Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Список материалов

Для демонстрации класса под руководством учителя:

Каждой группе необходимо:

Для Части 1 каждой группе необходимо:

• лазерная указка
• распечатка полярного графика; например, примеры графиков, которые можно найти на веб-сайте ClipArtETC Центра учебных технологий Флоридского университета Южной Флориды по адресу http: // и т. д.usf.edu/clipart/43000/43018/polar_24-4l_43018.htm
• (необязательно, но рекомендуется) пластиковый листовой протектор для защиты бумажного полярного графа от утечек
• прозрачная лента
• полукруглый полый акриловый блок, диаметр 12 см x высота 2,5 см, доступен (деталь # RCSC01) в Nova-Tech International по адресу http://www.novatech-usa.com/RCSC01
• ~ 50 мл воды
• ~ 50 мл глицерина (или растительного масла, такого как Wesson), например, сорта ACS, 4-литровая бутылка глицерина (номер по каталогу S25342D) от Fischer по адресу https: // www.fishersci.com/shop/products/glycerin-4l-acs-grade/s25342d; глицерин является предпочтительным, потому что он того же цвета, что и вода, поэтому студенты сначала не поймут, что две жидкости разные, и он растворим в воде, что облегчает очистку

Рис. 2. Пример настройки. В контейнерах для проб W2 и G2 используются 6-дюймовые стеклянные пробирки из пирекса. Авторское право

Copyright © 2013 Marjorie Hernandez, RET Program, College of Engineering, University of Houston

Для Части 2 каждой группе необходимо:

• лазерная указка
• Светодиодные лампы / полупроводники (совпадающие по цвету с используемым лазером), такие как светодиодные полупроводники от Sargent Welch в упаковке из пяти штук на https: // sargentwelch. ru / store / product / 8887114 / led-semiconductors
• 4 контейнера (предпочтительно кюветы, но можно использовать и небольшие пробирки)
• ~ 6 мл воды
• ~ 6 мл глицерина (или растительного масла, например Wesson)
• 2 стеклянные пробирки из пирекса (длиной ~ 6 см каждая), которые помещаются в контейнер для образца, как показано на Рисунке 2; например, «Стержень, стекло, Pyrex, 3 мм OD (внешний диаметр)», каталог № 239430, страница 193 в Каталоге исследовательских магазинов Хьюстонского университета за 2013 год, по цене ~ 1 доллар за штуку (~ 1,5 метра) на сайте http: // researchstores.nsm.uh.edu/catalog, бренд Pyrex необходим для получения желаемых результатов
Стойка или держатель для контейнеров
• для надежного удержания пробирок с четырьмя пробами, например, показанная на Рисунке 2, изготовленная из картона, прозрачной ленты и двух упаковочных пенопластов
• мультиметр
Электронный макет
• и электрический провод (необязательно, но рекомендуется для обеспечения стабильности детектора), например, пять беспаечных миниатюрных макетов со 170 связующими точками, которые можно купить по адресу http: // www. ebay.com/itm/5x-Transparent-Mini-Solderless-Prototype-Breadboard-170-Tie-points-for-Arduino-/231242048856?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item35d719a558 или www.amazon.com.

Для всего класса:

Рабочие листы и приложения

Больше подобной программы

Студенты узнают об основных свойствах света и о том, как свет взаимодействует с объектами. Они знакомятся с аддитивной и субтрактивной цветовой системой, а также с явлениями преломления. Студенты дополнительно исследуют различия между аддитивной и субтрактивной цветовой системами с помощью прогнозов, об. ..

Студенты изучают естественные науки и математику, объясняющие поведение света, которое инженеры использовали для создания солнцезащитных очков. Они исследуют тонированные и поляризованные линзы, узнают о поляризации света, пропускании, отражении, интенсивности, затухании и о том, как различные среды уменьшают интенсивность…

Предварительные знания

Студенты должны знать:

• Основные свойства света, такие как отражение, преломление, поглощение, пропускание и рассеяние.
• Как построить точки данных и определить наклон графика.
• Базовая тригонометрия (то есть использование синуса) для расчета показателя преломления по закону Снеллиуса.

Введение / Мотивация

(Заранее подготовьтесь к проведению демонстрации класса, используя инструкции по демонстрации исчезающего стекла в качестве руководства, чтобы установка выглядела, как на Рисунке 1, со стержнем для перемешивания, погруженным в стакан с водой [слева], и стержнем для перемешивания, погруженным в глицерин. [справа] Напишите контрольный вопрос на классной доске.Затем начните с задания студентам вопросов для обсуждения перед оценкой, как описано в разделе «Оценка». Затем разделите класс на группы по четыре человека и раздайте каждой группе плакат или небольшую белую доску, чтобы записать свои ответы.)

В чем разница между прозрачными и невидимыми материалами? (Послушайте ответы учащихся.) Прозрачный материал позволяет свету проходить через него, так что объекты позади него можно видеть непосредственно, но сам материал все еще виден невооруженным глазом. С другой стороны, невидимый материал также пропускает свет, но он не виден нашим глазам.

Сегодня это наш контрольный вопрос : Как сделать половину этого стержня для перемешивания невидимой, не сломав его?

(Предложите учащимся провести мозговой штурм и записать свои окончательные ответы. Попросите каждую группу поделиться своим ответом и объяснить, почему. Обобщите ответы на классной доске.)

Позвольте мне показать вам один способ заставить исчезнуть половину стержня для перемешивания.(Продемонстрируйте, как заставить исчезнуть половину стержня для перемешивания, используя два стакана, один с водой, а другой с жидким глицерином.) Что вы наблюдаете? (Студенты видят примеры прозрачных и невидимых материалов, замечают, что часть стержня, погруженная в глицерин, кажется невидимой!)

(Ожидайте, что некоторые студенты будут очарованы. Другие, возможно, видели демонстрацию, но не знают, что за ней стоит. Другие могут не поверить в это и изучить демонстрацию более внимательно. Пусть студенты подумают о ней и исследуют ее в течение нескольких минут.Затем объясните это.) Если два материала имеют точно такой же показатель преломления (n), вы не сможете увидеть разницу между материалами. Вода имеет n = 1,33, а у глицерина n = 1,47. Стержень мешалки из пирекса имеет n = 1,47.

Свет очень важен в нашей жизни. Он распространяется волнами и обладает несколькими уникальными свойствами: отражением, преломлением, поглощением, пропусканием и рассеянием. Благодаря свету мы можем видеть все вокруг. Однако задумывались ли вы когда-нибудь о том, что уникальные свойства света могут позволить нам заставить что-то исчезнуть? Прежде чем мы приступим к созданию чего-то «невидимого», нам важно освежить в памяти то, что мы подразумеваем под преломлением света.

(Вы можете ввести или повторить концепцию преломления.) Преломление — это искривление света при его переходе от одной среды к другой. Это происходит из-за того, что свет меняет скорость, когда попадает в другую среду. Поскольку свет используется во многих исследованиях в области науки и техники, важно знать, сколько света преломляется (или насколько изменяется его скорость) в данной среде. Показатель преломления — это одно из оптических свойств света, которое можно использовать для изучения отклонения света.

Процедура

Фон

Преломление — это искривление света, когда он попадает в другую среду, в которой изменяется скорость света. Показатель преломления ( n ) является фундаментальным оптическим свойством материалов. Знание точной стоимости материала n важно для многих научных и инженерных приложений, а также в нашей повседневной жизни. В оптике показатель преломления ( n ) — это безразмерное число, которое описывает, как свет распространяется через различные среды.Его можно определить с помощью следующего уравнения:

, где c — скорость света в вакууме (3,0 x 10 ⁸ м / с), а v — скорость света в определенной среде. Другими словами, n — это просто способ узнать скорость света в среде относительно его скорости в вакууме. Основываясь на современных знаниях, мы не знаем ничего быстрее скорости света в вакууме.

