5_7 (810501), страница 2
Текст из файла (страница 2)
С помощью установочного винтапластинки P2 совмещают нулевую полосу с перекрестием нитей в окуляре зрительной трубы. Винтом пластинки P1 устанавливают нужнуюширину полос (рекомендуемая ширина полос порядка 1/10 поля зрения).Во всех дальнейших опытах установочные винты пластинок P1 и P2трогать не следует. Замечают нулевое деление микрометрического винтакомпенсатора. Вращая винт компенсатора, последовательно совмещаютс крестом нитей первую, вторую и т.
д. полосы и записывают отсчёты.При смещении на одну интерференционную полосу разность хода меняется на длину волны. Градуировку следует производить, выделяя узкийинтервал длин волн, для чего на пути лучей из осветителя устанавливается светофильтр. Средняя длина волны и полоса пропускания светофильтра указаны на его оправе. При градуировке нужно использоватьвсе полосы, наблюдаемые в окуляре.
Результаты изображаются на градуировочном графике ∆k = ∆k (z), где z — отсчёт по шкале компенсатора.При ∆k = ∆ нулевая полоса оказывается совмещённой с перекрестием8нитей в окуляре зрительной трубы. Это позволяет определять разностьхода ∆ лучей в интерферометре по шкале компенсатора.Газовая система. В настоящей работе интерферометр Жамена применяется для исследования зависимости показателя преломления воздухаот давления и для измерения показателя преломления углекислого газапри нормальных условиях. Исследуемый газ заполняет одну из трубокгазовой кюветы (рис. 3).
Газовая система, применяемая для изменениядавления воздуха в первой трубке кюветы и для заполнения второй трубки воздухом или углекислым газом, показана на рис. 4. Давление воздуха в первой трубке изменяется при помощи сильфона С и измеряетсяманометром М.Перед началом измерений кран К1 открывают и винт сильфона ввинчивают приблизительно на половину его длины (чтобы иметьвозможность создавать в трубке как избыточное давление, так и разрежение). Затем кранК1 закрывается и давление в трубке изменяreplacementsется с помощью сильфона. ВPSfragэтом опытетрубка 2 заполняется воздухом при атмосферномдавлении.
Для этого трёхходовым краном К2соединяют трубку 2 с грушей Г и несколькоCO2раз прокачивают трубку атмосферным воздухом.123Рис. 5. Схема трёхходового крана К2При измерении показателя преломленияСO2 используется схема, изображённая внижней части рис. 4. Баллон с углекислым газом подсоединяется к трубке 2 кюветы через трёхходовой кран К2 (рис. 5). Кран К2 позволяет попеременно подсоединять балластный резервуар Б, имеющий небольшойобъём (≈ 200 см3 ), к баллону с CO2 и к трубке кюветы (положения 1 и 2);после четырёх–пяти таких операций углекислый газ практически полностью вытесняет воздух из трубки.
В положении 3 кран подсоединяет ктрубке резиновую грушу Г, с помощью которой производится промывкакюветы воздухом. При измерениях кран К1 должен быть открыт, чтобывоздух в верхней трубке находился при атмосферном давлении. Измерения следует проводить через 2–3 минуты после заполнения трубкиуглекислым газом, чтобы успело установиться тепловое равновесие.Показатель преломления исследуемого газа определяется при интерференционных измерениях путём сравнения с воздухом при атмосфер9ном давлении и рассчитывается по формулеn = nвозд +∆,lгде αi и Ni — поляризуемость и концентрация молекул различных газов,входящих в состав воздуха, N — общее число молекул в единице объёма.Формула (11) позволяет установить связь показателя преломлениягаза n при температуре T и давлении P с показателем преломления n0при нормальных условиях (T0 = 273 K, P0 = 1 атм):(7)где ∆ — разность хода, определяемая по шкале компенсатора, l == 10 см — длина трубки кюветы.
