Thí nghiệm môn Vật lý - Bài 9: Đo chiết suất chất lỏng bằng khúc xạ kế ab - Be

Thí nghiệm Vật Lý. Bài 9:Đo chiết suất chất lỏng bằng khúc xạ kế Ab-be. I. Mục đích. Xác định chiết suất của một số chất lỏng: nước cất, rượu, dầu, dung dịch đường .v.v.Khảo sát sự phụ thuộc của chiết suất vào nồng độ dung dịch của chất lỏng. II. Lý thuyết. Như chúng ta đã biết khi ánh sáng truyền từ môi trường chiết suất này sang môi trường chiết suất khác thì tại mặt phân cách của hai môi trường xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng. Sự khúc xạ ánh sáng tuân theo định luật khúc xạ. (1) Trong đó : i1 và i2 là góc tới và góc khúc xạ. Và n1 và n2 là chiết suất tuyệt đối của môi trường thứ nhất và môi trường thứ hai tương ứng. Nếu n1>n2 tức ánh sáng truyền từ môi trường chiết quang hơn sang môi trường chiết quang kém( ví dụ như ánh sáng truyền từ thuỷ tinh sang nước) thì theo (1) ta có: ith i1 (n1) (n2) I i2 Vậy sini1<sini2.Vì i1 và i2 nằm trong khoảng từ 0o đến 90 0 nên ta suy ra i1< i2 nghĩa là tia khúc xạ ra xa pháp tuyến hơn. Vì góc khúc xạ trong trường hợp này luôn luôn lớn hơn góc tới, nên nếu ta tăng dần góc tới i1 thì góc khúc xạ i2 cũng tăng dần. Khi góc tới i1 đạt tới một trị số giới hạn ith nào đó (ithith sẽ không có tia khúc xạ nữa, các tia tới sẽ bị phản xạ toàn phần. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Góc ith gọi là góc tới hạn. Khi i1=ith thì i2=p/2 do đó ta có: Sinith=n2/n1 (2). Biểu thức (2) cho thấy dựa vào hiện tượng phản xạ toàn phần ta có thể xác định được chiết suất của môi trường thứ hai nếu biết được chiết suất của môi trường thứ nhất và góc tới hạn ith. III. Hướng dẫn thực hành: Dụng cụ thí nghiệm : Khúc xạ kế Ab-be, một ống đong 0á100 cm3 và một số cốc thuỷ tinh đựng chất lỏng cần đo chiết suất. Khúc xạ kế Ab-be là một dụng cụ dùng để đo chiết suất của chất lỏng có độ chính xác khá cao (khoảng 10-3). Nguyên tắc hoạt động của nó dựa trên hiện tượng phản xạ toàn phần. Sơ đồ quang học của khúc xạ kế Ab-be được biểu diễn trên hình vẽ sau: Bộ phận chủ yếu của khúc xạ kế là một lăng kính kép, gồm 2 lăng kính tam giác vuông P,P' bằng thuỷ tinh có chiết suất n1 đã biết. Mặt huyền của hai lăng kính áp vào nhau và hai lăng kính làm thành 1 hình hộp chữ nhật. Giả sử giữa hai lăng kính có một lớp chất lỏng, chiết suất n2<n1 và ta rọi vào lăng kính P' một chùm sáng hội tụ góc mở khá lớn (như hình vẽ bên) Các tia sáng trong chùm hội tự ở điểm 0 trên mặt huyền của P' tới mặt đó dưới những góc khác nhau: tia I2O tới dưới đúng bằng góc giới hạn phản xạ toàn phần ith, tia I1O tới dưới góc lớn hơn ith vì tia I3O đưới góc nhỏ hơn. Vì chất lỏng có chiết suất nhỏ hơn thuỷ tinh nên chỉ những tia tới dưới góc nhỏ hơn ith mới qua được lớp chất lỏng sang lăng kính P và ló ra khỏi tia I2O và I3O (phần gạch chéo một lần trên hình vẽ). Còn những tia nằm trong chùm sáng giới hạn bởi hai tia I2O và I1O (phần gạch chéo hai lần trên hình vẽ) bị phản xạ toàn phần ở mặt tiếp xúc giữa P' và chất lỏng, và không sang được lăng kính P. Như vậy chỉ có một phần chùm sáng ló ra khỏi P. Nếu ta đón chùm sáng ló này bằng một kính ngắm, điều chỉnh vào mặt của P, thì sẽ trông thấy mặt đó có hai miền sáng tối, ngăn cách bằng một đường rõ nét, đó là vết của tia OI2 ứng với góc tới bằng ith. Do đó có thể đo ith và từ đó tính được n2 (vì đã biết n1). Để việc đo được nhanh