Когда свет перемещается из одной среды в другую (например, из воздуха в воду), он изгибается, и это явление мы называем рефракцией.Свет преломляется из-за того, что его скорость изменяется в зависимости от среды, в которой он движется. Представьте, что вы находитесь в бассейне и видите, как человек тонет и кричит о помощи. Предположим, вы единственный, кто может спасти этого человека. Вы находитесь в позиции A, а тонущий человек — в позиции B (см. Рисунок 3). Какой самый быстрый путь к утопающему? Рисунок 3: Аналогия закона Снеллиуса. Пять разных путей для человека (точка A), чтобы добраться до тонущего человека и спасти его (точка B).авторское право

Copyright © 2013 Марджори Эрнандес, Программа RET, Инженерный колледж, Университет Хьюстона

(Дайте студентам возможность подумать над своими ответами, а затем поделиться своими мыслями).

Хотя путь 3 — самое короткое расстояние, путь 4 — самый быстрый. Вы можете бегать по земле быстрее, чем бегать или плавать в воде. Посмотрите внимательно на схему. У вас больше времени на полу на пути 4, чем на пути 3. Свет ведет себя так же; он следует по самому быстрому маршруту из одного места в другое.Это поведение определяется уравнением, называемым законом Снеллиуса:

, где n ₁ = показатель преломления первой среды, n ₂ = показатель преломления второй среды, θ ₁ = угол падения и θ ₂ = угол преломление. Уравнение показывает взаимосвязь угла падения и угла преломления света в двух разных средах, как показано на рисунке 4. Рисунок 4. Иллюстрация закона Снеллиуса показывает, как ведет себя свет при прохождении через две разные среды.Обратите внимание на угол падения (θ1) и угол преломления (θ2) света в двух различных средах. Авторское право

Copyright © 2013 Марджори Эрнандес, Программа RET, Инженерный колледж, Университет Хьюстона

В части 1 сегодняшнего упражнения мы собираемся использовать закон Снеллиуса для определения показателя преломления неизвестной жидкости. Полукруглый полый блок — это контейнер с вашей неизвестной жидкостью, и вы собираетесь изменять угол падения лазерного луча с шагом 5 ^o .Наша первая среда — это жидкость, а вторая среда — это воздух. Мы измерим и запишем угол преломления в воздухе. Затем мы будем использовать следующее соотношение для определения показателя преломления жидкости ( n ₁ ).

Закон Снеллиуса:

n ₁ sinθ ₁ = n ₂ sinθ ₂

Если вторая среда — воздух, можно считать, что n ₂ = 1:

n ₁ sinθ ₁ = sinθ ₂

Отзыв:

y = mx + b

Лет:

x = sin θ ₁

y = sin θ ₂

б = 0

Тогда:

n ₁ sinθ ₁ = sinθ ₂ становится y = n ₁ x

и

После того, как вы нанесете на график свои данные и определите наклон, вы можете предсказать идентичность неизвестного образца, обратившись к списку известных показателей преломления материалов (Таблица 1).

В качестве дополнительной информации вы можете наблюдать полное внутреннее отражение (TIR) ​​света в жидкости (как показано на рисунке 5). Это явление происходит, когда свет распространяется в более плотной среде и приближается к менее плотной. Кроме того, угол падения должен быть больше, чем так называемый критический угол. Когда происходит TIR, вы не увидите никакого преломления, и вместо этого свет будет отражаться обратно. Полное внутреннее отражение используется в волоконной оптике, а также при огранке алмазов.Для получения дополнительной информации о МДП см. Веб-сайт и видео, перечисленные в разделе «Дополнительная поддержка мультимедиа». Рисунок 5. Схема действия, при которой наблюдается полное внутреннее отражение света в водной среде. Авторское право

Copyright © 2013 Marjorie Hernandez, RET Program, College инженерии, Хьюстонский университет

Часть 2 упражнения включает согласование показателя преломления материала (трубки из стекла пирекс) с двумя разными жидкостями (водой и глицерином). Согласование показателя преломления используется научными и инженерными исследователями, например, при анализе коллоидной системы с использованием изображений.Изучение поведения коллоидных частиц сыграло важную роль в разработке эффективных и экологически безопасных решений многих энергетических и экологических проблем, таких как повышение нефтеотдачи, обеспечение потока, управление водными ресурсами и чистые и эффективные двигатели. Наблюдать за этими системами в микро- или наномасштабе с помощью микроскопов непросто, поскольку они обычно рассеивают свет во всех направлениях, потому что частицы расположены так близко друг к другу. Слишком сильное рассеяние делает микроскопические изображения размытыми и нечеткими.(Один из способов минимизировать это — уменьшить концентрацию частиц в среде. Однако снижение концентрации может уменьшить сигнал, регистрируемый для наблюдения за частицами.) Если частицы и растворитель имеют одинаковый показатель преломления, рассеяние света не проблема. Таким образом, согласование показателя преломления — важный инструмент, позволяющий исследователям лучше наблюдать за тем, что происходит в эксперименте.

Соответствие показателя преломления проверяется путем определения процента пропускания света.Показатель преломления стеклянной трубки согласован с показателем преломления двух разных жидкостей. Вспомните, что вы наблюдали в демонстрации «исчезающего стекла». Стержень для перемешивания, погруженный в глицерин, оказался невидимым! Теоретически, если два материала имеют точно такой же показатель преломления, свет проходит без какого-либо (или минимального) рассеяния или преломления. Свет движется прямо, потому что он не может обнаружить никакой разницы в двух материалах, поэтому скорость движущегося света не изменяется (изгибается).В связи с этим, чем выше процент пропускания света в образце со стеклянной трубкой в ​​жидкости, мы можем предположить, что стеклянная трубка имеет такие же или близкие к n этой жидкости. В этом упражнении мы будем использовать недорогой и простой в сборке самодельный детектор для измерения силы света (в милливаттах).

Перед мероприятием

• Разместите в комнате рабочие станции с подготовленными образцами для каждой команды. Пример установки показан на рисунке 2, а пример станции — на рисунке 8.На каждой станции вы можете выполнить шаги 1 и 2 Части 1 до прибытия студентов для проведения задания.
• Для обеспечения точного сбора данных для Части 1 используйте прозрачную ленту, чтобы закрепить полукруглый полый блок в центре полярного графика. Это сводит к минимуму перемещение блока. См. Рисунки 5 и 7.
• Для Части 2 настройте детектор светодиодного мультиметра, как показано на Рисунке 6.
• Если доступен люксметр, обратитесь к лабораторной таблице показателя преломления (часть 2, вопрос анализа № 2) для получения информации о настройке.Эта дополнительная установка заменяет детектор светодиодного мультиметра на люксметр. Процент пропускания может быть другим, поскольку вы определяете интенсивность света в разных единицах, но тенденция будет аналогичной.

