмосферу, доходит до поверхности Земли не по прямой, а по кривой линии.

Наблюдатель видит звезды не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения (см. рис. 4).

Рис. 4. Криволинейное распространение светового луча в атмосфере (сплошная линия) и кажущееся смещение объекта (пунктирная линия). Наш мозг строит изображение предмета на продолжении прямого луча, поэтому кажется, что звезда находится выше над горизонтом, чем есть на самом деле.

Птолемей пытался открыть закон преломления, т.е. найти формулу, связывающую угол падения и угол преломления. В таблице представлены результаты измерений Птолемея для углов падения и соответствующих углов преломления при переходе луча из воздуха в воду.

Кесте 2
| № опыта | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Угол падения α, град | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 |
| Угол преломления β, град | 8 | 15,5 | 22,5 | 28 | 35 | 40,5 | 45 | 50 |

Но Птолемею не удалось найти формулу взаимосвязи для этих двух рядов чисел.

Как измерить, какой фрукт слаще

Растворы сахарозы в воде преломляют световые лучи. При этом показатель преломления не постоянен и зависит от концентрации раствора, т.е. от количества растворённого сахара (рис. 4). Это свойство растворов сахарозы широко применяется для определения их концентрации.

Рис. 4

Для процентного содержания сахарозы в растворе воды введена такая единица, как Брикс, названная в честь немецкого химика А. Брикса (1798 – 1890).

Он был первым, кто измерил плотность соков, полученных из плодов растений, с помощью поплавкового плотномера (ареометра). Плотность сока свидетельствовала о количестве растворенной сахарозы, а, следовательно, и о качестве будущего вина. Возможность прогнозировать качество будущего вина была чрезвычайно важна для виноделов. Современники высоко оценили открытие профессора Брикса и назвали его именем новую единицу измерения.

Брикс
сегодня определяют как процентное содержание сахарозы в растворе. Например, раствор в 25 °Bx (или 25%) означает, что в 100 граммах готового раствора находятся 25 граммов сахарозы и 75 граммов воды.

Показатель Брикс напрямую связан с качеством плодов. Например, виноград с невыразительным кислым вкусом, выращенный на истощённой почве, имеет величину Брикс не более 8, а виноград с богатым вкусом, выращенный на плодородной почве, имеет Брикс до 24 и более (таблица 3).

Кесте 3
Определение качества некоторых плодов
по величине Брикс содержащегося в них сока

Современными приборами для измерения содержания сахарозы в воде являются рефрактометры (рис. 5).

Работа рефрактометра основана на разнице преломления света в разных средах. При возрастании плотности исследуемой жидкости одновременно увеличивается коэффициент её рефракции (преломления). Для растворов за эталон (нулевое значение) берётся дистиллированная вода.

Исследуемый раствор наносят на главную призму – прозрачное стекло с высоким коэффициентом преломления солнечных лучей. Через систему линз преломлённый свет попадает на шкалу с градацией, разделяя её на светлую и тёмную часть. Шкалу можно увидеть через монокуляр. Именно граница между светлой и темной частью шкалы показывает численное значение, например, концентрацию сахара в соке или спирта в воде.

Рис. 5

Инструкция по работе с рефрактометром

Калибровка

Перед началом использования рефрактометра его нужно откалибровать. Калибровочная жидкость идёт в комплекте вместе с прибором, а если её нет, то можно взять дистиллированную воду.

Реті действий:
1. Поднять защитную пластину. Капнуть 2-3 капли дистиллированной воды (калибровочной жидкости) на призму.
2. Закрыть защитную пластину так, чтобы жидкость равномерно распределилась по призме, не было пузырьков и сухих мест.
3. Подождать 30 секунд, пока образец адаптируется под температуру окружающей среды.
4. Направить рефрактометр призмой в направлении естественного дневного освещения и посмотреть в монокуляр. Подкручивать калибровочный винт до тех пор, пока граница между синей и белой областями не будет на нулевой отметке.
5. Открыть защитное стекло, протереть мягкой тряпкой (идёт в комплекте с рефрактометром) само стекло и призму от калибровочной жидкости (дистиллированной воды). Закрыть устройство.

Как пользоваться рефрактометром
1. Открыть защитное стекло (пластину), капнуть на призму 2-3 капли исследуемой жидкости (например, сока).
2. Закрыть пластину, подождать 30 секунд, чтобы жидкость равномерно распределилась по всей призме, не должно быть без сухих мест и пузырьков.
3. Поднести рефрактометр к источнику дневного освещения (подходит только естественный дневной свет, даже боковой флуоресцентный источник света искажает измерения).
4. Посмотреть в монокуляр и снять показания. Искомое значение будет на границе между темной и светлой областью.
5. Открыть пластину рефрактометра. Протереть защитное стекло и призму мягкой тканью. Закрыть прибор и положить на хранение.

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка

Чертёж перерисован вручную — открыть оригинал из банка