cart-icon Товаров: 0 Сумма: 0 руб.
г. Нижний Тагил
ул. Карла Маркса, 44
8 (902) 500-55-04

Измерение показателя преломления стекла лабораторная работа: Лабораторные работы №4 (11 класс)

Содержание

Лабораторная работа №3. «Измерение показателя преломления стекла»

 «Мало знать — надо уметь применять»

Рене Декарт

В предыдущей теме говорилось о явлении преломления света, а также вывели один из основных законов распространения света: закон преломления.

Преломление — это изменение направления распространения света, возникающее на границе раздела двух прозрачных сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами.

Закон преломления света гласит, что луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точке падения луча к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости. Отношение же синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, не зависящая от угла падения.

Как известно, любой постигнутый закон человек стремится использовать на практике.

Цель лабораторной работы: наблюдение преломления света на границе раздела сред воздух — стекло, а также измерение показателя преломления стекла.

Оборудование: источник электропитания, лампа, ключ, соединительные провода, экран со щелью, плоскопараллельная стеклянная пластина в форме трапеции, лист бумаги, линейка и карандаш.

Перед выполнением лабораторной работы необходимо произвести небольшую подготовку.

Так как будет определяться показатель преломления стекла относительно воздуха, то закон преломления света будет иметь вид:

где a — это угол падения пучка света на грань пластинки, b — угол преломления светового пучка в стеклянной пластине.

Для того, чтобы определить отношение синусов, поступают следующим образом. В самом начале, пластину необходимо разместить на листе бумаги и с помощью карандаша обвести ее малую и большую грани. Затем, не смещая пластины, на ее малую грань необходимо направить узкий световой пучок под любым углом к грани. После этого, вдоль падающего на пластину и вышедшего из нее световых пучков, карандашом проставляются 4 точки.

Сняв пластину с листа бумаги, с помощью линейки прочерчивают входящий, преломленный и выходящий лучи. Затем, через точку раздела двух сред — воздух-стекло — опускается перпендикуляр к границе раздела и отмечаются углы падения и преломления. После этого, с помощью циркуля, рисуется окружность произвольного радиуса с центром в точке раздела двух сред воздух-стекло, и строятся два прямоугольных треугольника, например, ABE и CBD.

Тогда, исходя из определения синуса угла, можно записать, что

Длины отрезков АЕ и DC, стоящих в формуле, измеряют при помощи линейки с миллиметровыми делениями. Их значения подставляются в расчетную формулу и высчитывают показатель преломления стекла.

Если в кабинете не хватает оборудования, то можно воспользоваться булавками. Для этого нужно на стол положить кусок поролона, для того чтобы было удобнее воткнуть булавки, и накрыть его белым листом бумаги. Сверху, на него, положить плоскопараллельную стеклянную пластину и, как и в предыдущем случае, обвести карандашом ее малую и большую грани. Затем возле малой грани воткнем первую булавку, вторую булавку воткнем под некоторым углом к первой, но так, чтобы у нас был ярко выраженный угол падения. Наблюдая за двумя булавками через большую грань, найдем точку расположения третьей булавки, чтобы первая и вторая загораживали друг друга. Снимаем оборудование и с помощью линейки достраиваем падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к точке падения луча на пластину. Далее все делается точно так же, как и в выше описанном нами способе.

А теперь приступим непосредственно к работе.

Для удобства записей результатов измерений и вычислений составим следующую таблицу.

Ход выполнения работы:

1. Установите источник света на столе. В окно прибора вставьте рамку со щелью так, чтобы щель располагалась вертикально.

2. Соберите электрическую цепь, присоединив лампочку к источнику постоянного тока через выключатель. Замкните цепь и получите яркую, тонкую полосу света на бумаге — световой луч.

3. Наблюдайте явление преломления света при различных углах паления, а затем зафиксируйте ход лучей.

4. Выполните построения в соответствии с рисунком и измерьте длины отрезков АЕ и DC Результаты измерений занесите в таблицу.

5. По формуле рассчитайте значение показателя преломления стекла и занесите его в таблицу.

6. Проделайте данный эксперимент еще не менее двух раз, меняя угол падения луча на пластинку, не забывая заносить все полученные данные в таблицу.

7. После проделанной работы рассчитайте абсолютные погрешности измерения отрезков.

8. Далее вычислите относительную и абсолютную погрешности измерения показателя преломления стекла.

9. Сравните результаты, полученные по формулам, и сделайте вывод о зависимости или независимости показателя преломления от угла падения светового луча.

Контрольные вопросы:

1. От чего зависит показатель преломления вещества?

2. В чем заключается явление полного отражения света на границе раздела двух сред?

3. Запишите формулу для вычисления скорости света в веществе с показателем преломления n.

Дополнительное задание:

Попробуйте, используя стеклянную пластинку, наблюдать явление полного отражения. Запишите, как вы осуществляли этот эксперимент.

Лабораторная работа №42 "Определение показателя преломления стекла"

Лабораторная работа № 42

Раздел 5.  Оптика

Тема 5.1. Природа света

Название работы: определение показателя преломления стекла

Учебная цель: наблюдать преломление света с помощью стеклянной пластины с двумя параллельными гранями, использовать законы преломления для расчета показателя преломления.

Учебные задачи: определить показатель преломления стекла относительно воздуха, сравнить с табличным значением, оценить погрешности

Правила безопасности: правила проведения в кабинете во время выполнения практического занятия

Норма времени: 2 часа

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС третьего поколения:

Студент должен

уметь: измерять показатель преломления вещества, делать выводы на основе экспериментальных данных. Представлять результаты измерений с учётом их погрешностей

знать: законы преломления света, что такое коэффициент преломления, его физический смысл

Обеспеченность занятия:

- методические указания по выполнению лабораторного занятия

- лабораторная тетрадь, стеклянная пластинка с двумя параллельными гранями, стеклянный полуцилиндр, Бумажный круг с градусами, карандаш хорошо отточенный, транспортир, линейка, циркуль, экран с щелью, источник света, таблица тригонометрических функций, таблица показателей преломления веществ относительно воздуха, бумага писчая

Порядок проведения занятия:

Для выполнения лабораторной работы учебная группа выполняет три задания (с разными пластинами)


Теоретическое обоснование 

Свет при переходе из одной среды в другую меняет своё направление, т. е. преломляется. Преломление объясняется изменением скорости при переходе из одной среды в другую и подчиняется следующим законам:

  1. Падающий и преломлённый лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведённым через точку падения луча к границе раздела двух сред.

  2. Отношение синуса угла падения  к синусу угла преломления  – величина постоянная для данных двух сред и называется коэффициентом преломления n второй среды относительно первой: n = = n

Вопросы для закрепления теоретического материала к занятию:

  1. В чём сущность явления преломления света и какова причина этого явления?

  2. В каких случаях свет на границе раздела двух прозрачных сред не преломляется?

  3. Что называется коэффициентом преломления и в чём различие абсолютного и относительного коэффициентов преломления?

  4. Докажите, что показатель преломления второй среды относительно первой

n 2,1 = n 2 / n 1, где n 1 и n 2 –абсолютные показатели первой и второй

сред.

5. Как определить геометрически показатель преломления n оп.

6. Как с помощью радиуса и перпендикуляра к нормали определить

синус угла падения и синус угла преломления?

  1. Как рассчитать абсолютную погрешность показателя преломления стекла n?

  2. Как рассчитать относительную погрешность измерения показателя преломления стекла? Каковы численные значения?

  3. Что показывает запись результата опыта n оп - nnn оп + n?

  4. Зависит ли показатель преломления стекла от угла падения луча света на пластину? Где в вашем опыте это видно?

  5. Чему соответствует ваш показатель преломления стекла по таблице? Что это за вещество или какой вид оптического стекла?

Содержание и Последовательность выполнения практической работы:

Задачи практической работы:

Задание 1

  1. Положить стеклянную пластинку на лист бумаги, обвести хорошо отточенным карандашом её контуры.

  2. Щель экрана направить на источник света. Экран перемещать, пока луч света не попадёт в среднюю точку на грань пластины.

  3. Отметить точками 1, 2, 3, 4 падающий луч на пластину и вышедшей луч из неё.

  4. Снять пластину (рисунок1) через точки 1, 2, 3, 4 провести прямые до пересечения с противоположными гранями. Через точку 2 провести перпендикуляр к границе сред воздух – стекло.

  5. Отметить угол падения и угол преломления, транспортиром измерить эти углы и по таблице значений синусов определить синусы измеренных углов.

  6. Опыт повторить 2 – 3 раза, меняя каждый раз угол.

  7. Вычислить коэффициент преломления, найти среднее значение. Определить погрешность измерения методом среднего арифметического.

  8. Результаты измерений, вычислений записать в таблицу №1

Таблица №1

№ опыта

Угол падения светового луча град

Угол преломления

светового луча град

Коэффициент преломления

n

Среднее значение коэффициента преломления

n ср.

Абсолютная погрешность

n = nср – n

Среднее значение абсолютной погрешности

nср

Относительная погрешность

= 100%

Задание 2

Рекомендации

Для определения отношения, стоящего в правой части формулы,

n = ,

поступают следующим образом. Перед тем, как направить на пластину световой пучок, её располагают на столе, на листе миллиметровой бумаги так, чтобы одна из её параллельных граней совпала с предварительно отмеченной линией на бумаге. Эта линия укажет границу раздела сред воздух – стекло. Тонко очинённым карандашом проводят линию вдоль второй параллельной грани. Эта линия изображает границу раздела сред стекло – воздух. Не смещая пластины, на её первую параллельную грань направляют узкий световой пучок под каким – либо углом к грани. Вдоль падающего на пластину и вышедшего из неё световых пучков тонко очинённым карандашом ставят точки 1, 2, 3, 4 (рисунок 2). Лампочку выключают, пластину снимают и с помощью линейки прочерчивают входящий и преломлённый лучи. Через точку. В границы раздела сред воздух – стекло проводят перпендикуляр к границе, отмечают углы падения  и преломления . Циркулем проводят окружность с центром в точке В и строят прямоугольные треугольники АВЕ и СВД.

Так как Sin = , Sin  = и АВ. = ВС, то формула для определения показателя преломления стекла примет вид

n = (1)

Длину отрезков АЕ и DC измеряют по миллиметровой бумаге или с помощью линейки. Инструментальную погрешность можно считать равной 1 мм.

Максимальная относительная погрешность определяется по формуле:пр . приближённое значение рассчитывается по формуле (1).

Окончательный результат измерения показателя преломления записывается так: n = nпр

Порядок выполнения работы

  1. Подготовить бланк отчёта с таблицей для записи результатов измерений и вычислений, таблица №2

  2. Подключить лампочку через выключатель к источнику тока. С помощью экрана с щелью получить тонкий световой пучок.

  3. Измерить показатель преломления стекла относительно воздуха, при каком – ни будь угле падения. Результат записать с учётом погрешностей.

  4. Повторить то же при другом угле падения.

  5. Сравнить результаты, полученные по формулам n1пр -  n1n1  n1пр + n1 n2пр -  n2n2  n2пр + n2.

  6. Сделать вывод о зависимости (или независимости) показателя преломления от угла падения.

Рисунок 1 Рисунок 2

Таблица №2

Измерено

Вычислено

АЕ, мм

DC, мм

nпр

 АЕ, мм

 DC, мм

, 

 n

Задание 3

Порядок выполнения работы

  1. Положить стеклянный полуцилиндр на бумажный круг, разделённый на градусы, так чтобы центр круга и центр полуцилиндра совпадали рисунок 4

  2. Щель экрана направить на источник света перемещать прибор до тех пор, пока луч света не попадёт в среднюю точку на плоской грани полуцилиндра, рисунок 5

Рисунок 5

Рисунок 4


Измерить по кругу угол падения луча α и угол преломления и их значения использовать для определения коэффициента преломления стекла.

  1. Перемещая экран со щелью получить несколько значений для углов падения и преломления луча.

  2. Направить световой луч перпендикулярно плоской грани полуцилиндра, пронаблюдать ход луча в полуцилиндре и сделать вывод.

  3. Результаты измерений вычислить и записать в таблицу №2

  4. Найти среднее значение коэффициента преломления и вычислить методом среднего арифметического погрешности измерения


По окончанию практической работы студент должен представить: - Выполненную в лабораторной тетради работу в соответствии с вышеуказанными требованиями.