Со студентами — Часть 1: Показатель преломления с использованием полой ячейки

Рис. 7. Схема действий для определения показателя преломления жидкости. Авторское право

Copyright © 2013 Marjorie Hernandez, RET Program, College of Engineering, University of Houston

1. Назначьте каждой группе «неизвестную» жидкость.(Поскольку учащиеся не знают, что доступны только образцы воды и глицерина, дайте половину воды класса, а другую половину — глицерина.)
2. Поместите полый полукруглый акриловый блок, заполненный жидкостью, назначенной группе, в центр полярного графика, как показано на рисунке 4. Если полярный график не защищен пластиковым листом, будьте осторожны, чтобы не намочить бумагу!
3. Используйте прозрачную ленту, чтобы прикрепить блок к графику. (Шаги 1 и 2, возможно, уже были выполнены учителем.)
4. Убедитесь, что лазерная указка работает, и положите ее на стол так, чтобы лазерный луч проходил через полярную миллиметровку, лежащую на поверхности стола.
5. Начиная с угла падения 0 ^o от нормали (линия, перпендикулярная плоскому краю блока), поверните миллиметровую бумагу с шагом 5 ^o , пока преломленный луч полностью не исчезнет. (См. Схему на рисунках 5 и 7.)
6. Продолжайте изменять угол падения, вращая миллиметровую бумагу с блоком, следя за тем, чтобы свет всегда проходил через центральную точку полярного графика.
7. Каждый раз записывайте угол падения ( θ ₁ ) и угол преломления ( θ ₂ ).
8. Обратите внимание на угол, при котором преломленный луч полностью исчезает. Это называется полным внутренним отражением. Примечание учителя: критический угол (начало полного внутреннего отражения) света, проходящего через воду и воздух, составляет 48,8 °, а для глицерина — 42,9 °.
9. Постройте данные в терминах sin θ ₂ vs.грех θ ₁ . Определите наклон, который представляет собой средний показатель преломления. (Примечание: вспомните закон Снеллиуса; n _воздух = 1,00).
10. Используйте свой результат, чтобы определить жидкость. В Таблице 1 указаны известные показатели преломления некоторых жидкостей; может быть полезно написать эту информацию на классной доске. Таблица 1. Справочная таблица показателей преломления различных жидкостей. Авторское право

    Copyright © 2013 Marjorie Hernandez, RET Program, College of Engineering, University of Houston

Со студентами — Часть 2.Согласование показателя преломления с использованием измерения процентного пропускания света

Рис. 8. Установка для согласования показателя преломления для определения показателя преломления стеклянной трубки с использованием процентного пропускания света с помощью самодельного светодиодного мультиметра-детектора. Авторское право

Copyright © 2013 Marjorie Hernandez, RET Program, College of Engineering, University of Houston

1. Ваша цель — приблизительно рассчитать показатель преломления стеклянной трубки на основе процента пропускания света, используя светодиодный светильник и мультиметр в качестве детектора .
2. Предоставьте каждой группе по четыре помеченных контейнера, каждый с разными образцами внутри, как указано в таблице 2. Таблица 2. Образцы этикеток контейнеров и соответствующие образцы содержимого. Copyright

   Copyright © 2013 Marjorie Hernandez, RET Program, College of Engineering, University of Хьюстон

3. Включите лазер и мультиметр. Убедитесь, что лазерный луч проходит через светодиодный светильник. Свет от лазера преобразуется в электрический сигнал, который считывает мультиметр.Отрегулируйте положение лазера и высоту света до тех пор, пока не сможете определить максимальный сигнал в вольтах (В). Интенсивность света прямо пропорциональна напряжению, которое вы читаете. Максимальная мощность светодиодной лампы составляет ~ 1,0 В. После этого шага НЕ ПЕРЕМЕЩАЙТЕ лазер или детектор во время сбора данных. Несоосность может дать разные результаты.
4. Поместите контейнер для образца W1 между лазером и детектором. Убедитесь, что свет проходит через центр контейнера для образца и светодиодный индикатор.
5. Определите интенсивность света (в вольтах) после прохождения лазером образца. Запишите свои данные.
6. Повторите шаги 3-5 для образцов W2, G1 и G2, записав данные.
7. Рассчитайте процент пропускания света, используя уравнение, представленное на рисунке 8.
8. Определите показатель преломления стеклянной трубки на основе известных данных. Для справки учителя ниже описаны два метода.

Метод 1: Согласование показателя преломления: На основе уравнения интенсивности света в процентах, I — это сила света, которую мультиметр считывает с жидкостью и стеклянной трубкой, а I _o — с чистой жидкость.Если стеклянная трубка имеет тот же показатель преломления, что и жидкость, в которую она погружена, свет проходит через нее без какого-либо преломления или рассеяния; таким образом, его процентная интенсивность света составляет почти 100%. Этот метод обычно называется «согласованием показателя преломления» и обычно используется в ситуациях, когда трудно измерить показатель преломления определенного вещества, например, коллоидной и бактериальной систем.

Метод 2: Другой способ определения показателя преломления — использование двух контейнеров для образцов, в каждом из которых разная жидкость.Измерьте силу света после того, как свет пройдет через емкость только с жидкостью. Затем погрузите стеклянную трубку из пирекса в воду, затем измерьте интенсивность света, проходящего через контейнер для образца (теперь со стеклянной трубкой и жидкостью). Следуйте тому же уравнению.

9. Завершите упражнение, попросив учащихся ответить на три лабораторных вопроса для размышлений. Затем соберите заполненные лабораторные листы. Если позволяет время, предложите студентам изучить и представить остальным классам примеры реальных приложений для определения показателя преломления, используемых в науке и технике, как описано в разделе «Расширения деятельности».

Словарь / Определения

поглощение: процесс, в котором свет (энергия) передается среде, в которой он проходит.

угол падения: угол, измеряемый между нормальным и падающим светом.

угол преломления: угол, измеряемый между нормальным и преломленным светом.

коллоидная система: система, в которой мелкие частицы диспергированы в непрерывной среде.Коллоидная система может быть твердой, жидкой или газовой.

детектор: устройство, которое восстанавливает или измеряет информацию.

нормальный: воображаемая линия, перпендикулярная поверхности.

отражение: отражение света, когда он попадает на границу между различными средами, через которую он не может пройти.

преломление: отклонение света при переходе от одной среды к другой.

показатель преломления: число (оптическое свойство), которое описывает, как свет распространяется через среду.

Рассеяние: Рассеяние лучей света, когда свет отражается от неровной поверхности.

передача: когда свет проходит через материал и не поглощается этим материалом.

Оценка

Оценка перед началом деятельности

Вопросы для обсуждения: Чтобы помочь учащимся вспомнить типичное поведение света, дайте парам учащихся некоторое время для обсуждения ответов на следующие вопросы.По прошествии отведенного времени попросите группы поделиться своими ответами с остальным классом. Ответы на следующие примеры вопросов приведены в разделе «Ответы на вопросы для предварительного обсуждения».

1. Что такое свет?
2. Свет проявляет следующее поведение при взаимодействии с определенной границей: отражение, преломление, поглощение, пропускание и рассеяние. Для каждого нарисуйте пример и используйте стрелки, чтобы показать, как ведет себя свет.
3. В чем разница между прозрачным и невидимым?

Встроенная оценка деятельности

Рабочие листы: В ходе упражнения попросите учащихся заполнить Рабочий лист лабораторного показателя преломления, чтобы продемонстрировать свое понимание материала, а также участие.

Оценка после деятельности

Вопросы для размышления: В конце задания попросите учащихся ответить на три итоговых вопроса лабораторных размышлений, а затем сдать свои заполненные лабораторные рабочие листы. Просмотрите их ответы, чтобы оценить, что они узнали во время упражнения.

Вопросы безопасности

• Чтобы лазерная указка не была направлена ​​в глаза людям, используйте малярную ленту, чтобы закрепить лазерную указку в установках до начала занятия.
• Чтобы предотвратить поломку и проливание, поместите спортивные очки и жидкости в надежную стойку или контейнер, такой как показанный на рис. 2, сделанный из картона, ленты и пены.

Советы по устранению неполадок

Для части 1 убедитесь, что 1) лазерный луч проходит через полярный график, чтобы учащиеся могли ясно видеть падающий и преломленный луч, 2) свет проходит через центральную точку графика и 3) блок находится в центр полярного графика.

Для части 2 убедитесь, что детектор светодиодного мультиметра стабилен во время сбора данных. Перемещение любой части детектора после шага 2 Части 2 может привести к ошибочным результатам. Электронная макетная плата помогает избежать перемещения любой части детектора во время работы.