chóng, đơn giản, người ta đặt cố định thị kính quan sát K, lăng kính P, P' được bọc bằng một vỏ kim loại A và toàn bộ vỏ kim loại A có thể quay quanh một trục nằm ngang đi qua điểm O nhờ núm xoay quay Q. Muốn kệp giọt chất lỏng phải đo, ta chỉ việc xoay P' quanh bản lề B, cho hai mặt huyền của hai lăng kính rời ra nhau, rồi nhỏ giọt chất lỏng lên mặt huyền của P', sau đó lại xoay P' lại, cho nó ép sát vào P. Khi đó giọt chất lỏng sẽ lan ra thành một lớp mỏng hai mặt song song. Nhờ gương lõm G đặt ở dưới, ta hắt chùm sáng song songđi từ nguồn sáng (mặt bóng đèn đặt hơi xa, hoặc ánh sáng mặt trời tán xạ từ ngoài vào phòng), cho nó hội tụ vào điểm O. Khi đó ta xoay núm Q, khi đó vỏ kim loại A bọc hai lăng kính P và P' cũng quay theo. Nhờ vậy ta có thể thay đổi góc tới của chùm tia hội tụ tại O và đưa được chùm sáng ló ra khỏi P vào trong thị kính K. Trong thị kính K có dây chữ thập và nhờ núm xoay Q ta đưa được đường ngăn cách giữa hai miền sáng tới vào đúng giao điểm của dây chữ thập trong kính, vị trí này ứng với góc tới hạn ith của chùm tia tới. Để đọc góc tới hạn người ta dùng thị kính T, gắn cố định và song song với thị kính K (không vẽ trên hình vẽvì nó khuất sau K). Trong thị kính T ta quan sát thấy có một vạch chuẩn nằm ngang hàng để đọc kết quả và một thước chia độ ứng với góc quay của hộp kim loại A. Thực tế thì thước này được chia độ trực tiếp theo chiết suất nên ta đọc ngay được trị số của chiết suất phải đo. 2. Các bước tiến hành. a. Đo chiết suất của chất lỏng: nước, dầu, rượi etylíc. - Điều chỉnh gương G để thị trường của thị kính K và T sáng rõ nhất. - Kẹp giọt chất lỏnh cần đo vào giữa hai lăng kính P và P'. - Xoay núm Q cho đến khi đường ranh giới sáng-tối vào đúng giao điểm của dây chữ thập trong thị kính K(điều chỉnh thị kính K để thấy đựơc đường ranh giới rõ nét nhất). ỉng với vị trí này ta sẽ đọc được trị số của chiết suất trong thị kính T). Tiến hành đo ít nhất 3 lần để lấy giá trị trung bình và sai số. Kết qủa đo ghi vào bảng sau: Chiết suất Chất lỏng Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 n= `n±Dn Nước Dầu Rượu Êtylic b. Khảo sát sự phụ thuộc của chiết suất vào nồng độ dung dịch chất lỏng(dung dịch đường Racarô). - Pha chế để có dung dịch đường Racarô với nồng độ lần lượt là: C1=0.05 g/cm3; C2=4/5*C1=0.04 g/cm3; C3=4/5*C2=0.032 g/cm3; C4=4/5*C3=0.025 g/cm3; C5=4/5*C4=0.021 g/cm3; c6=4/5*C5=0.016 g/cm3 Cách pha chế giông như bài 6. - Tiến hành đo chiết suất n của các dung dịch đường có nồng độ C1, C2, C3, C4, C5,C6Được pha chế ở trên (cách đo tương tự ở phần a). - Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của chiết suất n vào nồng độ C của dung dịch. Nhận xét đồ thị thu được kết quả đo ghi theo bảng sau: Chiết suất Chất lỏng Lần đo 1 Lần đo 2 Lần đo 3 n= `n ±Dn C1 C2 C3 C4 C5 C6 IV. Trả lời câu hỏi sau: 1. Câu hỏi lý thuyết: 1.1. Thế nào là hiện tượng phản xạ toàn phần?. Điều kiện để xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần? 1.2: Nêu rõ vai trò, tác dụng của các bộ phận cơ bản của khúc xạ kế Ab-be. 1.3. Nêu nguyên tắc xác định chiết suất chất lỏng bằng khúc xạ kế như trên. 2. Câu hỏi thực hành: 2.1. Nêu các bước tiến hành đo chiết suất .Để đo được kết quả chính xác cần chú ý những điểm gì? 2.2. Cho biết nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sai số trong phép đo trên và cách khắc phục.