Список литературы: 

  1. В. Ф. Дмитриева Физика для профессий и специальностей технического профиля М.: ИД Академия – 2018

  2. Р. А. Дондукова Руководство по проведению лабораторных работ по физике для СПО М.: Высшая школа,2000

  3. Лабораторные работы по физике с вопросами и заданиями

О. М. Тарасов М.: ФОРУМ-ИНФА-М, 2017

ИЗМЕРЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА С ПОМОЩЬЮ МИКРОСКОПА

Определение размеров малых объектов

Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет 54 Определение размеров малых объектов Методические указания к лабораторной работе для студентов всех специальностей

Подробнее

ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ ФРАУНГОФЕРА НА ЩЕЛИ И НИТИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

Определение размеров малых объектов

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) 54 Определение размеров

Подробнее

Работа 4. 3 Изучение микроскопа

Работа 4.3 Изучение микроскопа Оборудование: микроскоп, рисовальный аппарат, объект-микрометр, измерительная линейка, стеклянная пластинка, микрометр. Введение Для получения больших увеличений используется

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 (оптика)

Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСКОПА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Подробнее

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

Составитель Н. С. Кравченко, Н.И.Гаврилина

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

Составитель Н.С. Кравченко, Н.И.Гаврилина

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО «СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ» Ю.Ц. Батомункуев ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА Методические

Подробнее

Составитель Н. С. Кравченко, Н.И.Гаврилина

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

1 1 l. l 2. n 1. n 2 (1)

Методические указания к выполнению лабораторной работы 3.. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАДИУСА КРИВИЗНЫ ЛИНЗЫ И ДЛИНЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ ПО КОЛЬЦАМ НЬЮТОНА Степанова Л.Ф. Волновая оптика: Методические указания к выполнению

Подробнее

Составитель Н.С. Кравченко, Н.И.Гаврилина

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

ЗАТУХАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

Составитель Н. С. Кравченко, Н.И.Гаврилина

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

Изучение преломления света в линзах

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) 51 Изучение преломления

Подробнее

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ИМПУЛЬСА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Подробнее

ИЗУЧЕНИЕ ОБОРОТНОГО МАЯТНИКА

ИЗУЧЕНИЕ ОБОРОТНОГО МАЯТНИКА Цель работы: определение ускорения свободного падения с помощью оборотного маятника. Приборы и принадлежности: оборотный маятник, световой барьер со счетчиком, измерительная

Подробнее

Составитель Н.С. Кравченко, Н.И.Гаврилина

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

Составитель Н.С. Кравченко, Н.И.Гаврилина

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор

Подробнее

УСКОРЕНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Подробнее

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСКОПА.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСКОПА. Приборы и принадлежности: микроскоп, осветитель, объективный микрометр, шкала-линейка, стеклянная пластинка, микрометр, зеркальце или рисовальный аппарат. ОПИСАНИЕ

Подробнее

Изучение преломления света в линзах

Федеральное агентство по образованию РФ Ухтинский государственный технический университет 5 Изучение преломления света в линзах Методические указания к лабораторной работе для студентов всех специальностей

Подробнее

РАЗДЕЛЕНИЕ КАНАЛОВ СВЯЗИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Подробнее

«Определение показателя преломления стекла». Лабораторная работа

4. Цель лабораторной работы: Наблюдение преломления света на границе раздела сред воздух — стекло, а также измерение показателя

преломления стекла.

5. закон преломления света


Так как будет определяться показатель преломления стекла относительно
воздуха, то закон преломления света будет иметь вид:
где a — это угол падения пучка света на грань пластинки, b — угол преломления
светового пучка в стеклянной пластине.
Для того, чтобы определить отношение синусов, поступают следующим образом. В
самом начале, пластину необходимо разместить на листе бумаги и с помощью
карандаша обвести ее малую и большую грани. Затем, не смещая пластины, на ее
малую грань необходимо направить узкий световой пучок под любым углом к грани.
После этого, вдоль падающего на пластину и вышедшего из нее световых пучков,
карандашом проставляются 4 точки.

6. В самом начале, пластину необходимо разместить на листе бумаги и с помощью карандаша обвести ее малую и большую грани. Затем,

не смещая пластины, на ее малую грань необходимо направить
узкий световой пучок под любым углом к грани. После этого, вдоль падающего на пластину и
вышедшего из нее световых пучков, карандашом проставляются 4 точки.

7. Сняв пластину с листа бумаги, с помощью линейки прочерчивают входящий, преломленный и выходящий лучи. Затем, через точку

раздела двух сред — воздух-стекло — опускается
перпендикуляр к границе раздела и отмечаются углы падения и преломления. После этого, с
помощью циркуля, рисуется окружность произвольного радиуса(пусть 5см) с центром в точке
раздела двух сред воздух-стекло(т.2), и строятся два прямоугольных треугольника, например,
ABE и CBD.
Длины отрезков АЕ и DC, стоящих в формуле, измеряют при помощи линейки с
миллиметровыми делениями. Их значения подставляются в расчетную формулу и
высчитывают показатель преломления стекла.

8. Ход выполнения работы:


1. Установите источник света на столе. В окно прибора вставьте рамку со щелью так, чтобы щель
располагалась вертикально.
2. Соберите электрическую цепь, присоединив лампочку к источнику постоянного тока через
выключатель. Замкните цепь и получите яркую, тонкую полосу света на бумаге — световой луч.
•3. Наблюдайте явление преломления света при различных углах паления, а затем зафиксируйте
ход лучей.
•4. Выполните построения в соответствии с рисунком и измерьте длины отрезков АЕ и DC
Результаты измерений занесите в таблицу.
•5. По формуле рассчитайте значение показателя преломления стекла и занесите его в таблицу.
•6. Проделайте данный эксперимент еще не менее двух раз, меняя угол падения луча на
пластинку, не забывая заносить все полученные данные в таблицу.
•7. После проделанной работы рассчитайте абсолютные погрешности измерения отрезков.

9. Результатов измерений и вычислений

10. Погрешности

11. Результаты

• Сравните результаты, полученные по
формулам, и сделайте вывод о зависимости
или независимости показателя
преломления от угла падения светового
луча.

12. Контрольные вопросы:

• Контрольные вопросы:
• 1. От чего зависит показатель преломления
вещества?
• 2. В чем заключается явление полного отражения
света на границе раздела двух сред?
• 3. Запишите формулу для вычисления скорости
света в веществе с показателем преломления n.

13. Домашние задание

• Переписать и оформить данную
лабораторную работу

Лабораторная работа №2 определение показателя преломления стекла интерференционным методом цель работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ МЕТОДОМ

Цель работы: изучить явление интерференции света в стеклянной плоскопараллельной пластинке, определить показатель преломления стекла.

Приборы и принадлежности: лазер, оптическая скамья, плоскопараллельная стеклянная пластина, экран с линзой, штангенциркуль, рейторы, линейка.

Краткая теория

Известно, что если на плоскопараллельную пластинку падает свет, то вследствие наложения световых лучей, отраженных от верхней и нижней плоскостей пластины, возникает интерференционная картина в виде полос равного наклона (рис.1). Распределение светлых и темных полос определяется формулой

, (1)

где - толщина пластины; - показатель преломления пластины; - угол наблюдения определенной интерференционной полосы; - дополнительная разность хода, возникающая при отражении света от оптически более плотной среды; - разность хода между лучами, отраженными от верхней и нижней сторон пластины.

Условие наблюдения светлой полосы (максимума интерференции): , а темной полосы при .

Рис.1.

Из формулы (1) следует, что если значения , и постоянны, то, изменяя угол , можно переходить от одного интерференционного максимума или минимума к другому при изменении порядка интерференции на единицу.

Если пластинка толстая и падающий свет не строго монохроматичен, т.е. имеет некоторую ширину длины волны , то переход от одной интерференционной полосы к ближайшей соседней будет происходить при очень незначительном изменении угла , но тогда произойдет наложение интерференционных полос и картина интерференции будет нерезкой или она вообще смажется.


Использование лазерного луча, имеющего высокую монохроматичность, позволяет применять интерференционный метод для определения показателя преломления толстых пластин. Действительно, если плоскопараллельную стеклянную пластику осветить расходящимся световым пучком лазера (рис.2), то отраженные от передней и задней поверхностей пластины световые волны интерферируют между собой и дают на экране картину в виде концентрических светлых и темных колец.

Лучи, отраженные от поверхностей плоскопараллельной пластины будут интерферировать в плоскости, совпадающей с задней фокальной плоскостью линзы, где помещается экран. На экране в этом случае наблюдается интерференционная картина в виде концентрических светлых и темных колец.

Пусть - радиус темного кольца на экране, - толщина пластинки и - расстояние между экраном и пластиной. В условиях нашего опыта « и «.

Для -го темного кольца формулу (1) можно записать в виде

=

или

.

Так как «1, то (2).

Из рис. 2 следует, что при малых углах , и подставляя в формулу (2), получим , откуда (3).

Из формулы (3) видно, что линейно зависит от порядка интерференции , а это, в свою очередь, означает, что линейно зависит от номеров темных колец . Если построить график зависимости от , то тангенс угла наклона этого графика дает возможность определить коэффициент при в формуле (4), из которого вычисляется :

(4).

Действительно для разности двух колец имеем = , или (5), где определяется по графику.

Тогда показатель преломления равен: (6).

Описание установки

Работа проводится на установке, принципиальная схема которой показана на рис.3.

Рис.3 Принципиальная схема установки:1- лазер; 2-экран с линзой; 3- пластина плоскопараллельная.

Порядок выполнения работы

1. Собрать установку согласно рисунку 3. Ознакомившись с элементами и работой всех узлов установки, включить (с помощью лаборанта) лазер. Ориентировать экран с линзой перпендикулярно направлению луча лазера так, чтобы отражённый от линзы луч попадал обратно в выходное окно лазера. Пластину установить таким образом, чтобы расходящийся пучок света попадал обратно на экран с линзой. На экране со стороны пластины должна появиться система интерференционных полос (рис. 2). При помощи юстировочного винта, добейтесь, чтобы центр колец совпадал с центром экрана.

2. Измерить радиусы первых пяти темных колец и рассчитать их квадраты . Данные опыта занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ темного

кольца

>

1

2

3

4

5

3. Построить график зависимости от номера кольца N. График должен иметь вид прямой, размер графика (на миллиметровой бумаге) должен быть не менее 15х15 см.

4. По графику вычислить отношение и по формуле (6) найти величину показателя преломления стекла n. Длина волны излучения лазера 630 нм.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении лабораторной работы соблюдайте правила техники безопасности в лаборатории «Оптика».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. Что такое пространственная и временная когерентность?

  2. В чем заключается принцип действия лазера?

  3. Каковы характерные особенности лазерного излучения?

  4. Какое явление называется интерференцией света?

  5. Какое свойство лазерного излучения позволяет наблюдать интерференцию в толстых пластинках?

  6. В чем заключается суть графического метода вычисления показателя преломления в данной работе?

ЛИТЕРАТУРА

  1. Трофимова Т. И. Курс общей физики: учеб. Пособие для вузов /Т.И. Трофимова.-14-е изд., стер.- М.: Издательский центр «Академия», 2007 , §174-175, 233. С. 324-330, 436-439.

  2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. /А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.- М.:Высшая школа, 1989, § 31.1 – 31.3.

Сост. доц. Косинова С.Н.

Лабораторная работа "Определение показателя преломления стекла"

Просмотр содержимого документа
«Лабораторная работа "Определение показателя преломления стекла"»

11 класс «Измерение показателя преломления стекла».

Тема лабораторной работы: «Определение показателя преломления стекла».

Цель: 1. Наблюдать преломление света в реальных условиях.

2.Научиться использовать законы преломления для расчета показателя преломления.

Оборудование: 1. Выпрямитель учебный ВУ-4. 2. Осветитель. 3.диаграмма с одной щелью. 4.планшет «2» с круглым транспортиром. 5. Таблица синусов. 6. Стеклянный полуцилиндр. 7. Ключ с соединительными проводами.

ХОД РАБОТЫ

  1. Нарисовать схему экспериментальной установки

  2. Записать формулы для расчёта показателя преломления

  3. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу

Угол падения

Угол преломления

Показатель преломления

Среднее значение показателя преломления

Абсолютная погрешность

Средняя абсолютная погрешность

Относительная погрешность

Град.

Град.