Расширения деятельности

Знание показателя преломления материала позволяет нам предсказать угол, под которым свет изгибается при прохождении через материал, что важно во многих реальных приложениях, таких как получение изображений наноразмерных частиц путем минимизации рассеяния из-за рефракция, а также конструкция оптических приборов и оборудования, использующего свет.Назначьте студенческие команды для исследования реальных приложений согласования показателя преломления в науке и технике. Раздайте вопросы по применению индекса преломления в качестве руководства для их исследования. Дайте каждой группе пять минут, чтобы представить то, что они исследовали в классе, в форме PowerPoint и / или постерных презентаций. Примечание. При таком большом количестве приложений, требующих исследования, научите студенческие группы сосредоточиться на одном приложении в качестве темы, чтобы не перегружать себя слишком большим объемом информации.

Дополнительная поддержка мультимедиа

Для получения дополнительной информации о полном внутреннем отражении (TIR):

• Приложения полного внутреннего отражения http://regentsprep.org/Regents/physics/phys04/captotint/
• Волоконно-оптические кабели: как они работают (видео продолжительностью 5 минут 35 минут) https://www.youtube.com/watch?v=0MwMkBET_5I

Авторские права

Авторы

Программа поддержки

Благодарности

Разработано Инженерным колледжем Хьюстонского университета в рамках гранта № 1130006 Национального научного фонда RET. Однако это содержание не обязательно отражает политику NSF, и вы не должны рассчитывать на одобрение со стороны федерального правительства.

Последнее изменение: 23 января 2021 г.

Показатель преломления (Показатель преломления)

Показатель преломления (Показатель преломления) — это значение, рассчитываемое из отношения скорости света в вакууме к скорости света во второй среде большей плотности.Переменная показателя преломления чаще всего обозначается буквой n или n ‘ в описательном тексте и математических уравнениях.

Рисунок 1 — Преломление света

Как показано на рисунке выше, волновой фронт, падающий на плоскую поверхность, разделяющую две среды, преломляется при входе во вторую среду, если падающая волна наклонена к поверхности. Угол падения ( θ (1) ) связан с углом преломления ( θ (2) ) простым соотношением, известным как закон Снеллиуса :

Формула 1 — Закон Снеллиуса

n ₁ × sin (θ ₁ ) = n ₂ × sin (θ ₂ )

Где n представляет показатели преломления материала 1 и материала 2, а θ — углы света, проходящего через эти материалы по отношению к нормали. Из этого уравнения можно сделать несколько важных выводов. Когда n (1) больше n (2) , угол преломления всегда больше, чем угол падения. В качестве альтернативы, когда n (2) больше n (1) , угол преломления всегда меньше угла падения. Когда два показателя преломления равны ( n (1) = n (2) ), то свет проходит без преломления.

В оптической микроскопии показатель преломления является важной переменной при расчете числовой апертуры, которая является мерой светосилы и разрешающей способности объектива.В большинстве случаев средой формирования изображения для микроскопии является воздух, но в объективах с большим увеличением часто используется масло или аналогичная жидкость между передней линзой объектива и образцом для улучшения разрешения. Уравнение числовой апертуры дается формулой :

Формула 2 — Числовая апертура

NA (числовая апертура) = n × sin (θ)

, где n — показатель преломления среды формирования изображения, а θ — угловая апертура объектива. Из уравнения очевидно, что увеличение показателя преломления за счет замены визуализирующей среды из воздуха (показатель преломления = 1.000) на масло с низкой дисперсией (показатель преломления = 1,515) резко увеличивает числовую апертуру.

Интерактивное учебное пособие — Refraction of Light

Изучите, как показатель преломления изменяется в зависимости от дисперсии свойств различных материалов.

Закон Снеллиуса был первоначально определен соотношением между углами падения и соотношением скоростей света в двух средах.Показатель преломления или показатель преломления — это соотношение между скоростью света ( c ) в свободном пространстве (для всех практических целей, будь то воздух или вакуум) и его скоростью η в конкретной среде :

Формула 3 — Показатель преломления (или показатель преломления)

п = с / η

Чем больше показатель преломления материала, тем больше отклоняется (или преломляется) луч света при входе в материал или выходе из него. Показатель преломления среды зависит (в некоторой степени) от частоты проходящего света, причем самые высокие частоты имеют самые высокие значения n . Например, у обычного стекла показатель преломления фиолетового света примерно на один процент больше, чем у красного света. Следствием этого явления является то, что каждая длина волны испытывает немного разную степень преломления, когда гетерогенный световой луч, содержащий более одной частоты, входит в среду или выходит из нее.Этот эффект называется дисперсией и отвечает за хроматическую аберрацию в объективах микроскопа.

Химия онлайн @ UTSC

Что такое показатель преломления?

Показатель преломления — это отношение скорости света в среде к его скорости в вакууме. Это изменение скорости от одной среды к другой вызывает искривление световых лучей. Это потому, что как свет проходит через другую среду, отличную от вакуума, атомы этой среды постоянно поглощают и повторно излучают частицы света, замедляя скорость, с которой движется свет. Показатель преломления () можно рассчитать, используя приведенное ниже уравнение.

Однако важно также отметить, что свет меняет направление при переходе от одной среды к другой. Следовательно, еще один метод расчета показателя преломления среды — это применение закона Снеллиуса, что будет очень важно позже при обсуждении рефрактометров.

Показатель преломления любой другой среды определяется относительно показателя преломления вакуума, которой присвоено значение 1. Таким образом, показатель преломления воды 1,33 означает, что свет проходит 1,33 в разы быстрее в вакууме, чем в воде.

Рисунок 1 : преломление света. На этой диаграмме свет распространяется быстрее в среде A, чем в среде B.

Показатели преломления могут быть измерены для различных типов сред, включая прозрачные или цветные растворы, мутные суспензии, эмульсии, мелкие порошки и т. д.

Факторы, влияющие на показатель преломления:

На значение показателя преломления влияют два фактора:

1. Температура
   • Значения показателя преломления обычно определяются при стандартной температуре.
   • Более высокая температура означает, что жидкость становится менее плотной и менее вязкой, в результате чего свет распространяется быстрее в среде. Это приводит к меньшему значению показателя преломления из-за меньшего отношения.
   • Более низкая температура означает, что жидкость становится более плотной и имеет более высокую вязкость, из-за чего свет медленнее распространяется в среде. Это приводит к большему значению показателя преломления из-за большего отношения.
   Рефрактометры
   • обычно имеют средства регулирования температуры.
2. Длина волны света
   • Показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны линейно, потому что разные длины волн в разной степени интерферируют с атомами среды.
   • Важно использовать монохроматический свет, чтобы предотвратить рассеивание света на разные цвета.
   • Выбранная длина волны не должна поглощаться средой.
   • D-линия натрия при 598 нм — это наиболее часто используемая длина волны света для рефрактометра.

Примечание : Эти два фактора присутствуют в приведенном выше уравнении:
, где t = температура в ° C, а D = длина волны используемого света в нм.

Как измеряется показатель преломления?

Рефрактометр используется для измерения показателя преломления среды.Есть много разных типов рефрактометров, включая рефрактометр Аббе, который будет обсуждаться более подробно ниже. Рефрактометр работает на основе принцип, согласно которому свет изгибается, когда попадает в другую среду. Этот инструмент измеряет угол преломления света. лучи, проходящие через неизвестный образец. Это измерение в сочетании со знанием показателя преломления среда, непосредственно контактирующая с неизвестным образцом, используются для определения показателя преломления неизвестного образца применяя закон Снеллиуса, описанный выше.