При исследовании зависимости показателя преломления воздуха от давления эту формулу удобно записатьв виде∆(8)∆n = .lЗависимость показателя преломления газа от давления и температуры. Молекулярная оптика устанавливает следующее простое соотношение между показателем преломления газа и его плотностью:√√(9)n = ε = 1 + 4πN α ≈ 1 + 2πN α,где N — число молекул в единице объёма, α — поляризуемость молекулы — коэффициент пропорциональности между дипольным моментом pмолекулы и напряжённостью электрического поля E (p = αE), ε — диэлектрическая проницаемость. Принимая во внимание соотношениеP = N kT,(10)где P — давление в газе, k — постоянная Больцмана, получимP.n − 1 = 2παkT2πα∆P.kT101.2.3.(11)5.(12)Величина ∆n измеряется с помощью интерферометра Жамена, ∆P —с помощью манометра.
Одновременное измерение этих величин (и температуры T ) позволяет определить поляризуемость молекул воздуха и,следовательно, рассчитать по формуле (11) показатель преломления воздуха для любых значений P и T . Следует отметить, что воздух являетсясмесью нескольких газов, поэтому под поляризуемостью молекул воздуха нужно понимать некоторую среднюю величину, определяемую соотношением1 Xα i Ni ,(13)α=N i(14)ЗАДАНИЕ4.Из (11) следует, что при постоянной температуре изменение показателяпреломления ∆n пропорционально изменению давления ∆P :∆n =T P0n0 − 1=.n−1T0 P6.7.В работе предлагается исследовать изменение показателя преломления воздуха при изменении давления и определить разность показателейпреломления воздуха и углекислого газа при атмосферном давлении.
Порезультатам измерений рассчитываются показатели преломления воздуха и углекислого газа при нормальных условиях.Отъюстируйте интерферометр Жамена так, чтобы в поле зрения наблюдались интерференционные полосы.Проверьте влияние установочных винтов пластинок P1 и P2 на ширинуи сдвиг интерференционных полос. Установите ширину полос порядка1/10 поля зрения.Прокалибруйте компенсатор. Постройте калибровочную кривую ∆к == ∆k (z).Несколько раз продуйте вторую трубку кюветы (нижнюю на рис. 4)воздухом при помощи резиновой груши Г с тем, чтобы удалить из неёуглекислый газ.
Определите температуру T и атмосферное давление Pпо показаниям лабораторного термометра и барометра.Экспериментально исследуйте зависимость ∆n от ∆P для воздуха. Приизмерениях давление следует изменять в обе стороны от атмосферного в пределах рабочей области манометра (±1000 мм вод. ст.). Проведяизмерения несколько раз, постройте график зависимости ∆n от ∆P и,исходя из графика, вычислите среднюю поляризуемость α молекул воздуха, определите показатель преломления n в условиях опыта (формула(11)) и вычислите по формуле (14) значение показателя преломления nпри нормальных условиях. Сравните полученный результат с табличным значением.Измерьте показатель преломления углекислого газа, сравнивая его с воздухом.
Значение n для воздуха при условиях опыта берётся из предыдущих измерений. Измеренное на опыте значение nCO2 пересчитайте кнормальным условиям (формула (14)).Проведите опыт несколько раз и оцените ошибку измерений.11Контрольные вопросы1. Почему пластинки P1 и P2 интерферометра Жамена должны быть достаточнотолстыми (не менее 2–3 см)?2. Могут ли эти пластинки сильно отличаться по толщине?3.
Объясните, почему увеличивается число наблюдаемых интерференционныхполос, если на пути лучей из осветителя установлен светофильтр.4∗. Покажите, что ширина наблюдаемых интерференционных полос пропорциональна отношению λ/β.5. Выведите формулу (9).СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Ландсберг Г.С. Оптика. — М.: Наука, 1976. Гл. IV, гл. VI, § 25; гл.VII, § 28.2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. — Т. IV. Оптика. — М.: Наука, 1980.
Гл. III.3∗. Захарьевский А.Н. Интерферометры. — М.: Оборонгиз, 1952. § 10.12.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