-

-

-

-

1

2

3

  1. Записать вычисления.

  2. Ответить на вопросы :

  • Приведите примеры явления преломления в технике и обычной жизни.

  • Ответьте на вопрос: в чем физический смысл преломления света?

  1. Сформулируйте вывод.

Вспомните основные правила техники безопасности и обратите особое внимание, что необходимо:

1. Приступать к выполнению задания можно только после разрешения преподавателя.

2.После окончания работы следует привести в порядок рабочее место, сдать все приборы и принадлежности.

Задание 6. Опытным и расчетным путем определите показатель преломления стекла.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЫТА НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ

ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА

Используя источник тока, осветитель, диаграмму с одной щелью, планшет «2» с круглым транспортиром, таблица синусов, стеклянный полуцилиндр, ключ с соединительными проводами соберите экспериментальную установку для исследования зависимости угла преломления от угла падения на границе «воздух - стекло»

  1. Нарисуйте схему эксперимента.

  2. Установите поочерёдно угол падения в 200, 300 и 600 и измерьте в каждом случае значение угла преломления, укажите результаты измерения угла падения и угла преломления для трёх случаев в виде таблицы.

  3. Сформулируйте вывод о зависимости угла преломления от угла падения.

Определите показатель преломления

;

Определить погрешность измерений методом средней арифметической.

=

.Определите абсолютную погрешность:

=

=

=

=

Определите относительную погрешность:

100% =

Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА «ОТЛИЧНО»:

  1. Угол падания равен 30 , угол между падающим лучом и преломленным 140 . В какой среде луч распространялся вначале: в оптически более плотной или менее плотной? Докажите.

Рефлексия. Вспомните основные моменты занятия и определите по 5-балльной шкале следующие параметры:

  1. Насколько вам было сложно выполнять данную лабораторную работу.

  2. Насколько вам было интересно выполнять данную работу.

  3. На какую оценку вы выполнили данную работу.

Приложение 1

Тема лабораторной работы: «Измерение показателя преломления стекла».

Цель:

Оборудование: 1. Выпрямитель учебный ВУ-4. 2. Осветитель. 3.диаграмма с одной щелью. 4.планшет «2» с круглым транспортиром. 5. Таблица синусов. 6. Стеклянный полуцилиндр. 7. Ключ с соединительными проводами.

Вспомните основные правила техники безопасности и обратите особое внимание, что необходимо:

1. Приступать к выполнению задания можно только после разрешения преподавателя.

2.После окончания работы следует привести в порядок рабочее место, сдать все приборы и принадлежности.

ХОД РАБОТЫ

  1. Нарисовать схему экспериментальной установки

  2. Записать формулы для расчёта показателя преломления

; ; ; ; 100%

  1. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу

    Угол падения

    Угол преломления

    Показатель преломления

    Среднее значение показателя преломления

    Абсолютная погрешность

    Средняя абсолютная погрешность

    Относительная погрешность

    Град.

    Град.

    -

    -

    -

    -

    1

    2

    3

  2. Записать вычисления.

  3. Ответить на вопросы :

  • Приведите примеры явления преломления в технике и обычной жизни.

  • Ответьте на вопрос: в чем физический смысл преломления света?

  1. Сформулируйте вывод.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ НА «ОТЛИЧНО»:

  1. Угол падания равен 30 , угол между падающим лучом и преломленным 140 . В какой среде луч распространялся вначале: в оптически более плотной или менее плотной? Докажите.

Критерии оценивания

Учреждение образования «Марьиногорский государственный ордена «Знак Почета» аграрно-технический колледж им.В.Е.Лобанка»

Файлы (фото), выполненного задания, отправляйте на адрес электронной почты [email protected]

 в день занятия согласно расписанию. В теме письма нужно указать № группы, фамилию, имя, № занятия.


Электронный учебник  (Скачать)

Авторы:        Жылко В. У., Марковіч Л. Р.
Учебный предмет: Физика
Группа: Учебники (учебные пособия)
Класс:11 класс

Занятие № 38 Отражение света. Сферические зеркала. Построение изображений в сферических зеркалах. Закон преломления света. Показатель преломления.

 

Приступить к изучению
Занятие № 39 Полное отражение. Прохождение света через плоскопараллельную стеклянную пластинку. Лабораторная работа №9 «Измерение показателя преломления стекла».

 

Приступить к изучению
Занятие № 40 Линзы. Формула тонкой линзы. Лабораторная работа №10 «Изучение тонких линз»

 

Приступить к изучению
Занятие № 41 Поперечность световых волн. Поляризация света. Дисперсия света. Спектр, спектральные приборы.

 

Приступить к изучению
Занятие № 42 Обобщение и систематизация знаний по теме «Оптика». Обязательная контрольная работа №3.

 

Приступить к изучению
Занятие № 43 Принцип относительности Галилея и электромагнитные явления. Постулаты Эйнштейна.

 

Приступить к изучению
Занятие № 44 Фотоэлектрический эффект. Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

 

Приступить к изучению
Занятие № 45 Квантовая гипотеза Планка. Фотон. Давление света. Масса и

импульс фотона. Корпускулярно-волновой дуализм.

Приступить к изучению
Занятие № 46 Явления, подтверждающие сложное строение атома. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Приступить к изучению
Занятие № 47 Квантово-механическая модель атома. Излучение и поглощение света атомами и молекулами Приступить к изучению

 

Измерение показателя преломления

Использование рефрактометра
для измерения показателя преломления

Когда луч света проходит из воздуха в стеклянный блок, направление его движения меняется. Путь искривлен.

Степень изгиба зависит от природы стекла и длины волны используемого света. Во всех этих исследованиях используется желтый свет, излучаемый ионами натрия. Он имеет длину волны 589 нанометров.


Инструменты торговли Рефрактометр брата Грегори очень прост. Он предоставил вам множество различных образцов стеклоблоков; из того же стекла, что и линзы микроскопов. Он также дал вам два света; синий эталонный свет, который светит прямо через стеклянный блок и показывает вам положение «нормального».

Второй, желтый натриевый свет (589 нм), является источником света, используемого для проведения измерений.Именно этот свет излучается под углом к ​​поверхности стеклянного блока, и его путь искривляется, что позволяет определить показатель преломления стеклянного образца.

Он также предоставил вам детектор света, который используется для определения места выхода желтого света из стеклянного блока.


Измерение Используйте иллюстрации ниже, чтобы пройти процедуру, необходимую для измерения углов в рефрактометре и определения показателя преломления стекла.
(Наведите курсор на «кнопки» слева).
Запись результатов Для каждого измерения запишите четыре значения: два для источника света и два для изображения;
Настройки источника света Результаты вывода изображения
Расстояние от
контрольного света
Расстояние от стекла
Толщина
стекла
Расстояние изображения от
опорного луча
Ваши результаты идут сюда Ваши результаты идут сюда Ваши результаты идут сюда Ваши результаты идут сюда

HELP - от матери Менделя
Распечатайте это специальное «Таблица результатов» и используйте ее для записи результатов.
Расчеты

Треугольники

Все расчеты, необходимые для нахождения показателя преломления куска стекла, зависят от геометрических свойств прямоугольного треугольника.

В прямоугольном треугольнике один из трех углов составляет ровно 90 градусов («прямой угол»). Два других угла в треугольнике меньше 90 градусов.

Сторона треугольника, противоположная прямому углу, называется «гипотенузой».Математическая величина, называемая «синусом» угла (в прямоугольном треугольнике), представляет собой простое отношение расстояния вдоль стороны треугольника, противоположной углу, к расстоянию вдоль гипотенузы.


Пифагор Размеры всех сторон прямоугольного треугольника имеют простое отношение друг к другу.

Размер гипотенузы, умноженный на себя («квадрат»), равен сумме квадратов расстояний двух других сторон.

(гипотенуза) 2 = (одна сторона) 2 + (вторая сторона) 2

Это называется «Теория Пифагора».

Следовательно, если вы знаете размер любых двух сторон прямоугольного треугольника, вы всегда можете рассчитать размер неизвестной стороны.


Два треугольника

Есть два важных прямоугольных треугольника, участвующих в определении показателя преломления стеклянного блока.

Луч света от источника натрия является гипотенузой одного прямоугольного треугольника (в воздухе), а тот же луч света образует гипотенузу другого прямоугольного треугольника в стекле.

Угол, образованный лучом света в воздухе эталонного света (нормальный), угол падения и угол между лучом света в стекле до той же нормали, угол преломления .

Отношение синусов обоих этих углов и есть показатель преломления стеклянного блока.

Расчет выполняется в три этапа:

Шаг первый:
Расстояние, пройденное световыми лучами
Первый расчет определяет фактическое расстояние, пройденное лучом света в воздухе и в стекле. Это гипотенуза двух прямоугольных треугольников.

Еще раз, таблица упрощает расчет.

Расстояние, пройденное лучом в воздухе
расстояние от
контрольного света

DR
(расстояние от
контрольного света) 2

(ДР) 2
расстояние от стекла

DG
(расстояние от стекла
) 2

(ДГ) 2
(расстояние от опорного луча)
2 + (расстояние от
стекол) 2

(ДР) 2 + (ДГ) 2
квадратный корень из
(расстояния от опорного луча)
2 + (расстояние от
стекол) 2

sqrt [(DR) 2 + (DG) 2 ]
20 400 34 1156 1556 39. 446

расстояние, пройденное
лучом света
в воздухе


HELP -
от Матери Менделя
Распечатайте эти специальные таблицы:
«Таблица расчетов 1»,
«Таблица расчетов 2»,
и используйте их для расчета своих результатов.
Теперь проделайте точно такие же вычисления, чтобы определить расстояние, пройденное лучом света в стекле; вторая гипотенуза второго треугольника.

Вы можете использовать
Брат Грегори
Калькулятор треугольников

, чтобы найти длины
сторон треугольника.



Шаг второй:
Вычислить синусы
углов.
Используя только что вычисленные расстояния для расстояний, пройденных лучом света в воздухе и в стекле, а также «расстояние от нормали» (в воздухе) и «толщину стекла» (в стекле), он Теперь можно рассчитать синусы угла падения и угла преломления.
Синусы углов
Синус: угол падения Синус: угол преломления
пройденное расстояние
луч в воздухе
расстояние от
контрольного света
расстояние от опорного луча

расстояние, пройденное лучом в воздухе
пройденное расстояние
луч в стекле
изображения расстояния от опорного луча
изображения расстояния от опорного луча

расстояние, пройденное лучом в стекле
поместите сюда свои
результаты
поместите сюда свои
результаты
поместите сюда свои
результаты
поместите сюда свои
результаты
поместите сюда свои
результаты
поместите сюда свои
результаты
Шаг третий: Рассчитайте показатель преломления
Последним шагом в последовательности вычислений является определение отношения синуса угла падения к синусу угла преломления. n = синус I / синус R

Где n - показатель преломления

Синус I - это синус угла падения, а

Sine R - это синус угла преломления.


Вы можете использовать
Brother Gregory's
Sine Calculator

, чтобы найти значения синуса
для обоих треугольников.



Запишите свои результаты Для каждого протестированного образца стекла запишите свои результаты в виде набора таблиц (подобных тем, которые использовались выше).
ПОМОЩЬ - от Матери Менделя
Распечатайте эту специальную таблицу: «Таблица расчета 3»
и используйте ее для расчета окончательных результатов.
Для каждого образца стекла измерьте и рассчитайте показатель преломления не менее трех раз.

Убедитесь, что вы ведете хороший учет, вам потребуются значения, которые вы нашли для этих типов стекла позже.

Используйте рефрактометр
начните использовать рефрактометр, чтобы определить показатель преломления стеклянных блоков брата Грегори.

(PDF) Новый метод измерения показателя преломления стекла

с автоколлимацией или минимальным углом отклонения, рефрактометр Аббе и рефрактометр с V-образной призмой, метод эллиптической поляризации

и т. Д. [14] Есть несколько ограничений, некоторые из них имеют низкую точность. Некоторые из них могут быть применены только

к довольно большим и вырезанным по требуемой форме (например, V), обычно требуется, чтобы поверхность была выровнена, а

- гладкой.Но в большинстве случаев образец стекла, который мы получаем, особенно специальное стекло, приготовленное в лаборатории, которое, как правило, на

меньше по объему или неправильной формы, неспособно получить требуемую форму. Таким образом, измерение показателя преломления

для образца является более сложным. Чтобы преодолеть вышеупомянутый недостаток, здесь мы представили новый способ тестирования нерегулярных образцов

.

