Лабораторная работа 11 класс 'Оценка значения скорости света'

Работа № 15

ОЦЕНКА ЗНАЧЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕТА

В ВЕЩЕСТВЕ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: ознакомление со способом оценки значения скорости света в веществе, основанным на использовании явления преломления света.

ОБОРУДОВАНИЕ: цилиндр мерный, стакан с водой, линейка с миллиметровыми делениями, лист белой бумаги, карандаш.

ПОЯСНЕНИЯ К РАБОТЕ

Известно, что скорость распространения электромагнитной волны в вакууме составляет 300 000 км/с. При переходе волны из вакуума в любую среду скорость уменьшается. Величина, показывающая, во сколько раз скорость v₁ электромагнитной волны в одной среде отличается от скорости v₂ в другой, называется относительным показателем преломления: n. Скорость электромагнитной волны в воздухе практически та же, что и в вакууме. Поэтому если волна переходит из какой-то среды в воздух, то n=c/v, где с и v - скорости электромаг­нитной волны в вакууме и среде соответственно.

Определить скорость v можно, если известен относительный пока­затель преломления среды. Эту величину можно измерить экспериментально, воспользовавшись законом преломления света: n=sin a/sin , где a -- угол падения волны на границу раздела двух сред; - угол преломления. Если волна распространяется из оптически более плот­ной среды в оптически менее плотную (рис. а), то закон записыва­ется так:

n = sin /sin a. (1)

Измерив углы a и , вычисляют n, а затем, зная скорость электро­магнитной волны в вакууме с, определяют ее скорость в веществе: v=c/n (2)

А - реальное положение черты, В - мнимое изображение черты.

В работе определяют скорость электромагнитных волн, частоты которых соответствуют световому диапазону, т. e. определяют скорость света в веществе. В качестве вещества используют воду или другую прозрачную жидкость.

На листе белой бумаги проводят черту. На бумагу ставят мерный цилиндр так, чтобы черта оказалась рядом с наиболее удаленной от наблюдателя точкой дна цилиндра (рис. б). Затем цилиндр почти доверху заполняют водой. Наблюдатель смотрит на поверхность воды сверху вниз и, постепенно изменяя направление взгляда, находит по­ложение, при котором видимая сквозь воду черта на бумаге будет ка­заться проходящей возле ближней к нему точки верхнего края цилин­дра (рис. в). Добившись этого, напротив кажущегося положения черты, наблюдаемой сквозь воду, на листе бумаги делают отметку (точка В на рисунке в). После этого приступают к измерениям и вы­числениям.

Необходимо определить синусы углов падения а и преломления .

Напомним, что синус угла в прямоугольном треугольнике можно найти как отношение противолежащего катета к гипотенузе треуголь­ника (см. рис. в), т. e. sina=AO/AC. Выразим стороны АО и АС через отрезки, которые можно непосредственно измерить линей­кой. AO=AD-OD, но OD = CM по построению. Из подобия KBD и KCM CM/BD = KM/KD, откуда CM = (KM/KD)BD.

Гипотенузу АС находят по теореме Пифагора: AC== (CO = DM по построению).

Угол преломления и BCO равны как вертикальные. Значит, sin = sin BCO = BO/BC, BO=AB+AO. По теореме Пифагора BC = или BC = .

Итак

Sin a=AO/, (3)

Sin = BO / , (4)

BD=AB +AD, BO=AB +AO, AO =AD - (KM/KD)BD, (5)

где AD - внутренний диаметр цилиндра d; KM - расстояние от верх­него края цилиндра до поверхности воды; KD - высота цилиндра H; DM - высота уровня воды в цилиндре h; AB - расстояние от черты до метки.

ПОРЯДОК ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ

1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычис­лений.

Номер опыта

d,

мм

н,

мм

h,

мм

АВ,

мм

Sin а

Sin

п

V,

м/с

V_ср

М/С

2. Проведите карандашом посередине листа бумаги контрастную черту.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Поставьте на лист бумаги с чертой мерный цилиндр так, чтобы при
   вертикальном взгляде на черту сверху она проходила возле наиболее
   удаленной от наблюдателя части дна. Убедитесь в том, что дно цилин­дра касается бумаги.

2. Налейте в цилиндр воду. Ее уровень не должен доходить до верх­него края 10-15 мм.

3. Найдите такое направление взгляда на черту сквозь воду, при котором черту можно было видеть вблизи ближней к наблюдателю части
   верхнего края цилиндра.

4. Определив нужный угол взгляда напротив видимого сквозь воду
   изображения черты, сделайте на бумаге метку.

5. Измерьте внутренний диаметр d, высоту H цилиндра, высоту h
   уровня воды над столом и расстояние AB от черты до метки.

6. Поочередно используя формулы (5), (3), (4), (1) и (2), определите
   значение скорости электромагнитной волны в воде.

7. Повторите опыт 2-3 раза и вычислите среднее значение скорости.