5.8 (810519), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Установка, представленная на рис. 5, позволяет заполнять первую камеру кюветы воздухом при различных давлениях, авторую — углекислым газом или воздухом при атмосферном давлении.Давление воздуха в первой камере изменяется при помощи сильфона C и измеряется манометром M. Краны K1 и K2 соединяют камеру иманометр с атмосферой.8K11K02СgK2ГCO2БgМ123Рис. 5. Газовая системаЕсли при атмосферном давлении (открытых кранах К1 и К2 ) установить шток сильфона приблизительно в среднее положение, то при закрытом кране К1 можно, вращая шток, создать в первой камере какповышенное, так и пониженное давление. Манометр измеряет отклонение давления в камере от атмосферного в миллиметрах водяного столба.Для заполнения второй камеры воздухом или углекислым газом приатмосферном давлении служит трёхходовой кран K0 .
В каждом из трёхрабочих положений этого крана сообщаются два патрубка, соседних сручкой крана.В положении 1 кран K0 соединяет баллон с углекислым газом и балластный резервуар Б небольшого объёма (' 200 см3 ). При переводе крана в положение 2 газ, заполнивший балластный резервуар, перетекаетво вторую камеру кюветы.
После трёх–четырёх таких переключений углекислый газ практически полностью вытесняет воздух из камеры иостаётся там достаточно долго, несмотря на то, что камера сообщаетсяс атмосферным воздухом через второй открытый конец. В положении 3вторая камера соединяется с грушей Г, с помощью которой можно промыть кювету воздухом.Зависимость показателя преломления газа от давления и температуры. Молекулярная оптика устанавливает простое соотношениемежду показателем преломления газа и его плотностью:√√(10)n = ε = 1 + 4πN α ≈ 1 + 2πN α,где N — число молекул в единице объёма, α — поляризуемость молекулы — коэффициент пропорциональности между дипольным моментом p~~ (~~ ε — димолекулы и напряжённостью электрического поля Ep = αE),электрическая проницаемость.
Принимая во внимание соотношение P == N kT , где P — давление в газе, k — постоянная Больцмана, получимn − 1 = 2πα9P.kT(11)Отсюда следует, что при постоянной температуре изменение показателяпреломления ∆n пропорционально изменению давления ∆P :2πα∆n =∆P.kT(12)Одновременное измерение ∆n с помощью интерферометра, ∆P с помощью манометра и температуры T позволяет определить поляризуемость молекул воздуха и, следовательно, рассчитать по формуле (11)показатель преломления воздуха при любых значениях P и T . Следуетотметить, что воздух — это смесь нескольких газов, поэтому под поляризуемостью молекул воздуха следует понимать некую среднюю величину,определяемую соотношениемα=1 Xα i Ni ,N i(13)где 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):n0 − 1T P0=.n−1T0 P(14)ЗАДАНИЕВ работе предлагается исследовать изменение показателя преломления воздуха при изменении давления и определить разность показателейпреломления воздуха и углекислоты при атмосферном давлении.
По результатам измерений рассчитываются показатели преломления воздухаи углекислого газа при нормальных условиях.I. Подготовка к работе1. Включите осветитель интерферометра в сеть и убедитесь, что в поле зрения окуляра видны две системы интерференционных полос. Если картина недостаточно яркая — обратитесь за помощью к лаборанту.2. Ознакомьтесь с устройством газовой системы (см.
описание экспериментальной установки). Уравняйте давление в обеих камерах кюветы: первую соедините с атмосферой, открыв краны К1 и К2 , а вторую (с открытым концом) продуйте с помощью груши Г, чтобы удалить из неёостатки углекислого газа (кран К0 в положении 3).10II. Калибровка компенсатора3. Уравняв давление в камерах, подождите 2–3 минуты, пока выровняютсятемпературы. Установите начало отсчёта, совместив с помощью компенсатора обе системы полос. Установка нуля в белом свете — совмещениецентральных полос — облегчается тем, что боковые полосы окрашены.Совместите (приблизительно) боковые полосы с симметричной окраской, а затем (как можно точнее) — центральные.
Один оборот винта(100 делений) соответствует одному делению вертикальной шкалы компенсатора. Для удобства отсчёта используется лупа.Повторите опыт несколько раз, вращая винт в одну сторону, чтобыисключить люфт.4. Прокалибруйте компенсатор в единицах λ, выделив узкий интервалдлин волн с помощью светофильтра.