В этой статье мы представляем новый метод определения показателя преломления стекла путем измерения его спектра поглощения.

Одним из преимуществ метода является его высокая точность. Еще одно выдающееся достоинство - низкие требования к образцам.

2. МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

Насколько нам известно, метод, который мы разрабатываем, является новым методом, отличным от существующих. Как известно, стекло

прозрачное, потому что в видимом диапазоне нет поглощения. Если в стекле содержатся металлические наночастицы (например, наночастицы серебра

), оно будет иметь разные цвета из-за поглощения в видимом свете, обычно бледно-желтого цвета.В различных стеклянных подложках

(таких как силикатное стекло и германатное стекло) длина волны поглощения наночастиц серебра составляет

, что зависит от показателя преломления стеклянной подложки, поэтому цвет также отличается. Наночастицы чистого серебра

(не диспергированные в какой-либо матрице) также имеют поглощение, которое происходит из-за поглощения плазменных колебаний, возникающих после

светового облучения. Когда наночастицы серебра диспергированы в другой матрице (например,г. стекло), из-за взаимодействия между

молекулярных наночастиц серебра и поверхностью подложки, частота плазменных колебаний будет изменена, которая составляет

, называемых поверхностными плазмонными колебаниями. Связь частоты поглощения и частоты колебаний может быть

, выраженная следующей формулой:

) 21 / (222 n

pr + =

ωω

(1)

Где

ω

p - плазма частота колебаний,

ω

r - частота колебаний поверхности плазмы, n - показатель преломления.При преобразовании частоты

в длину волны мы получим следующее уравнение:

) 21 (222 n

pr + =

λλ

(2)

Где

λ

p - длина волны плазменных колебаний,

λ

r - длина волны колебаний поверхностного плазмона, n - показатель преломления. Таким образом, мы можем получить n, измерив

λ

p и

λ

r, используя уравнение (2).Новый метод измерения показателя преломления стекла путем тестирования

его спектра поглощения. Чтобы измерить фактический показатель преломления образца, все еще необходимо знать

λ

p наночастиц серебра

. Для этого нужен стендовый образец, который может получить его

λ

r путем легирования наночастицами серебра, а его n может быть

, измеренное методом эллиптической поляризации. С

λ

r и n,

λ

p можно получить с помощью уравнения (2).Поскольку

λ

p является константой, если длина волны поглощения равна

λ

r0, а показатель преломления равен n0, уравнение (2) будет

) 21 (2

0

22

0n

pr + =

λλ

(3)

Показатель преломления подготовленного образца можно рассчитать по следующему уравнению:

Proc. Of SPIE Vol. 9042 Z-2

Make That Invisible! Refractive Сопоставление индексов - действие

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 11 (9-12)

Требуемое время: 3 часа 15 минут

(можно разделить на четыре 50-минутных сеанса)

Расходные материалы на группу: 0 долларов США.50

Для этого мероприятия также требуются некоторые лабораторные принадлежности и оборудование длительного пользования, которые можно использовать повторно при правильном хранении после мероприятия; подробности см. в Списке материалов.

Размер группы: 4

Зависимость действий: Нет

Тематические области: Физика

Подпишитесь на нашу рассылку новостей

Резюме

Студенты определяют показатель преломления жидкости с помощью простой техники, используя полукруглый полый блок.Затем они предсказывают показатель преломления материала (стеклянной трубки Pyrex), сравнивая его с известным показателем преломления жидкости, используя измерение процентного пропускания света. Самодельный детектор интенсивности света использует светодиод и мультиметр, которые относительно недороги (и легко доступны) по сравнению с коммерчески доступными измерительными приборами. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Показатель преломления - это фундаментальное оптическое свойство материалов, и знание точного значения показателя преломления материала позволяет нам предсказать угол, под которым свет изгибается при прохождении через материал, что важно во многих реальных приложениях. Инженеры-химики, экологи и биомедицины используют преимущества согласования показателя преломления, чтобы минимизировать (если не устранить) многократное рассеяние при захвате изображений для изучения свойств и поведения микро- и наночастиц (таких как бактериальные и коллоидные системы). Инженеры-оптики используют точные измерения показателя преломления для разработки компонентов оптических приборов, таких как линзы, микроскопы, телескопы, а также другого оборудования, использующего свойства света. Инженеры-механики должны знать показатель преломления жидкостей и других материалов, чтобы создавать эффективные и доступные машины.Эти примеры иллюстрируют важность знания и понимания концепции показателя преломления. Существуют многочисленные методы и современные инструменты для точного измерения показателя преломления различных материалов.

Цели обучения

После этого занятия студенты должны уметь:

  • Определите соотношение угла падения и угла преломления между двумя разными средами.
  • Измерьте показатель преломления данной жидкости, используя закон Снеллиуса.
  • Определите показатель преломления неизвестного материала, используя процент светопропускания.

Образовательные стандарты

Каждый урок или действие TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными предметами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект Д2Л (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты имеют иерархическую структуру: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения - наука
Ожидаемые характеристики NGSS

HS-PS4-1.Используйте математические представления для подтверждения утверждения о взаимосвязи между частотой, длиной волны и скоростью волн, распространяющихся в различных средах. (9–12 классы)

Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Щелкните, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов
В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Сквозные концепции
Используйте математические представления явлений или проектных решений для описания и / или поддержки заявлений и / или объяснений.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Длина волны и частота волны связаны друг с другом скоростью распространения волны, которая зависит от типа волны и среды, через которую она проходит.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Эмпирические данные необходимы, чтобы различать причину и корреляцию и делать заявления о конкретных причинах и следствиях.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Государственные стандарты Common Core - математика
  • Постройте график линейных и квадратичных функций и покажите точки пересечения, максимумы и минимумы. (Оценки 9 - 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Интерпретируйте параметры линейной или экспоненциальной функции в контексте контекста. (Оценки 9 - 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Решите линейные уравнения и неравенства с одной переменной, включая уравнения с коэффициентами, представленными буквами.(Оценки 9 - 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии - Технология
  • Технологические инновации часто возникают, когда идеи, знания или навыки используются совместно в рамках технологии, между технологиями или в других областях. (Оценки 9 - 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Технический прогресс способствует развитию науки и математики.(Оценки 9 - 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Используйте методы оценки, такие как анализ тенденций и экспериментирование, чтобы принимать решения о будущем развитии технологий. (Оценки 9 - 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ
Техас - наука
  • исследовать и описывать связи между физикой и будущей карьерой; и (Оценки 9 - 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • исследовать поведение волн, включая отражение, преломление, дифракцию, интерференцию, резонанс и эффект Доплера; (Оценки 9 - 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • организовывать, анализировать, оценивать, строить модели, делать выводы и прогнозировать тенденции на основе данных; (Оценки 10 - 12) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Предложите выравнивание, не указанное выше

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

Посетите [www.teachengineering.org/activities/view/uoh_invisible_activity1], чтобы распечатать или загрузить.

Больше подобной программы

Свойства света

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. ..

Электромагнитные волны: как работают солнцезащитные очки?

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.

  1. 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

© 2013 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2013 Хьюстонский университет

Авторы

Марджори Эрнандес

Программа поддержки

Национальный научный фонд GK-12 и программы исследований для учителей (RET), Университет Хьюстона

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

апрель 2009 г. - том 11 - номер 2

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.

Эти значения записываются как температура совпадения при охлаждении и температура совпадения при нагревании , которые усредняются, чтобы получить температуру точки совпадения для образца.Показатель преломления образца рассчитывается автоматически на основе данных калибровки (SWGMAT 2005d). Точность автоматизированного метода измерения показателя преломления стекла, определенная из повторных измерений n D оптического стекла, составляет 0,00002 (Локк 1985), что обычно лучше, чем измеряемая вариация стеклянного объекта.

Плотность

Плотность - это масса единицы объема. Как и показатель преломления, плотность является функцией химического состава и расположения атомов, которые контролируются составом партии и историей охлаждения стекла соответственно (Варшнея, 1994).Типичное изменение плотности, измеренное в бутылке, составляет 0,002 г / см 3 , а типичное изменение плотности, измеренное на листе стекла, составляет 0,001 г / см 3 (Koons 2002). Плотность стекла можно оценить либо количественно путем прямого измерения, либо качественно путем одновременного сравнения двух или более образцов.

Измерения плотности выполняются реже, чем определения показателя преломления, потому что:

  • Стеклянный фрагмент должен быть безупречно чистым и без включений.
  • Для точных измерений плотности требуется образец диаметром от двух до трех миллиметров (SWGMAT 2005b), что намного больше, чем частицы, которые обычно встречаются в судебной экспертизе. Кроме того, частицы такого размера подходят для химического анализа, который является более разборчивым методом.
  • Плотность и показатель преломления коррелированы в большинстве образцов стекла (Smalldon and Brown 1973). Определение показателя преломления выполняется быстрее и может выполняться с образцами меньшего размера, поэтому большинство лабораторий предпочитают сначала выполнять определение показателя преломления.
  • До недавнего времени измерения плотности требовали использования опасных жидкостей, таких как бромоформ (Koons 2002).

Большинство количественных измерений плотности выполняется в лабораториях судебной экспертизы с использованием плотномера. Плотность раствора можно изменять, добавляя небольшие количества смешиваемых жидкостей с разной плотностью. Когда частица в этом растворе находится во взвешенном состоянии, плотность раствора будет соответствовать плотности частицы. Затем плотность жидкости измеряется плотномером.Точность цифровых плотномеров составляет 0,0001 г / см 3 (Беверидж и Семен, 1979), что лучше, чем измеряемая вариация стеклянного объекта.

Определения относительной плотности могут быть выполнены с использованием градиентов плотности (McCrone and Hudson 1969). Однако градиенты плотности используются редко, потому что градиенты плотности сложно создать и их нельзя использовать повторно (Koons 2002). Описание метода приведено в руководстве SWGMAT по определению плотности стекла (2005b):

Метод заключается в помещении в вертикальную стеклянную трубку жидкости с градиентом плотности.Градиент таков, что плотность на любом уровне меньше, чем на любом уровне ниже в трубке, и больше, чем на любом уровне выше в трубке. Когда осколки стекла помещаются в колонку, каждый из них становится взвешенным в жидкости на уровне, имеющем ту же плотность, что и этот фрагмент стекла. Фрагменты разной плотности осядут на разные уровни в колонне.

. . . . Тяжелая жидкость, такая как 1,4-дибромбензол или бромоформ, смешивается с более легкой жидкостью, такой как бромбензол или этанол, в различных пропорциях для образования градиента плотности.Для большинства целей используется около пяти слоев жидкости. . . . Каждый слой добавляется к предыдущему очень медленно с помощью пипетки, чтобы не допустить перемешивания на границе раздела. Нижний слой обычно составляет около четверти общей высоты колонны. Второй, третий и четвертый слои должны составлять примерно половину высоты первого слоя. Верхний слой должен быть той же высоты, что и нижний слой. Перед использованием градиентная трубка должна стоять на ночь, чтобы жидкости диффундировали друг в друга и образовали градиент.

Фрагменты должны быть должным образом задокументированы до их добавления в столбец градиента плотности, чтобы облегчить идентификацию, когда они будут извлечены из градиента. Сравниваемые фрагменты осторожно помещают в градиент плотности и дают полностью осесть. Положение стакана в колонне можно лучше рассмотреть с помощью задней подсветки. Следует проявлять осторожность, чтобы избежать изменения температуры колонки. (SWGMAT 2005b)

Другой относительный метод измерения плотности - это метод компаратора с плавным поплавком.В этом методе осколки стекла помещаются в тяжелую жидкую смесь в пробирку. Трубка помещается в водяную баню, которая автоматически нагревается с постоянной скоростью. Когда частицы оседают и становятся суспендированными, отмечают температуру. Точность этого метода составляет 0,0001 г / см 3 (ASTM C729-05; Knight 1945), что лучше, чем измеримая вариация стеклянного объекта.