Следующая диаграмма поперечного сечения иллюстрирует внутреннюю работу рефрактометра. Источник света светит на освещающая призма и световые лучи попадают в образец, двигаясь в разных направлениях. Самый большой угол падения световой луч (θi) создает максимально возможный угол преломления (θB). Другие световые лучи, попадающие в Все преломляющие призмы имеют меньший угол преломления и лежат слева от точки C.Детектор на задней панели преломляющая призма создает светлые и темные области. В рефрактометре Аббе нет детектора и нет Оптика побольше но общая схема осталась прежней. Образцы с разными показателями преломления дают разные углы преломления, которые вызовут смещение границы между светлой и темной областями. Пограничный положение затем используется для определения показателя преломления различных образцов.

Рис. 2 : Схема в разрезе части оптического пути рефрактометра Аббе. Толщина образца увеличена для ясности.

Лабораторные процедуры для определения показателя преломления

	Анатомия рефрактометра Abbe 3L Bausch and Lomb (вид слева и справа).
1.	Откройте узел призмы и удалите ткань линзы. Осмотрите призму на предмет чистоты. При необходимости промойте водой, метанолом или ацетоном. N.B. НЕ ВЫТИРАЙТЕ СУХИЕ ПРИЗМЫ ТКАНИ.
2.	Поместите жидкую пробу в углубление нижней призмы с помощью пипетки. и закройте призмы. Опыт покажет, сколько нужно образца. Слишком много образца грязно, в то время как слишком мало дает плохой контраст для чтения. N.B. ЗАПРЕЩАЕТСЯ ПРИКАСАТЬСЯ К ПРИЗМАМ НАЛИЧНИКАМ МЕТАЛЛА ИЛИ СТЕКЛА.
	Abbe 3L (Bausch and Lomb)		Рефрактометр Аббе АО
3.	Переместите рычаг облучателя вверх.		Переместите рычаг облучателя вверх.
4.	Поворачивайте ручку регулировки до тех пор, пока нижнее поле не станет темным, а верхнее — светлым.		Поворачивайте ручку регулировки до тех пор, пока нижнее поле не станет темным, а верхнее поле не загорится.
5.	Сфокусируйтесь на перекрестии, перемещая окуляр.		Установите переключатель режимов в положение nD. Сфокусируйтесь на перекрестии, перемещая окуляр.
6.	Поверните циферблат призм Amici до тех пор, пока не станет видна четкая разделительная линия. На одном конце линии может быть оттенок красного, а на другом — оттенок синего.		Поворачивайте колесо коррекции дисперсии до тех пор, пока не станет виден минимальный цвет. При необходимости настройте лампу на максимальный контраст.
7.	Поверните регуляторы, чтобы отрегулировать четкие разделительные линии так, чтобы они точно пересекались с перекрестием.		Поверните регуляторы, чтобы отрегулировать резкую линию так, чтобы она точно пересекалась с перекрестием.
8.	Нажмите контактный переключатель на левой стороне прибора. Чтение верхней шкалы, оценка до 4-го знака после запятой.		Нажмите кнопку READ и запишите показание.
9.	Снимите показания температуры с прилагаемого термометра.		Нажмите кнопку TEMP и запишите показание.
10.	Очистите призмы, протерев образец тканью для линз, а затем очистите метанолом, ацетоном или водой.		Очистите призмы, промокнув основную часть образца тканью для линз с последующей очисткой водой, метанолом или ацетоном.
11.	Если вы последний ученик, использующий прибор, убедитесь, что призмы чистые, и закройте их.Выключите прибор.

N.B. Температурная коррекция

1. Поскольку показатели преломления зависят от температуры, для каждого градуса Цельсия изменения температуры средняя поправка на температуру составила 0,00045 единиц для широкого диапазона соединений.
2. Пр. Если значение показателя преломления составляет 1,4370 при 18 ° C, оно будет исправлено до 1,4370-0,0009 = 1,4361 при 20 ° C.
3. Многие рефрактометры имеют термометр и средства циркуляции воды для поддержания определенной температуры.

Видео:

В этом видео показано, шаг за шагом, использование рефрактометра Abbe 3L (Bausch and Lomb).
http://www2.ups.edu/faculty/hanson/labtechniques/refractometry/operation.htm

Часто задаваемые вопросы по устранению неполадок:

Это хорошая веб-страница для решения наиболее распространенных проблем при настройке рефрактометра.
http://www2.ups.edu/faculty/hanson/labtechniques/refractometry/operation.htm

Зачем нужно определять показатели преломления?

Показатели преломления имеют множество целей и чаще всего используются для различения жидких образцов. Следовательно, эта физическая величина характеризует жидкости точно так же, как температуры плавления используются для характеризует твердые тела. Это измерение может служить средством идентификации вещества путем сравнения его показатель преломления до известных литературных значений. Кроме того, показатели преломления можно использовать как оценка чистоты соединения путем сравнения показателя преломления вещества с показателем преломления чистого соединения.

Кроме того, показатели преломления также используются для определения концентрации растворенного вещества в растворе путем сравнения показатель преломления раствора до стандартной кривой. Наконец, на показатели преломления влияет поляризуемость среды. Чем более поляризуемым является материал, тем выше показатель преломления вещества. Таким образом, знание показателя преломления вещества также необходимо для расчета дипольных моментов этого вещества. Молярные преломления R могут быть рассчитаны и являются характеристиками этого вещества и указывают на его структуру.

ФБР — Обзорная статья — Сравнение криминалистического стекла: исходная информация, используемая при интерпретации данных

Морин К.Боттрелл
Геолог / судебно-медицинский эксперт
Отдел сбора доказательств
Лаборатория ФБР
Квантико, Вирджиния

Введение | Передача и стойкость | Анализ | Интерпретация / Выводы | Выводы по отчетности | Выводы | Благодарности | Список литературы

Введение

Стекло можно найти в большинстве населенных пунктов. Он производится в самых разных формах и составах, что влияет на свойства этого материала. Он может выступать в качестве доказательства, когда он сломан при совершении преступления.Осколки битого стекла размером от крупных до крошечных осколков могут быть перенесены и сохранены близлежащими людьми или предметами. Простое присутствие осколков стекла на одежде предполагаемого грабителя в случае проникновения через разбитое окно может быть важным доказательством в случае обнаружения фрагментов. Значимость таких свидетельств будет увеличена, если будет установлено, что фрагменты невозможно отличить по всем измеренным свойствам от разбитого окна. С другой стороны, если извлеченные фрагменты отличаются по измеренным свойствам от стекла разбитого окна, то это окно может быть исключено как возможный источник стекла на одежде субъекта (Koons et al.2002).

Стекло технически определяется как «неорганический продукт плавления, который охладился до твердого состояния без кристаллизации» (ASTM C162-05). Стекло наиболее точно определяется его атомной структурой. В отличие от кристаллических твердых тел, которые имеют упорядоченное внутреннее расположение атомов, внутренняя структура стекла состоит из сети атомов, лишенных дальнодействующей симметрии. Это состояние обозначается как стекловидное или стекловидное состояние (Варшнея, 1994).

Подавляющее большинство сырья, используемого для производства стекла, имеет геологическое происхождение. Производители стекла в Северной Америке ежегодно используют более 20 миллионов тонн сырья (Carr 1994). В дополнение к геологически полученному сырью в партию добавляется переработанное битое стекло или стеклобой , который действует в качестве флюса, а некоторые производители используют синтетическую кальцинированную соду (Na ² CO ³ ) (Guttman 1996) . Все эти материалы содержат примеси, которые могут вызывать заметные изменения в конечном стеклянном изделии.