Для этого наденьте на оправу окуляра красный светофильтр и, последовательно совмещая первую, вторую и т. д. подвижные полосы с нулевой неподвижной, запишите соответствующие отсчёты по вертикальной шкале и барабану компенсатора.При смещении на одну полосу разность хода меняется на длину волны.При калибровке используйте все полосы, наблюдаемые в окуляре слева и справа от нулевой полосы (со светофильтром их больше двадцати).5. Запишите длину кюветы l, указанную на установке, а также длину волны λ и полосу пропускания светофильтра, указанные на его оправе.III.
Зависимость ∆n от P для воздуха6. Убедитесь, что давление воздуха в обеих камерах кюветы атмосферное(см. п. 2). Установите сильфон в среднее положение и отсоедините первую камеру от атмосферы, перекрыв кран K1 .7. Изменяя давление с помощью сильфона и совмещая нулевые полосы, снимите зависимость показаний компенсатора z от перепада давлений ∆P . Если давление «плывёт», фиксируйте величину ∆P сразупосле совмещения нулевых полос.Давление следует изменять в обе стороны от атмосферного в пределах рабочей области манометра (±1000 мм вод. ст.).IV. Сравнение показателей преломления воздуха и углекислого газапри атмосферном давлении8.
Соедините первую камеру кюветы с атмосферой, открыв кран K1 , иотключите манометр, закрыв кран K2 . Заполните углекислым газом камеру с открытым концом. Для этого 3–4 раза плавно, чтобы избежатьрезкого изменения температуры газа при расширении, переведите кранK0 из положения 1 в положение 2.119. Совместите нулевые полосы. Небольшое смещение подвижной картины(< 25 полос для камеры длиной 10 см) означает, что камера заполненасмесью углекислого газа с воздухом. Если повторная прокачка камерыне помогает, обратитесь за помощью к лаборанту.Снимите зависимость равновесного положения компенсатора от времени, раз в минуту совмещая нулевые полосы, и оцените время установления равновесия. Повторите измерения, стараясь заполнять кюветукак можно более плавно.10.
Определите температуру T и давление P по показаниям лабораторноготермометра и барометра.4∗. Будет ли наблюдаться четкая нулевая полоса, если исследуемое вещество обладает заметной дисперсией n = n(λ)? Сделайте соответствующие оценки.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.2.3.4.Ландсберг Г.С. Оптика. — М.: Наука, 1976. Гл. IX, §§ 44, 45.Бутиков Е.И. Оптика. — М.: Высшая школа, 1986. 5.6.Горелик Г.С. Колебания и волны.
— М.: Физматгиз, 1959. Гл. IX.Кингсеп А.С., Локшин Г.Р., Ольхов О.А. Основы Физики. — Т. I. Механика,электричество и магнетизм, колебания и волны, волновая оптика. — М.: Физматлит, 2001. Ч. 3, гл. 7, § 7.8.5∗. Захарьевский А.Н. Интерферометры. — М.: Оборонгиз, 1952. §§ 11, 12.V. Обработка результатов11. Постройте калибровочный график в координатах x = m (номер совмещённой полосы), y = z (отсчёт по компенсатору). Проверьте, сохраняется ли линейность графика вдали от нулевого положения компенсатора.12. Постройте график в координатах x = ∆P (от +1000 до −1000 мм H 2 O),y = ∆n.
Величину ∆n рассчитайте по формуле (8) с помощью калибровочного графика.По углу наклона рассчитайте среднюю поляризуемость молекулывоздуха, используя формулу (12), а затем — показатель преломлениявоздуха в условиях опыта по формуле (11).Пересчитайте показатель преломления по формуле (14) к нормальным условиям и сравните результат с табличным.13. Рассчитайте показатель преломления для углекислого газа в условияхопыта по формуле (9), взяв показатель преломления воздуха, рассчитанный по результатам эксперимента.Пересчитайте n(CO2 ) к нормальным условиям и сравните результатс табличным.14.
Оцените экспериментальные погрешности.15. Оцените интервал ∆n, доступный для измерений, исходя из возможностей компенсатора: минимальная величина ∆n, доступная для измерений, определяется точностью компенсатора, максимальная — диапазоном его работы.Контрольные вопросы1.
Объясните, почему при поочередном перекрывании щелей D наблюдаемая дифракционная картина не смещается.2. Поясните физический смысл условий (7).3. Почему ширина щели S коллиматора должна быть достаточно узкой? Оцените максимальный размер этой щели, если известны фокус коллиматора ирасстояние между щелями.1213.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