Элементный анализ

Производители контролируют концентрации многих химических элементов для придания своим стеклянным изделиям определенных свойств.Однако концентрации микроэлементов обычно не контролируются, если они не изменяют стекло каким-либо нежелательным образом (Koons 2002; SWGMAT 2005a). Микроэлементы могут попадать в стекло в виде примесей в сырье (Варшнея, 1994) и / или в результате износа стекловаренной печи (Дойл, 1994). Таким образом, анализ состава стекла можно использовать для различения стекол, изготовленных разными производителями, стекол с разных производственных линий одного и того же производителя и стекол, изготовленных в течение определенного периода времени на одной производственной линии (Koons 2002).

Анализ состава стекла в судебно-медицинских лабораториях проводится нечасто по нескольким причинам:

  • Большинство методов анализа состава стекла деструктивны.
  • Для большинства методов требуются образцы стекла большего размера, чем те, которые обычно встречаются при судебной экспертизе.
  • Большая часть приборов, используемых для измерения состава стекла, требует больших затрат на приобретение и обслуживание, а большая часть приборов не имеет других применений.
  • Из-за сложности вычислений, байесовский статистический анализ, включающий данные о составе, чрезвычайно сложно применить.

Несмотря на эти недостатки, химический анализ остается лучшим средством различения образцов стекла (Кунс и Бускаглия, 1999; Кунс и Бускаглия, 2002). Кунс и Бускаглия (1999) лаконично изложили аргументы в пользу использования химического анализа, несмотря на его недостатки:

Судмедэксперт должен использовать наиболее разборчивую технику, доступную при исследовании стекла или других следов следов, поскольку это наиболее эффективный способ как избежать ложных ассоциаций, так и исключить два схожих, но разных источника.В интересах суда, чтобы ученый использовал наиболее разборчивую аналитическую технику, даже если это означает, что точные цифры вероятности заключения не могут быть рассчитаны. (Кунс и Бускаглия, 1999)

Для анализа состава стекла использовалось множество методов. Эти методы включают полуколичественные методы, такие как сканирующая электронная микроскопия, энергодисперсионная спектрометрия (Ryland, 1986; Terry et al., 1982) и рентгеновская флуоресценция (Andrasko, Maehly, 1978; Reeve et al.1976) и количественные методы, такие как нейтронно-активационный анализ (Coleman and Goode 1973), беспламенная атомно-абсорбционная спектрометрия (Hughes et al. 1976), масс-спектрометрия с искровым источником (Dabbs et al. 1973), оптическая эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой ( Hickman 1987; Koons et al. 1988), масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (Zurharr and Mullings 1990; Parouchais et al. 1996) и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой с лазерной абляцией (Moenke-Blankenburg et al. 1992).

Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновская флуоресценция

Оба этих полуколичественных метода, сканирующая электронная микроскопия (SEM) и рентгеновская флуоресценция (XRF), являются быстрыми и практически неразрушающими и используют XRF для определения химического состава. Хотя можно анализировать мелкие частицы неправильной формы, плоские поверхности обеспечивают более точный и точный количественный анализ. Чтобы получить плоскую поверхность, частицу неправильной формы заделывают в смолу и полируют. Этот метод подготовки разрушителен (SWGMAT 2005a).

Большинство лабораторий судебной экспертизы имеют доступ к сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной спектрометрии (SEM-EDS). В SEM-EDS сфокусированный пучок электронов систематически сканирует образец и производит множество сигналов, в том числе рентгеновские лучи с энергиями, характерными для конкретных элементов (Postek and Howard 1980).Соотношения интенсивностей некоторых основных и второстепенных элементов в стекле можно использовать для различения источников стекла: в одном исследовании можно выделить 38 из 40 образцов (Andrasko and Maehly 1978). Этот метод также успешно использовался для классификации стеклянных фрагментов по категориям листов или контейнеров (Ryland 1986; Terry et al. 1982).

Детекторы с дисперсией по длине волны также доступны для сканирующей электронной микроскопии с помощью спектрометрии с дисперсией по длине волны (SEM-WDS) и могут использоваться для получения количественных данных.Большинство лабораторий судебной экспертизы не используют SEM-WDS из-за его более высокой стоимости и большей сложности (SWGMAT 2005a). Хотя SEM-WDS доступен в лаборатории ФБР, он не используется для анализа стекла из-за наличия более разборчивых методов химического анализа. Поэтому в данной статье это обсуждаться не будет.

Рентгеновская флуоресценция использует первичный пучок рентгеновских лучей от источника, будь то рентгеновская трубка или радиоактивный источник, для возбуждения вторичных рентгеновских лучей от образца.Как и в случае с SEM-EDS и SEM-WDS, рентгеновские лучи, испускаемые стеклянным образцом, имеют характерные энергии и длины волн, которые могут использоваться для идентификации присутствующих элементов, а интенсивности пиков могут использоваться для количественной оценки результатов (Skoog и West 1980), или для получения полуколичественных результатов можно использовать отношения интенсивностей. Полуколичественный XRF был успешно использован для различения 79 из 80 стеклянных источников (Reeve et al. 1976). Рентгеновская флуоресценция требует использования образцов, которые больше, чем образцы, проанализированные с помощью SEM-EDS (SWGMAT 2005a).Количественные результаты трудно получить, потому что они требуют использования сопоставимых с матрицей стандартов для сравнения (Skoog and West 1980).

Анализ активации нейтронов

Основой для нейтронно-активационного анализа (НАА) является измерение радиоактивности, вызванной облучением ядерными частицами. Спектрометр гамма-излучения используется для измерения излучения разных энергий. Сравнивая эти энергии с энергиями стандарта, можно определить тип и количество атомов.Преимущество нейтронно-активационного анализа заключается в том, что он является неразрушающей и чрезвычайно чувствительной формой химического анализа. К сожалению, образцы считаются радиоактивными (Skoog and West 1980). Нейтронно-активационный анализ также требует использования ядерного реактора, который недоступен для большинства лабораторий судебной экспертизы. Тем не менее, NAA успешно использовался при анализе осколков стекла (Coleman, Goode 1973; Schmitt and Smith 1970).

Масс-спектрометрия с источником искры

В масс-спектрометрии с искровым источником образец испаряется в газовую ионную плазму радиочастотным искровым источником, а образующиеся ионы уносятся в масс-спектрометр.Масс-спектрометрия с источником искры успешно использовалась для различения образцов, которые были неотличимы по показателю преломления и определению плотности (Dabbs et al. 1973). Этот метод недоступен для лабораторий судебной экспертизы, и его применение в анализе стекла не изучалось широко.

Беспламенная атомно-абсорбционная спектрометрия

В беспламенной атомно-абсорбционной спектрометрии (FAAS) образец сначала растворяют, затем помещают в графитовую печь и испаряют.Луч монохроматического света направляется через пар, и измеряется поглощение. Длина волны света согласовывается с характеристическим поглощением интересующего элемента. Поглощение пропорционально количеству атомов на световом пути (Skoog and West 1980). Беспламенная атомно-абсорбционная спектрометрия обеспечивает точные измерения и является хорошо разработанным и широко принятым методом (Koons 2002). Его успешно использовали для различения и классификации осколков стекла размером менее миллиграмма (Howden et al.1977; Hughes et al. 1976). Однако FAAS - это относительно медленный анализ, поскольку каждый элемент анализируется последовательно. Следовательно, использование FAAS было вытеснено различными методами индуктивно-связанной плазмы (ICP), поскольку ICP может анализировать несколько элементов одновременно.

Методы индуктивно связанной плазмы

Все методы ICP основаны на использовании плазменной горелки для интенсивного распыления, ионизации и возбуждения атомов образца.В оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES) детектор представляет собой спектрометр, который определяет характерные длины волн света, излучаемого возбужденными атомами. Интенсивность света пропорциональна концентрации атомов (Skoog and West 1980). В масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) возбужденные ионы попадают в масс-спектрометр, аналогично масс-спектрометрии с искровым источником, но с использованием плазмы для ионизации образца (Skoog and West 1980).В ИСП-ОЭС и ИСП-МС стеклянный образец сначала переваривается в плавиковой кислоте, доводится до высыхания, а затем помещается в раствор (SWGMAT 2005a). Растворенное стекло вводится в плазму в виде раствора с помощью распылителя (Skoog and West 1980). В масс-спектрометрии с лазерной абляцией и индуктивно связанной плазмой (LA-ICP-MS) вместо разложения стекла в плавиковой кислоте используется лазер для ионизации стекла (Latkoczy et al.2005), который затем направляется в горелку ICP. и проанализирован, как и любой другой образец ICP-MS (SWGMAT 2005a).

Пределы обнаружения для большинства элементов методом ICP-OES составляют порядка 0,01 мкг / г; и для ICP-MS 0,001 мкг / г. Лучший предел обнаружения для ICP-MS достигается с небольшой потерей точности и точности (SWGMAT 2005a). Методы индуктивно-связанной плазмы широко используются в лабораториях, у которых есть ресурсы для покупки прибора. По этому поводу опубликованы многочисленные исследования. Краткое изложение некоторой литературы можно найти в руководстве SWGMAT Elemental Analysis of Glass of Glass (2005a):

.. . . Аналитический метод оптической эмиссионной спектрофотометрии с индуктивно связанной плазмой был разработан для определения концентраций Mn, Fe, Mg, Al и Ba во фрагментах стекла (Каттерик и Хикман, 1981). В течение следующих нескольких лет с помощью оптической эмиссионной спектрофотометрии с индуктивно связанной плазмой были определены концентрации дополнительных элементов в стекле, и были разработаны схемы классификации от 6 до 10 элементов, основанные на сравнении с базой данных стекла, разделенной на девять категорий продуктов (Hickman 1981; Hickman и другие.1983). В настоящее время протокол, наиболее широко используемый для работы с конкретными случаями, был разработан для определения концентраций 10 элементов (Al, Ba, Ca, Fe, Mg, Mn, Na, Ti, Sr и Zr) с превосходной аналитической точностью в осколках стекла размером в миллиграммы. (Кунс и др., 1988). Было показано, что комбинация пяти из этих элементов обеспечивает хорошую классификацию на две категории листового и тарного стекла. Оптико-эмиссионная спектрофотометрия с индуктивно связанной плазмой также использовалась для привязки пищевых контейнеров к производственным предприятиям, на которых они были изготовлены, и для выявления источников загрязнения стекла в случаях, связанных с фальсификацией продукта (Wolnik et al.1989).

В дальнейших исследованиях было показано, что распределение до 22 элементов, большинство из которых измеряется с помощью оптической эмиссионной спектрофотометрии с индуктивно связанной плазмой, в различных очках обеспечивает превосходную способность различать источники в пределах одного класса продукции (Hickman 1983; Hickman et al. 1983) ). В исследовании, измеряющем концентрацию 10 элементов в автомобильных боковых стеклах, вероятность того, что два стекла от разных транспортных средств будут неотличимы, составляет одно из 1080, по сравнению с каждым пятым только для показателя преломления и каждым десятым для энергии. только дисперсионный рентгенофлуоресцентный спектрометрический анализ (Koons et al.1991). Исследования показали, что с помощью оптической эмиссионной спектрофотометрии с индуктивно связанной плазмой можно различать листы стекла, изготовленные в течение нескольких минут друг от друга на одной производственной линии для производства флоат-стекла. В недавнем исследовании с использованием статистического анализа образцов, собранных в конкретных случаях, было сообщено, что измерения методом оптической эмиссионной спектрофотометрии с индуктивно связанной плазмой обеспечивают очень высокую способность распознавания. Вероятность того, что два осколка стекла из разных источников будут иметь неразличимые концентрации десяти элементов, чрезвычайно мала (Koons and Buscaglia 1999).(SWGMAT 2005a)

Толкования / выводы

Чтобы различать два или более стеклянных источника, наблюдаемые и измеренные свойства между источниками должны быть разными. Вариации свойств стекла в пределах одного источника обычно невелики (Bottrell et al. 2007), как правило, ниже разрешающей способности методов, используемых для их измерения. Различия между стеклянными объектами из разных источников можно наблюдать и измерять (Hickman 1983; Koons et al.1988; Кунс и Бускаглия, 1999; Koons and Buscaglia 2002) и обычно намного больше, чем вариации внутри одного объекта. Различия в свойствах стекла между типами стекла явно выражены (Boyd et al. 1994; Corning, Incorporated 1998; Doyle 1994; Варшнея 1994). Наиболее важным из этих соображений при интерпретации результатов анализа стекла является то, что вариации внутри объекта обычно меньше, чем вариации между объектами.