Сырье для производства стекла сначала смешивают вместе, чтобы сформировать партию, а затем плавят в печи для производства жидкого стекла. Наиболее современное промышленно производимое стекло производится в непрерывном процессе, при котором сырье непрерывно подается в один конец плавильной ванны, а жидкое стекло всасывается с другого конца. Типичный плавильный бак может вмещать до 2000 тонн жидкого стекла с пропускной способностью несколько сотен тонн в день. Состав стекла постепенно меняется по мере добавления сырья (Арбаб 2005).

Время, необходимое для полного вымывания определенного стекла из резервуара во время непрерывного производства, может составлять от нескольких дней до недель, а стекло, которое производится на переходном этапе, будет иметь промежуточный состав (Arbab 2005). Некоторые специальные стекла, такие как оптическое стекло, новое стекло или стекло, которое трудно плавить, производятся в горшочных печах или дневных резервуарах. Эти печи способны производить ограниченное количество стекла, от одной до пяти тонн стекла в день (Tooley 1974).

После того, как стекло сформировано, его охлаждают контролируемым образом в пределах диапазона стеклования в печи для отжига или лере, чтобы избежать растрескивания при более низких температурах. После формования стекла могут использоваться различные методы изготовления, например закалка или ламинирование.

При закалке поверхность стекла подвергается сжатию путем либо охлаждения, пока стеклянный объект охлаждается через диапазон стеклования, либо посредством ионного обмена на поверхности стекла.Закаленное стекло обычно в четыре-пять раз более устойчиво к разрушению, чем незакаленное стекло (Варшнея, 1994). Термоупрочнение — это форма закалки, при которой стекло охлаждается в меньшей степени. Термоупрочненное стекло обычно примерно в два раза прочнее незакаленного стекла.

Многослойное стекло получают путем термосваривания тонких слоев пластика между двумя или более листами термоупрочненного стекла. В Соединенных Штатах многослойное стекло необходимо устанавливать на лобовые стекла транспортных средств, а закаленное стекло — на боковые и задние окна (U.S. Министерство транспорта, Свод федеральных правил [CFR], 49 CFR 571.205).

Хотя современное производство стекла — это высокоавтоматизированный процесс, позволяющий производить стекло с крупномасштабной однородностью, незначительные отклонения в свойствах получаемого стекла остаются. Каждое сырье, используемое для производства стекла, содержит примеси, которые не контролируются производителями и, следовательно, со временем меняются по количеству и составу. Смешивание сырья во время дозирования неполное, и партия рассыпается во время транспортировки и доставки в печь.Некоторое перемешивание происходит при прохождении расплавленного стекла через печь, но этого недостаточно для получения абсолютно однородного продукта. Огнеупорные материалы, покрывающие стекловаренную печь, постепенно разрушаются и превращаются в расплав стекла в течение всего срока службы печи. Эти факторы приводят к появлению изделий из стекла с небольшими, но измеримыми вариациями их химических, оптических и физических свойств как в рамках производственных циклов, так и между ними (Koons et al. 2002).

Передача и постоянство

Когда стеклянный объект разбивается, фрагменты могут выбрасываться из объекта во всех направлениях (Паундс и Смоллдон, 1978), в том числе назад, в направлении разрушающей силы (Нельсон и Ревелл, 1967). В ходе экспериментальных исследований фрагменты стекла были обнаружены на расстоянии до четырех метров от разбивающегося стеклянного объекта (Francis 1993; Locke and Unikowski 1991). Осколки стекла можно переносить на что угодно на этом расстоянии. Количество осколков стекла, которые могут быть перенесены, зависит от ряда факторов:

• Чем ближе объект к разбитому стеклу, тем больше вероятность того, что на него перенесены осколки стекла (Allen and Scranage 1998). Количество перенесенных фрагментов уменьшается по мере удаления от разрыва (Pounds and Smalldon 1978).

• Человек, разбивающий окно, будет иметь больше стекла на нем или на ней, чем на постороннем, и чем больше ударов потребуется, чтобы разбить стекло, тем больше стекла будет перенесено (Allen et al. 1998b).

• Количество осколков стекла, образовавшихся в результате разрушения, не зависит от размера и толщины окна, но увеличивается с большим повреждением стекла (Локк и Униковски, 1992).

Сохранится ли стекло, оставшееся на одежде, для извлечения судебным экспертом, зависит от дополнительных факторов:

• На гладкой одежде, такой как нейлоновые куртки, остается меньше стекла, чем на грубой одежде, такой как шерстяные свитера.Мокрая одежда сохраняет больше стекла, чем сухая (Allen et al. 1998b).

• Осколки стекла со временем падают с одежды, и более крупные куски отваливаются раньше, чем более мелкие (Cox et al. 1996a, 1996b, 1996c; Hicks et al. 1996; Hoefler et al. 1994).

• Стекло падает быстрее, если человек в одежде активен (Batten 1989; Cox et al. 1996c; Hicks et al. 1996).

Однако следует отметить, что перенос и стойкость стекла сильно различаются, и общее количество фрагментов, перенесенных в одном типе эксперимента, может варьироваться на порядок или более (Curran et al.2000).

Вышеупомянутые исследования в основном касаются первичного переноса — переноса от разбитого стеклянного объекта к чему-то другому. Первичный перенос также может происходить, когда человек или предмет соприкасаются с ранее разбитым стеклом (Allen et al. 1998a). Кроме того, может происходить вторичный перенос стекла между людьми и объектами, например, когда стекло переносится от человека на сиденье автомобиля (Allen et al. 1998c). Во время исследования стекла нельзя точно определить, были ли фрагменты стекла, обнаруженные на объекте, получены путем первичного переноса, вторичного переноса или путем контакта с ранее разбитым стеклом (Koons et al.2002).

Недавние исследования были проведены для определения фонового уровня стекла на одежде от случайно выбранных людей. В 1997 году Lau et al. исследовали 213 предметов одежды и сообщили, что 1% верхней одежды и 3% нижней одежды имели фрагменты на поверхности. Из предметов одежды со стеклом 5 имели только один фрагмент, а 1 предмет одежды имел два фрагмента. Петтерд и др. (1999) обнаружили по одному осколку стекла только на 6 из исследованных в 2008 году предметов верхней одежды. Roux et al. (2001) исследовали 776 пар обуви и обнаружили, что 5.У 9% стекло было встроено в подошву, у 1,9% стекло было на верху, и только у 0,3% было стекло и на подошве, и на верхе.

Эти и многие другие исследования (Davis and DeHann 1977; Harrison 1978; Harrison et al. 1985; Lambert et al. 1995; McQuillan and Edgar 1992; McQuillan and McCrossan 1987; Pearson et al. 1971; Зоро и Фередей 1982) демонстрируют, что маловероятно, что осколки стекла будут обнаружены у людей, которые не присутствовали при разбивании стеклянного предмета или которые не соприкасались с битым стеклом.Тем не менее, это все еще разумная возможность, поэтому определение характеристик стекла полезно.

Анализ

Судебно-медицинский анализ стекла обычно представляет собой сравнение двух или более осколков стекла в попытке определить, происходят ли они из разных источников. Реже это вопрос определения конечного использования или происхождения стекла. Например, может возникнуть вопрос о происхождении: это осколок битого стекла от лампочки? Этот анализ требует определения характеристик класса, которые могут связывать объекты с группой аналогичных объектов, таких как контейнеры, но никогда с одним объектом. Однако важно отметить, что, хотя может быть несколько объектов с одинаковыми свойствами, осколки стекла могут происходить только от сломанных, а не неповрежденных предметов. Только физическое соответствие двух или более осколков битого стекла позволяет их ассоциировать друг с другом, исключая все другие источники (Научная рабочая группа по анализу материалов [SWGMAT] 2005c).