Базы данных показателей преломления и / или химического состава стекла, полученные при рассмотрении дел, были созданы рядом криминалистических лабораторий (Koons et al.1991). Хотя эти стеклянные базы данных, несомненно, являются ценными, следует отметить, что они не могут быть репрезентативными фактическим население стекла, а также распределение свойств стекол не может быть нормальным. Хотя они не являются прямыми индикаторами редкости в каком-либо конкретном случае, они могут использоваться, чтобы показать, что вероятность случайного совпадения редка.

Кунс и Бускаглия (1999) использовали данные из базы данных химического состава и базы данных показателя преломления для расчета вероятности совпадения.По их оценкам, вероятность случайного появления стекла D с неотличимым химическим составом и n D составляет от 10 -5 до 10 -13 . Другими словами, шанс найти случайное совпадение в судебной стеклянной витрине с использованием одного только показателя преломления и химического состава составляет от 1 из 100000 до 1 из 10 триллионов, что убедительно подтверждает предположение о том, что осколки стекла, извлеченные из вещественного доказательства и разбитого объекта с неотличимым номером n D и химическим составом вряд ли могут быть получены из другого источника и могут быть надежно использованы для помощи в реконструкции событий преступления.

Когда невозможно выявить различия в пределах аналитических методов оцениваемых свойств, невозможно исключить возможность того, что осколки стекла произошли из одного и того же источника. В настоящее время лаборатория ФБР использует перекрытие диапазонов в качестве критериев сравнения. При перекрытии диапазонов на каждом образце проводится несколько измерений, и диапазон определяется наименьшим значением измеренного контрольного образца минус неопределенность измерения до наивысшего значения измеренного контрольного образца плюс неопределенность измерения.Количество фрагментов, отобранных для анализа, основано на статистической схеме выборки, представленной в статье Sandercock (2000), «Соображения размера выборки для контрольного стекла при работе с конкретными случаями». Измеренные значения каждого восстановленного фрагмента сравниваются с диапазоном для контроля. Если измеренные значения восстановленного образца перекрывают контрольный диапазон, образцы считаются неотличимыми.

В разделе «Подразделение по отслеживанию доказательств: назначение и процедуры рассмотрения дел» в Руководстве по обеспечению качества подразделения по отслеживанию доказательств (2006) говорится:

Стеклянная ассоциация определяется как два или более стеклянных образца, которые могут быть соединены вместе или которые демонстрируют неотличимые наблюдаемые свойства и / или перекрытие диапазона во всех измеренных свойствах.Наблюдаемые свойства могут включать, но не ограничиваются: типом стекла, цветом и методами производства. Измеряемые свойства могут включать, но не ограничиваются ими: толщину, показатель преломления, дисперсию и химический состав. Стеклянные ассоциации подтверждаются вторым квалифицированным экспертом. (Федеральное бюро расследований [ФБР] 2006)

Были предложены другие методы оценки аналитических данных по стеклу, такие как байесовский статистический анализ (Curran et al. 2000) или различные t-тесты (Curran et al. 1997). У каждой техники есть свои достоинства и недостатки. Одно из важных соображений при выборе метода оценки - это то, где установить порог дифференциации. Консервативный порог будет различать все образцы из разных источников, но может также указывать на то, что существует разница в образцах, которые фактически взяты из одного источника. Высокий порог дифференциации может не позволить отличить все экземпляры из источников, которые действительно отличаются друг от друга, но не позволит дифференцировать экземпляры, которые на самом деле происходят из одного источника.

Перекрытие диапазона аналитических данных по стеклу, которые включают данные о химическом составе, считается консервативным стандартом. В одном исследовании на наборе данных, состоящем из трех повторных измерений для каждого из 209 образцов, тест на перекрытие диапазонов выявил все образцы, а все другие тесты, основанные на статистическом анализе, показали худшие результаты (Koons and Buscaglia 2002).

Тесты на перекрытие диапазонов, однако, могут достичь высокой степени различимости, указав, что два образца из одного и того же источника различимы. Другое исследование показало, что при использовании теста перекрытия диапазонов количество дифференцированных особей, которые фактически были из одного источника, могло достигать семи процентов (Bottrell et al. 2007).

Подход с перекрытием диапазонов, однако, кажется разумным, учитывая, что другие тесты с более высокими порогами дифференциации, такие как t-тесты с модификацией Велча (Curran et al. 2000) или байесовский анализ (Walsh 1996), снижают количество дифференцированных образцов. которые были фактически из одного и того же источника, что ухудшило способность различать действительно разные образцы, что является неприемлемым.

Заключение по отчетности

В большинстве случаев заключения, сделанные судебно-медицинским экспертом по стеклу, официально сообщаются представляющему учреждению в письменной форме после процесса проверки. В лаборатории ФБР это трехэтапный процесс, в котором результаты экзаменатора следующие:

  1. Проверено вторым квалифицированным экспертом.
  2. Техническая проверка проведена вторым квалифицированным экспертом.
  3. Проверено в административном порядке.

Технический рецензент гарантирует, что надлежащие исследования были проведены, подтверждает, что была проведена задокументированная проверка, и гарантирует, что выводы подтверждены экзаменационной документацией и находятся в рамках ограничений дисциплины.Административный рецензент обеспечивает краткость, точность и полноту отчета; что отчет и экспертиза соответствуют лабораторной практике ФБР; и что были проведены предыдущие две стадии проверки (FBI 2007).

Аккредитованные лаборатории следуют этому же общему процессу, хотя детали его выполнения могут отличаться (Международная организация по стандартизации / Международная электротехническая комиссия [ISO / IEC] 2005). Выводы также могут быть представлены под присягой либо под присягой, либо в качестве свидетельских показаний.

Рекомендации по содержанию отчетов предоставляются различными органами по аккредитации (Американское общество по борьбе с преступностью директора лабораторий / Совет по аккредитации лабораторий [ASCLD / LAB] 2006; Международное сотрудничество по аккредитации лабораторий [ILAC] 2002; ISO / IEC 2005). Кроме того, Руководство SWGMAT по составлению отчетов для экспертов (SWGMAT 2009) предлагает дополнительные рекомендации о том, что следует включать в отчет. Руководство в основном касается письменных отчетов.

В целом, руководство SWGMAT рекомендует, чтобы отчеты содержали достаточно административных подробностей, чтобы читатель мог определить личности всех сторон отчета и характер запроса.Отчет также должен содержать результаты и выводы экзаменатора. Все подтверждающие данные должны быть либо включены в отчет, либо включены в качестве дополнения, либо храниться в файлах лаборатории и предоставляться по запросу клиента (SWGMAT 2009). Если следовать этим указаниям, можно добиться большей прозрачности в отчетности.

Выводы

Анализ стекла используется как в стекольной промышленности, так и в судебной медицине. Обширные данные были опубликованы в рецензируемых журналах в отраслевой или судебно-медицинской литературе, которые подтверждают аналитические методы, используемые при анализе стекла, и теорию, лежащую в основе сравнений. Дополнительная работа в этих областях продолжается по мере достижения прогресса и совершенствования контрольно-измерительной аппаратуры. Было продемонстрировано, что анализ стекла обеспечивает превосходный потенциал распознавания, что делает его выдающимся инструментом для судебно-медицинской экспертизы.

Благодарность

Это публикация № 09-04 Лабораторного отдела Федерального бюро расследований. Имена коммерческих производителей приведены только для идентификации, и их включение не означает одобрения со стороны ФБР.

Ссылки

Abramowitz, M. Контрастные методы в микроскопии: проходящий свет . т. 2. Olympus Corporation, Нью-Йорк, 1987 год.

Аллен, Т. Дж. И Скрэйдж, Дж. К. Перенос стекла - Часть 1: Перенос стекла людям на разное расстояние, Forensic Science International (1998) 93: 167–174.

Аллен, Т.Дж., Кокс, А.Р., Бартон, С., Мессам, П., и Ламберт, Дж. А. Перенос стекла - Часть 4: Перенос осколков стекла с поверхности предмета лицу, несущему его, Криминалист. Science International (1998a) 93: 201–208.

Аллен Т. Дж., Хёфлер К. и Роуз С. Дж. Перенос стекла - Часть 2: Исследование передачи стекла человеку различными методами, Forensic Science International (1998b) 93: 175–193.

Аллен, Т.Дж., Хефлер, К., и Роуз, С.Дж. Передача стекла - Часть 3: Передача стекла от зараженного человека другому незагрязненному человеку во время поездки в автомобиле, Forensic Science International (1998c) 93 : 195–200.

Альмиралл, Дж.R. Судебно-медицинский анализ стекла: обзор и новые разработки . Представлено на Международном симпозиуме по судебной экспертизе следов в переходный период, Сан-Антонио, Техас, 1996.

Американское общество по борьбе с преступностью Директора лабораторий / Совет по аккредитации лабораторий (ASCLD / LAB). Дополнительные требования к аккредитации лабораторий судебной экспертизы и калибровки . ASCLD / LAB, Роли, Северная Каролина, 2006.

ASTM International. ASTM C162-05 Стандартная терминология стекла и изделий из него . ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания. Доступно: http://www.astm.org/Standards/C162.htm.

ASTM International. ASTM C729-05 Стандартный метод определения плотности стекла с помощью компаратора «раковина-поплавок» . ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания. Доступно: http://www.astm.org/Standards/C729-05.htm.

ASTM International. ASTM C1036-06 Стандартные спецификации для плоского стекла .ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания. Доступно: http://www.astm.org/Standards/C1036.htm.

ASTM International. ASTM E1967-98 (2003) Стандартный метод испытаний для автоматического определения показателя преломления образцов стекла с использованием метода масляной иммерсии и фазово-контрастного микроскопа . ASTM International, Западный Коншохокен, Пенсильвания. Доступно: http://www.astm.org/Standards/E1967.htm.

Андраско, Дж. И Мейли, А.С. Различение образцов оконного стекла путем комбинирования физических и химических методов, Journal of Forensic Sciences (1978) 23: 250–262.

Арбаб, М., Шелестак, Л. Дж., И Харрис, С. С. Изделия из плоского стекла с добавленной стоимостью для строительства и транспортных рынков, часть 1, Бюллетень Американского керамического общества (2005) 84: 30–35.

Аррибарт, Х. и Абриу, Д. Использование атомно-силовой микроскопии для исследования стеклянных поверхностей: Часть 1, Исследователь стекла: Бюллетень стекольной науки и инженерии (1999) 9:10.

Ассоциация официальных химиков-аналитиков (AOAC). Метод 973.65, характеристика и сопоставление осколков стекла: Дисперсионная микроскопия (метод двойных вариаций).В: Официальные методы анализа Ассоциации официальных химиков-аналитиков. т. 1, 15 изд. AOAC, Гейтерсбург, Мэриленд, 1990.

Баттен, Р. А. Неопубликованный отчет. Результаты экспериментов по разбиванию окон в Бирмингемской лаборатории . Техническая нота № 694 . Служба судебной медицины, Бирмингем, Англия, 1989.

Беверидж А. Д. и Семен К. Измерение плотности стекла с помощью вычислительного цифрового плотномера, Журнал канадского общества судебной экспертизы (1979) 12: 113–116.

Блосс, Ф. Д. Введение в методы оптической кристаллографии . Холт, Райнхарт и Уинстон, Нью-Йорк, 1961.

Боттрелл М.С., Уэбб Дж. Б., Бускаглия Дж. И Кунс Р. Д. Распределение концентраций элементов в отдельных листах флоат-стекла. Представлено на ежегодном собрании Американской академии судебных наук, Сан-Антонио, февраль 2007 г.

Бойд Д. К., Дэниелсон П. С. и Томпсон Д. А. Гласс. В: Кирк-Отмер Энциклопедия химической технологии. 4-е изд., Т. 12. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1994.

.

Бравман, Дж. К. и Синклер, Р. Подготовка образцов поперечного сечения для просвечивающей электронной микроскопии, Journal of Electron Microscopy Technique (1984) 1: 53–61.

Карр, Д. Д., Ред. Промышленные полезные ископаемые и горные породы . 6-е изд. Общество горного дела, металлургии и разведки, Литтлтон, Колорадо, 1994.

Кассиста, А. Р. и Сандеркок, П. М. Л. Точность измерений показателя преломления стекла: методы изменения температуры и двойного изменения, а также значение дисперсии, Канадский Общество судебной медицины, журнал (1994) 27: 203–208.

Каттерик, Т. и Хикман, Д. А. Количественный анализ стекла с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой: обзор пяти элементов, Forensic Science International (1981) 17: 253–263.

Коулман Р. Ф. и Гуд Г. С. Сравнение фрагментов стекла нейтронно-активационным анализом, Журнал радиоаналитической химии (1973) 15: 367–388.

Corning, Incorporated, Специальное стекло и стеклокерамические материалы .Corning, Incorporated, Корнинг, Нью-Йорк, 1998.

Кокс, А. Р., Аллен, Т. Дж., Бартон, С., Мессам, П., и Ламберт, Дж. А. Неопубликованный отчет. Стойкость стекла. Часть 1: Влияние типа одежды и деятельности . Отчет ФСС № 776. Судебно-медицинская служба, Бирмингем, Англия, 1996a.

Кокс, А. Р., Аллен, Т. Дж., Бартон, С., Мессам, П., и Ламберт, Дж. А. Неопубликованный отчет. Стойкость стекла. Часть 2: Влияние размера фрагмента . Отчет ФСС №777 рублей. Служба судебной медицины, Бирмингем, Англия, 1996b.

Кокс, А. Р., Аллен, Т. Дж., Бартон, С., Мессам, П., и Ламберт, Дж. А. Неопубликованный отчет. Стойкость стекла. Часть 3: Влияние формы фрагмента . Отчет ФСС № 778. Судебно-медицинская служба, Бирмингем, Англия, 1996c.

Карран, Дж. М., Хикс, Т. Н., Уолш, К. А. и Баклтон, Дж. С. Судебная интерпретация стеклянных доказательств . CRC Press, Бока-Ратон, Флорида.

Курран, Дж.М., Триггс, К. М., Алмирал, Дж. Р., Баклтон, Дж. С. и Уолш, К. А. Дж. Интерпретация измерений элементного состава на основе судебных стеклянных доказательств: I, Science & Justice (1997) 37: 241–244.

Dabbs, MDG, German, B., Pearson, EF, and Scaplehorn, AW Использование масс-спектрометрии с искровым источником для анализа осколков стекла, встречающихся в судебно-медицинских исследованиях, часть 2, Journal of the Forensic Science Society (1973) 13: 281–286.

Дэвис, М.М., Дадли, Р. Дж., И Смоллдон, К. Исследование показателей преломления объема и поверхности для плоских оконных стекол, узорчатых оконных стекол и ветровых стекол, Forensic Science International (1980) 16: 125–137.

Дэвис Р. Дж. И ДеХанн Дж. Д. Обзор мужской обуви, Журнал Общества судебной медицины (1977) 17: 271–285.

Де Роса, Р. Л. и Кондрат, Р. А. Старшие, исследования инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье для покрытий, Исследователь стекла: Бюллетень стекольной науки и техники (1999) 9: 7–8.

Doyle, P.J., Ed. Производство стекла сегодня: введение в современную практику производства стекла . Издательство Р. А. Н., Мариетта, Огайо, 1994.

Эммонс, Р. К. Метод двойной дисперсии для определения минералов, Американский минералог (1928) 10: 504–515.

Федеральное бюро расследований. Лабораторный отдел. Подразделение по отслеживанию доказательств: процедуры рассмотрения и рассмотрения дел. В: Руководство по обеспечению качества для отдела сбора доказательств .Лаборатория ФБР, Куантико, Вирджиния, 10 июля 2006 г.

Федеральное бюро расследований. Лабораторный отдел. Практика просмотра отчета экспертизы. В: Руководство по эксплуатации лаборатории ФБР . редакция 2. Лаборатория ФБР, Куантико, Вирджиния, 23 апреля 2007 г.

Francis, K. Неопубликованный отчет. Образец обратной фрагментации стекла в результате удара огнестрельного снаряда . Федеральная полиция Австралии, 1993 г.

Геммологический институт Америки (GIA).Имитации (от полупрозрачных до непрозрачных): стекло и пластик; халцедон, жадеит и ляпис; жемчуг и прочая органика. В: GIA Gem Identification . Геммологический институт Америки, Карлсбад, Калифорния, 1996 г., стр. 1–19.

Геммологический институт Америки (GIA). GIA Руководство лаборатории идентификации драгоценных камней. 4-е изд. Геммологический институт Америки, Карлсбад, Калифорния, 1998.

Гринман, М. В поисках энергоэффективности, Бюллетень Американского керамического общества (2008) 87:15.

Гуттман П. Оценка сырья для партии, Исследователь стекла: Бюллетень стекольной науки и техники (1996) 5: 5–6.

Харрисон П. Х. Неопубликованный отчет. Распределение показателя преломления осколков стекла, найденных на обуви . Служба судебной медицины, Бирмингем, Англия, 1978 год.

Харрисон П. Х., Ламберт Дж. А. и Зоро Дж. А. Обзор осколков стекла, обнаруженных с одежды лиц, подозреваемых в причастности к преступлению, Forensic Science International (1985) 27: 171–187.

Хэтч Ф. Х., Уэллс А. К. и Уэллс М. К. Учебник петрологии: Петрология магматических пород. том 1 . George Allen & Unwin Ltd, Лондон, Англия, 1972, стр. 241–247.

Хикман, Д. А. Схема классификации стекла, Forensic Science International (1981) 17: 265–281.

Хикман Д. А. Элементный анализ и различение образцов листового стекла, Forensic Science International (1983) 23: 213–223.

Хикман, Д. А. Типы стекла, идентифицированные химическим анализом, Forensic Science International (1987) 33: 23–46.

Хикман Д. А., Харботтл Г. и Сэйр Э. В. Выбор лучших элементных переменных для классификации образцов стекла, Forensic Science International (1983) 23: 189–212.

Хикс Т., Ванина Р. и Марго П. Перенос и стойкость осколков стекла на одежде, Наука и правосудие (1996) 36: 101–107.

Хефлер К., Германн П. и Хансен К. Исследование стойкости осколков стекла на одежде после разбития окна. Представлено на симпозиуме Австралийско-Новозеландского общества судебной медицины, Окленд, Новая Зеландия, 1994.

Howden, C. R., German, B., и Smalldon, K. W. Определение железа и магния в небольших стеклянных фрагментах с помощью беспламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии, Journal of the Forensic Science Society (1977) 17: 153–159.

Хьюз Дж. К., Каттерик Т. и Саутхард Г. Количественный анализ стекла с помощью атомно-абсорбционной спектроскопии, Forensic Science (1976) 8: 217–227.

Hurlbut, C. S. Jr. и Klein, C. Руководство по минералогии (по Джеймсу Д. Дане) . 19 изд. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1977 г.

Международное сотрудничество по аккредитации лабораторий (ILAC). ILAC-G19: 2002. В: Руководство для лабораторий судебной экспертизы . Международное сотрудничество по аккредитации лабораторий, Австралия, 2002 г.

Международная организация по стандартизации / Международная электротехническая комиссия (ISO / IEC). ISO / IEC 17025 - Общие требования к компетенции испытательных и калибровочных лабораторий . Международная организация по стандартизации / Международная электротехническая комиссия, Женева, Швейцария, 2005 г.

Керр П.Ф. Оптическая минералогия . 3-е изд. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 1959.

Найт, М.А. Плотность стекла методом осаждения: устройство с водяной баней для контроля производства на стекольных заводах, Журнал Американского керамического общества (1945) 28: 297–302.

Кунс, Р. Д. и Бускаглия, Дж. Судебная значимость определения состава стекла и измерения показателя преломления, Journal of Forensic Sciences (1999) 44: 496–503.

Кунс Р. Д. и Бускаглия Дж. Интерпретация измерений состава стекла: влияние критериев соответствия на способность распознавания, Journal of Forensic Sciences (2002) 47: 505–512.

Кунс, Р. Д., Бускаглия, Дж., Боттрелл, М., и Миллер, Э. Т. Криминалистические сравнения стекла.В: Справочник по судебной медицине. Т. I, 2-е изд. Ричард Сэферштейн, Эд. Прентис Холл, Аппер Сэдл Ривер, Нью-Джерси, 2002, стр. 161–213.

Кунс Р. Д., Фидлер К. и Раволт Р. С. Классификация и различение листовых и контейнерных стекол с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и распознавания образов, Journal of Forensic Sciences (1988) 33: 49–67.

Koons, RD, Peters, CA, and Rebbert, PS Сравнение показателя преломления, энергодисперсионной рентгеновской флуоресценции и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой для судебной характеристики фрагментов листового стекла, Journal of Analytical Atomic Spectrometry (1991) 6 : 451–456.

Ламберт, Дж. А., Саттертуэйт, М. Дж., И Харрисон, П. Х. Обзор осколков стекла, извлеченных из одежды лиц, подозреваемых в причастности к преступлению, Science and Justice (1995) 35: 273–281.

Latkoczy, C., Becker, S., Dücking, M., Günther, D., Hoogewerff, J. A., Almirall, J. R. et al. Разработка и оценка стандартного метода количественного определения элементов в образцах флоат-стекла с помощью LA-ICP-MS, Journal of Forensic Sciences (2005) 50: 1327–1341.

Лау, Л., Беверидж, А. Д., Каллоухилл, Британская Колумбия, Коннерс, Н., Фостер, К., Гровс, Р. Дж., Охаши, К. Н., Самнер, А. М., и Вонг, Х. Частота появления краски и стекла на одежда старшеклассников, Журнал канадского общества судебной экспертизы (1997) 30: 233–240.

Ллойд, Дж. Б. Ф. Флуоресцентная спектрометрия в идентификации и различении плавающих и других поверхностей на оконных стеклах, Journal of Forensic Sciences (1981) 26: 325–342.

Локк, Дж. Новые разработки в области судебной экспертизы стекла, Микроскоп (1984) 32: 1–11.

Локк, Дж. ГРИМ - полуавтоматическое устройство для измерения показателя преломления стеклянных частиц, Микроскоп (1985) 33: 169–178.

Локк, Дж. И Униковски, Дж. А. Разрушение плоского стекла - Часть 1: Размер и распределение частиц из простых стеклянных окон, Forensic Science International (1991) 51: 251–262.

Локк, Дж.и Униковски, Дж. А. Разрушение плоского стекла - Часть 2: Влияние параметров стекла на распределение частиц, Forensic Science International (1992) 56: 95–106.

Локк, Дж., Уинстэнли, Р., Рокетт, Л. А., и Райдард, К. Сравнение длинных и коротких графиков отжига стеклянных частиц, Forensic Science International (1985) 29: 247–258.

МакКрон, В. К. и Хадсон, В. Аналитическое использование разделения градиента плотности, Journal of Forensic Sciences (1969) 14: 370–384.

МакКрон, У. К., МакКрон, Л. Б., и Делли, Дж. Г. Микроскопия в поляризованном свете . McCrone Research Institute, Чикаго, Иллинойс, 1997 г., стр. 169–196.

Маккуиллан, Дж. И Эдгар, К. А. Исследование распределения стекла на одежде, Журнал Общества судебной медицины (1992) 32: 333–348.

Маккуиллан Дж. И Маккроссан С. Неопубликованный отчет. Частота появления осколков стекла в образцах волос на голове - экспериментальное исследование .Лаборатория судебной медицины Северной Ирландии, Белфаст, Ирландия, 1987 г.

Misture, S. T. Рассеяние рентгеновских лучей, используемое для характеристики поверхностей и тонких пленок, The Glass Researcher: Bulletin of Glass Science and Engineering (1999) 9: 5,19.

Моенке-Бланкенбург, Л., Шуман, Т., Гюнтер, Д., Кусс, Х.-М., и Пауль, М. Количественный анализ стекла с использованием атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, лазерный микроанализ индуктивно Атомно-эмиссионная спектрометрия со связанной плазмой и масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой с лазерной абляцией, , Журнал аналитической атомной спектрометрии, (1992) 7: 251–254.

Нельсон Д. Ф. и Ревелл Б. С. Обратная фрагментация от разбитого стекла, Журнал Общества судебной медицины (1967) 17: 58–61.

Нессе, В. Д. Введение в оптическую минералогию . Oxford University Press, Нью-Йорк, 1986, стр. 25–26.

Parouchais, T., Warner, I.M, Palmer, L.T. и Kobus, H. Анализ небольших фрагментов стекла с использованием масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, Journal of Forensic Sciences (1996) 41: 351–360.