Все доступные аналитические тесты не всегда проводятся на каждом образце. Это произошло по нескольким причинам.Целью сравнительного анализа стекла является исключение возможных источников. При обнаружении различий дальнейшее сравнение не требуется. Кроме того, отбор проб обычно не зависит от судебного эксперта и зависит от того, что хранится на подозреваемых, жертвах и на местах преступлений. Затем стекло необходимо восстановить.

Не всегда возможно оценить каждую потенциальную точку сравнения в каждом образце стекла, потому что не все фрагменты, переданные, извлеченные и отправленные на судебно-медицинский анализ, будут отражать все особенности. Если фрагмент не обладает какой-либо особенностью, нет необходимости оценивать эту особенность на образцах сравнения. Например, не все осколки стекла будут иметь оригинальную поверхность. Без оригинальных поверхностей невозможно определить толщину стекла. Поэтому было бы бессмысленно измерять толщину одного фрагмента стекла, если сравниваемый фрагмент не имеет исходной поверхности.

Наконец, осколок стекла может быть слишком маленьким, чтобы его можно было проанализировать с воспроизводимыми результатами, даже если объект сохранился.Следовательно, фактические испытания, проводимые на наборе образцов, зависят от размера и формы стеклянного фрагмента, а также от аналитических соображений.

Для типичного исследования, после определения того, что рассматриваемые образцы действительно являются стеклом, оцениваются их физические свойства. Затем измеряются оптические свойства образцов. В некоторых лабораториях плотность стекла измеряется либо в дополнение, либо вместо измерения оптических свойств. Химический состав стекла обычно измеряется в последнюю очередь.Если в какой-то момент между образцами для сравнения отмечается различие, нет необходимости продолжать анализ. Было показано, что два образца имеют разные источники.

Начальные экзамены

Поскольку существует множество материалов, которые на первый взгляд можно принять за стекло, сначала необходимо определить, действительно ли образец является стеклом. Многие дисциплины обращаются к этому вопросу, в первую очередь это области магматической петрологии и геммологии. Методы, обычно используемые петрологами и геммологами для идентификации стекла, включают наблюдение конхоидального разрушения, определение твердости, реакцию на горячую точку, микроскопию и спектроскопию (Геммологический институт Америки [GIA] 1996; GIA 1998; Hatch et al.1972; Hurlbut and Klein 1977; Kerr 1959; Williams et al. 1982). Хотя имитатор стекла может иметь некоторые из тех же характеристик, что и стекло, воспроизвести все характеристики стекла невозможно (GIA 1996, 1998). Судмедэксперты используют многие из этих методов в своих исследованиях (SWGMAT 2005e).

Физические свойства, используемые для сравнения, включают цвет стекла, флуоресценцию, толщину, характеристики поверхности и кривизну. Их можно оценить с помощью различных методов. Эти тесты бывают быстрыми и неразрушающими.

Цвет

Материалы могут быть добавлены в партию для производства стекла практически любого цвета (Tooley 1974). С другой стороны, примеси, присутствующие в сырье, используемом для производства стекла, могут непреднамеренно придавать цвет (Doyle 1994). Различия в цвете представляют собой изменение химического состава стекла и могут использоваться для различения образцов.

Оценка цвета стекла может быть затруднена. Как правило, невозможно надежно выполнить колориметрию осколков стекла в судебных делах, потому что фрагменты обычно слишком малы, а их цветовая плотность слишком мала.Оценка цвета проводится визуально на белом фоне при естественном освещении с частицей на краю. Параллельное сравнение следует использовать с частицами одинакового размера (Koons et al. 2002; SWGMAT 2005e).

Флуоресценция

Многие образцы стекла флуоресцируют при воздействии коротковолнового (~ 254 нм) и / или длинноволнового (~ 350 нм) ультрафиолетового света. Эта флуоресценция может использоваться в качестве основы для различения образцов стекла (Lloyd 1981). Флуоресценция по всему телу куска стекла может быть вызвана присутствием определенных элементов, таких как уран, в хромово-зеленом стекле (Tooley 1974).

Во время производства современного стекла, производимого с использованием флоат-процесса, жидкое стекло выливается в ванну с расплавленным оловом (Doyle 1994). Поверхность стекла, которая контактировала с оловянной ванной, будет флуоресцировать под воздействием коротковолнового ультрафиолетового света. Эта флуоресценция вызвана поглощением олова одной стороной стекла во время производства. Сообщалось, что некоторые покрытия, нанесенные на стекло, также будут флуоресцировать (Stoecklein 1996).

Как и при оценке цвета, визуальное сравнение флуоресценции следует проводить параллельно.Флуоресцентные исследования также могут быть выполнены с помощью флуоресцентной спектроскопии на образцах размером всего 0,05 мм ² (Lloyd 1981). Флуоресценция на стеклянной поверхности будет обнаружена только в том случае, если поверхность, которая будет флуоресцировать, будет сохранена, собрана и проанализирована.

Толщина

ASTM International (ASTM), ранее известное как Американское общество по испытанию материалов, Стандарт C1036-06 перечисляет допуски для стандартной толщины листового стекла.Допуски для плоского стекла в диапазонах толщины, обычно встречающихся в судебной экспертизе, составляют порядка ± 0,25 мм (ASTM C1036-06), но диапазон, наблюдаемый в корпусе для оконного стекла из плоского стекла, обычно намного ниже (Koons et al. 2002).

Толщина обычно строго контролируется производителем, порядка тысячных долей дюйма на одном листе. Колебания толщины могут вызвать неприглядную рябь на листе стекла, что снизит рыночную стоимость стекла. Толщина — это функция вязкости стекла.Вязкость можно изменить только путем изменения состава стекла или температуры печи (Тули, 1974; Варшнея, 1994). Изменение состава стекла может привести к другим, даже менее желательным, изменениям в конечном продукте, а повышение температуры печи обходится дорого из-за увеличения затрат на топливо (Greenman 2008; Tooley 1974).

Производители могут непрерывно измерять толщину ленты плоского стекла с помощью радиоизотопных толщиномеров (Doyle 1994). Толщину в судебно-медицинской лаборатории можно измерить с помощью микрометра или штангенциркуля, но требуется, чтобы фрагменты имели обе исходные поверхности.Поскольку толщина является количественной мерой, точность и точность микрометра необходимо учитывать при оценке результатов измерения толщины. Когда толщина плоского стекла заметно отличается от диапазона, указанного в известном стандарте стекла, можно определить, что эти стекла поступили из разных источников.

Элементы поверхности

Определенные характеристики поверхности передаются в процессе производства и изготовления стекла или во время использования.Эти функции могут включать следы формования и полировки, зеркальные подложки, царапины и декоративные элементы, такие как текстурирование, травление или матирование, а также покрытия. Большинство этих характеристик можно сравнить визуально с помощью стереомикроскопа, но покрытия обычно не видны невооруженным глазом и могут потребовать сложных инструментов для обнаружения и сравнения. Просвечивающая электронная микроскопия (Bravman and Sinclair 1984), рассеяние рентгеновских лучей (Misture 1999), атомно-силовая микроскопия (Arribart and Abriou 1999) и инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (DeRosa and Condrate 1999) — все они использовались для анализа стеклянных покрытий. .Эти функции также можно использовать для различения стеклянных предметов.

Кривизна

Плоский или изогнутый осколок стекла часто можно определить визуально с помощью маломощного увеличения. Для мелких частиц можно использовать интерферометрию (Локк, 1984). Кривизну стекла можно использовать как точку сравнения и как метод определения широкого типа продукта.

Оптические свойства

Показатель преломления (n) представляет собой безразмерную меру скорости света в прозрачной среде и определяется законом Снеллиуса как отношение скорости света в вакууме к скорости волны в прозрачной среде (Штойбер и Морзе 1981).Показатель преломления зависит от химического состава и расположения атомов (Stoiber and Morse, 1981). В стекле они контролируются составом партии (химическим составом) и историей охлаждения стекла (атомным расположением) (Варшнея, 1994). Закалка изменяет скорость охлаждения поверхности стекла относительно внутренней части и обеспечивает непрерывное изменение показателя преломления от поверхности к центру стекла (Варшнея, 1994).

Показатель преломления — это наиболее часто измеряемое свойство при судебно-медицинской экспертизе осколков стекла (Koons et al. 2002), потому что:

• Точные показатели преломления можно быстро измерить на небольших фрагментах, которые обычно встречаются в корпусах.

• Может помочь в определении характеристик стекла.

• Обеспечивает хороший дискриминационный потенциал. (Кунс и др., 2002)

Показатель преломления зависит от длины волны света и температуры (Bloss 1961). Дисперсия — это изменение показателя преломления при изменении длины волны освещения.Для стекла относительная дисперсия или дисперсионная способность используются для количественной оценки дисперсии (Koons et al. 2002). Относительная дисперсия (V) определяется как разница между показателем преломления при разных длинах волн света, обычно n _C (486 нм), n _D (589 нм) и n _F (656 нм), что математически выражается как

V = (n _D — 1) / (n _F — n _C ) (Bloss 1961).

Показатель преломления и дисперсию можно измерить многими методами.Прецизионный рефрактометр измеряет показатели только на поверхности стекла (Skoog and West 1980). Рефрактометр с V-образным блоком может измерять только средний показатель преломления через стеклянный блок. Хотя оба метода при правильном применении имеют точность до шести знаков после запятой, они требуют использования больших образцов полированного стекла. Образцы, достаточно большие для этих методов, редко встречаются в судебной экспертизе (Koons et al. 2002).

Методы погружения

В некоторых лабораториях для измерения показателя преломления используются иммерсионные методы.Эти методы используют тот факт, что при использовании монохроматического света частица, погруженная в жидкость с одинаковым показателем преломления, становится невидимой (Bloss 1961). Частица просматривается в микроскоп. Используемая классическая техника называется методом линий Беке (Bloss 1961; Kerr 1959; Nesse 1986; Stoiber and Morse 1981). Как указано в руководстве SWGMAT по определению показателя преломления стекла (2005d):

В методе линий Беке вокруг частицы наблюдается яркое гало (линия Бекке).Движение линии Бекке относительно частицы при изменении фокуса микроскопа указывает показатель преломления частицы относительно иммерсионного масла. Величина контраста между частицей и иммерсионной жидкостью указывает на величину разницы в показателе преломления. Затем фрагмент извлекается из жидкости, промывается и помещается в другую жидкость с показателем преломления, близким к точке совпадения. Этот процесс повторяется до тех пор, пока показатель преломления точки совпадения не будет достигнут или ограничен двумя маслами.При приближении к точке совпадения результаты могут быть нанесены на дисперсионные сетки Хартмана, что позволяет экстраполировать результаты между жидкостями. (SWGMAT 2005d)

Окрашивание дисперсией очень похоже на метод линии Беке. При окраске дисперсией упор размещается в задней фокальной плоскости объектива. Небольшие различия в показателе преломления между частицей и жидкостью видны в виде цветных ореолов. Цвет гало характерен для разницы в длине волны и точке совпадения показателя преломления.Как и в случае метода линии Беке, частицы можно извлекать, очищать и помещать в другую жидкость ближе к точке совпадения, пока точка совпадения не будет идентифицирована или заключена в скобки. При приближении к точке совпадения результаты могут быть нанесены на диаграмму дисперсионных сетей Хартмана, что позволяет экстраполировать результаты между жидкостями (McCrone et al. 1997).

Как метод линии Беке, так и метод дисперсионного окрашивания дают быстрые результаты с использованием оборудования, которое имеется в большинстве лабораторий: микроскопа и калиброванных жидкостей.Результаты этих методов могут быть сообщены с достоверностью только с точностью до ± 0,001 при наилучших условиях, но обычно они менее надежны при реальном использовании (SWGMAT 2005d). Изменчивость показателя преломления на ленте из плоского стекла шириной 12 футов составляет примерно от 0,0001 (Almirall, 1996) до 0,0002 (Underhill, 1980). Изменчивость от внутренней части до стеклянной поверхности составляет 0,003 (Davies et al. 1980). Ожидаемое отклонение в пределах одного источника поплавка находится в диапазоне ± 0,00004 для отожженного стекла и ± 0,0016 для закаленного стекла (Locke et al.1985). Следовательно, методы окрашивания методом линии Бекке и дисперсионным окрашиванием не могут измерить истинную изменчивость стекла и не могут различить стекла с похожими, но действительно разными показателями преломления. Из-за этого они обычно не используются в судебных сравнениях стекол, хотя они являются отличными методами скрининга, позволяющими быстро различать очки с очень разными показателями преломления.

Двойная вариация Эммонса

р.К. Эммонс впервые описал метод двойной вариации в 1928 г. (Emmons 1928). Он предложил использовать монохроматор и горячий столик для одновременного изменения температуры и длины волны. Этот метод был официально описан в Официальных методах анализа Ассоциации официальных химиков-аналитиков (AOAC) , «Метод 973. 65, характеризация и сопоставление фрагментов стекла: дисперсионная микроскопия (метод двойных вариаций)» (Association of Official Analytical Chemists 1990 ).В этом методе фазово-контрастный микроскоп преобразует разницу в индексе между частицей и иммерсионной жидкостью в разницу в яркостном контрасте. Этот контраст яркости усиливает линию Беке (Abramowitz 1987). Хотя метод AOAC описывает изменение температуры при сохранении постоянной длины волны для нескольких длин волн, на практике из-за проблем с тепловым запаздыванием на горячих ступенях большинство практиков поддерживают постоянную температуру, изменяя длину волны для нескольких температур.

Для метода двойных вариаций Эммонса осколки стекла помещают в предварительно откалиброванную подходящую иммерсионную жидкость на предметное стекло микроскопа и покрывают покровным стеклом. Предметное стекло помещается на горячий столик, установленный на фазово-контрастном микроскопе. Нагревательный столик устанавливается на температуру в пределах стабильного диапазона жидкости, а длина волны монохроматора регулируется до достижения точки согласования. Отмечаются точка совпадения и температура. Этот процесс повторяется как минимум для двух дополнительных температур.

Путем сравнения этих измеренных точек с данными предыдущей калибровки для жидкости, показатель преломления частиц на определенной длине волны — обычно n _C , n _D и n _F — можно рассчитать или определить графически. Результаты обычно сообщаются с точностью до 0,0001 (SWGMAT 2005d). Точность метода составляет приблизительно от 0,00004 до 0,00006 (Кассиста и Сандеркок, 1994).

Автоматизированный метод

Автоматический метод определения показателя преломления осколков стекла с использованием фазово-контрастного микроскопа, горячего столика и источника монохроматического света был опубликован ASTM [ASTM E1967-98 (2003)].В этом методе видеокамера фиксирует изображение края частицы, а компьютер вычисляет точку минимального контраста — точку совпадения — по краю частицы, автоматически изменяя температуру. Этот метод аналогичен методу AOAC в том, что длина волны фиксирована, а температура меняется.

Как и в случае метода двойных вариаций Эммонса, фрагменты стекла помещают в предварительно откалиброванную подходящую иммерсионную жидкость на предметном стекле микроскопа и покрывают покровным стеклом.Предметное стекло помещается на горячий столик, установленный на фазово-контрастном микроскопе. Температуру регулируют так, чтобы показатель преломления жидкости был выше, чем у стеклянного образца. Прибор понижает температуру препарата за счет подгонки стакана. Контраст между фрагментом и жидкостью отслеживается, и точка совпадения отмечается автоматически. Этот процесс повторяется, когда температура повышается до точки совпадения.