Пирсон, Э. Ф., Мэй, Р. У. и Даббс, М. Д. Г. Фрагменты стекла и краски, обнаруженные в верхней мужской одежде - Отчет об исследовании, Journal of Forensic Sciences (1971) 16: 283–300.

Петтерд, К.И., Хамшер, Дж., Стюарт, С., Бринч, К., Маси, Т., и Ру, К. Частицы стекла в одежде представителей общественности на юго-востоке Австралии - обзор, Forensic Science International (1999) 103: 193–198.

Постек, М. Т., Ховард, К. С., Джонсон, А.Х. и Мак-Майкл, К. Л. Сканирующая электронная микроскопия: Справочник студента . Ladd Research Industries, Inc., США, 1980, стр. 7.

фунтов, К. А. и Смоллдон, К. В. Распределение осколков стекла перед разбитым окном и передача фрагментов лицам, стоящим поблизости, Журнал Общества судебной медицины (1978) 18: 197–203.

Рив В., Матизен Дж. И Фонг У. Элементный анализ с помощью энергодисперсионного рентгеновского излучения: важный фактор в судебно-медицинской экспертизе стекла, Journal of Forensic Sciences (1976) 21: 291–306.

Ру К., Кирк Р., Бенсон, С., Ван Харен, Т. и Петтерд, К. И. Стеклянные частицы в обуви представителей общественности на юго-востоке Австралии - исследование, Forensic Science International ( 2001) 116: 149–156.

Риланд, С. Г. Лист или контейнер? - Судебные сравнения стекла с акцентом на классификации источников, Journal of Forensic Sciences (1986) 31: 1314–1329.

Sandercock, P.M.L. Соображения о размере образца для контрольного стекла в корпусе, Canadian Society of Forensic Science Journal (2000) 33: 173–185.

Шмитт Р. А. и Смит В. Определение происхождения стекла с помощью нейтронно-активационного анализа в судебном деле, Journal of Forensic Sciences (1970) 15: 252–260.

Научная рабочая группа по анализу материалов (SWGMAT). Элементный анализ стекла, Forensic Science Communications [Online]. (Январь 2005а).

Научная рабочая группа по анализу материалов (SWGMAT). Определение плотности стекла, Forensic Science Communications [Online].(Январь 2005b).

Научная рабочая группа по анализу материалов (SWGMAT). Разломы стекла, Forensic Science Communications [Online]. (Январь 2005c).

Научная рабочая группа по анализу материалов (SWGMAT). Определение показателя преломления стекла, Forensic Science Communications [Online]. (Январь 2005d).

Научная рабочая группа по анализу материалов (SWGMAT). Первичная экспертиза стекла, Forensic Science Communications .[Онлайн]. (Январь 2005e).

Научная рабочая группа по анализу материалов (SWGMAT). Руководство по отчетности экспертов, Forensic Science Communications [Online]. (Январь 2009 г.).

Скуг Д. А. и Уэст Д. М. Принципы инструментального анализа . 2-е изд. Колледж Сондерса, Филадельфия, Пенсильвания, 1980 г., стр. 356.

Смоллдон, К. В. и Браун, К. Различительная способность плотности и показателя преломления для оконного стекла, Журнал Общества судебной медицины (1973) 13: 307–309.

Stoecklein, W. Флуоресценция в стекле . Представлено на Международном симпозиуме по судебно-медицинской экспертизе следов в переходный период, Сан-Антонио, Техас, 24–28 июня 1996 г.

Стойбер, Р. Э. и Морс, С. А. Микроскопическая идентификация кристаллов . R. E. Krieger Publishing, Малабар, Флорида, 1981.

Терри К. В., ван Риссен А. и Ваулс Д. Дж. Элементный анализ стекол с помощью SEM, микрон (1982) 13: 293–294.

Тули, Ф.V. Справочник по производству стекла . т. I. Книги для промышленности, Нью-Йорк, 1974.

.

Андерхилл, М. Множественный показатель преломления в флоат-стекле, Журнал Общества судебной медицины (1980) 20: 169–176.

Министерство транспорта США. Стандарты безопасности автотранспортных средств, материалы для остекления , 49 CFR 571.205.

Варшнея А.К. Основы неорганических стекол . Академик Пресс, Бостон, Массачусетс, 1994.

Уолш, К. А. Дж. И Баклтон, Дж. С. Практический пример интерпретации стеклянных доказательств, Science & Justice (1996) 36: 213–218.

Уильямс, Х., Тернер, Ф. Дж., И Гилберт, К. М. Петрография: Введение в изучение горных пород в тонком разрезе , У. Х. Фриман и компания, Нью-Йорк, 1982, стр. 185–187.

Вольник, К. Л., Гастон, К. М., и Фрике, Ф. Л. Анализ стекла в исследованиях фальсификации продукта с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и резаком, устойчивым к фтористоводородной кислоте, Journal of Analytical Atomic Spectrometry (1989) 4: 27–31.

Зоро, Дж. А. и Фередей, М. Дж. Неопубликованный отчет. Отчет по исследованию воздействия разбития стекла на людей . Отчет CRE № 458. Центральное научно-исследовательское учреждение, Служба судебной медицины, Рединг, Англия, 1982 год.

Zurhaar, A. и Mullings, L. Характеристика образцов стекла для судебной экспертизы с использованием масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, Journal of Analytical Atomic Spectrometry (1990) 5: 611–617.

Лаборатория 10 - Отражение и преломление

Введение

Геометрическая оптика - один из старейших разделов физики, изучающий законы преломления и отражения.Закон отражения был известен древним грекам, которые проводили измерения, подтверждающие этот закон. Однако закон преломления не был сформулирован математически почти 1500 лет спустя. Формирование изображения линзами и зеркалами объясняется этими двумя законами. Линзы и зеркала являются основными компонентами многих распространенных оптических устройств, таких как камеры, телескопы, очки, бинокли и микроскопы. В геометрической оптике свет представлен как лучи, исходящие от источника света. Когда эти лучи встречаются, например, с зеркалом, линзой или призмой, они изгибаются или меняют направление.В этом эксперименте вы изучите, как ведут себя световые лучи из-за отражения и преломления от плоских поверхностей.

Обсуждение принципов

Отражение плоским зеркалом

Когда свет падает на поверхность, часть света отражается назад, а часть пропускается или поглощается. Плоское зеркало - это хорошо отполированная поверхность с минимальным поглощением или преломлением света. Почти весь свет отражается обратно. Из одного источника исходит множество лучей.Однако, анализируя поведение света с помощью лучевой модели, мы используем только один, два или три луча, чтобы показать путь лучей и формирование изображения. Они известны как лучевые диаграммы. Чтобы понять отражение с помощью лучевой модели, нам нужно сначала определить определенные термины. Падающий луч - это луч от источника света, падающий на плоское зеркало. Угол падения

θ i

- это угол между падающим лучом и нормалью (перпендикулярно) в точке падения.Отраженный луч - это путь луча после отражения от поверхности. Угол отражения

θ r

- это угол между отраженным лучом и нормалью в точке падения (см. Рис. 1). Стрелки указывают путь световых лучей.

Рисунок 1 : Отражение в плоском зеркале

Закон отражения для плоского зеркала гласит, что угол падения равен углу отражения.Закон отражения верен в каждой точке зеркала.

Преломление на плоской поверхности

Когда свет падает на границу между двумя оптическими средами, такими как воздух и стекло, часть его отражается на границе, а часть проходит сквозь нее и преломляется (изгибается), как показано на рис.2.

Рисунок 2 : Отражение и преломление света на границах воздух-стекло и стекло-воздух

Когда свет распространяется из одной среды в другую, луч отклоняется к нормали во второй среде или от нее.В какую сторону и насколько он изгибается, зависит от оптической плотности материала или среды, определяемой показателем преломления n среды. Идеальный вакуум имеет показатель преломления 1,00. Воздух из-за своей низкой плотности имеет показатель преломления, близкий к 1,00, и в этой лаборатории он будет приблизительно равен 1,00. Типичный показатель преломления для стекла составляет 1,5, но его значение значительно зависит от типа стекла. Когда свет переходит из более редкой среды в более плотную среду

(n 1 n 2 )

, он изгибается в сторону нормали.Угол преломления

θ 2

во второй среде будет меньше угла падения

θ 1

в первой среде. С другой стороны, когда свет переходит из более плотной среды в более редкую среду

(n 1 > n 2 ),

он отклоняется от нормального. На рис. 2 свет проходит из воздуха в стекло, а затем выходит обратно в воздух. Здесь

n 1 n 2

и, следовательно, преломленный луч отклоняется к нормали.Этот преломленный луч теперь выходит из стекла (более плотная среда) в воздух (более редкая среда) и поэтому отклоняется от нормального. Угол

θ 2

между преломленным лучом и нормалью называется углом преломления . Закон преломления определяется законом Снеллиуса, который математически сформулирован как

(2)

n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2

где нижние индексы относятся к двум средам.В случае рефракции на второй границе закон Снеллиуса можно записать в виде

(3)

n 2 sin θ 2 = n 3 sin θ 3 .

Если

n 3

равно

n 1

, как на рис.2, то

θ 3

будет равно

θ 1

и уравнение. (3)

n 2 sin θ 2 = n 3 sin θ 3 .

по существу то же самое, что и формула. (2)

n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2

. Также обратите внимание, что выходящий луч параллелен падающему лучу, но смещен вбок вправо. Если поверхность не сильно отполирована, часть света, падающего на поверхность, будет отражаться, а часть - преломляться. На рис. 3 падающий луч отражается от передней и задней поверхностей стеклянной пластины. Расстояние между двумя отраженными лучами будет зависеть от толщины плиты t и угла падения.

Рисунок 3 : Эскиз, показывающий путь лучей через стеклянную пластину

Рисунок 4 : Эскиз, показывающий геометрию установки

На рис. 4 показана часть стеклянной пластины и геометрия, необходимая для получения соотношения между d и t . Угол ABD = CBD =

θ 2 .

ADB - прямоугольный треугольник и, следовательно, имеем Углы отражения и падения

θ 1

и

θ r

равны, поэтому угол CAE = 90 - θ 1 .Из этого следует, что в прямоугольном треугольнике AEC угол ACE =

θ 1 ,

, что дает нам Комбинируя уравнение. (4)

tan θ 2 = AD / BD.

и уравнение. (5)

, получаем

Цель

Целью этого эксперимента является изучение пути световых лучей из-за отражения и преломления на плоских поверхностях и проверка закона отражения в плоском зеркале и закона преломления Снеллиуса.

Оборудование

  • Стеклянная тарелка
  • Лазер
  • Оптическая скамья
  • штангенциркуль
  • Угловой переводчик
  • Вращательный этап

Процедура

Распечатайте лист для этой лабораторной работы.Этот лист понадобится вам для записи ваших данных.

Описание аппарата: Лазер

Мы будем использовать гелий-неоновый лазер с длиной волны 632,8 нм. Выходная мощность лазера составляет менее 1 мВт, поэтому его нельзя использовать для прожигания отверстий в листах бумаги. Тем не менее, он достаточно яркий, поэтому при взгляде на него можно повредить глаза.

Внимание:
НЕ СМОТРИТЕ НА ЛАЗЕР ИЛИ ЕГО ОТРАЖЕНИЕ.

Обычно снимают кольца, часы и другие блестящие предметы, чтобы предотвратить случайные отражения.Лазер становится более стабильным после того, как он прогреется в течение нескольких минут, поэтому держите его включенным, пока не завершите эксперимент. Тем не менее, лучше закрыть шторку, когда лазерный луч не используется.

Описание аппарата: оптическая скамья

У оптической скамейки есть шкала вдоль одного края - этот край должен быть обращен к вам. Задний край скамейки немного приподнят и должен использоваться для выравнивания всего, что находится на скамейке. Ко всему оптическому оборудованию (лазеру, держателям компонентов, угловому преобразователю) прикреплены металлические полоски, поэтому они будут прилипать к намагниченной поверхности стенда.На рис. 5 представлена ​​фотография оптической скамьи.

Рисунок 5 : Оптический стол

Описание аппарата: угловой переводчик

Угловой преобразователь используется для юстировки оптических компонентов с точностью до одного градуса. Верхняя поверхность вращается, так что объект можно перемещать под определенным углом. У переводчика также есть «подставка для столика», которая вращается вокруг переводчика. Этот «держатель для сцены» будет использоваться для хранения весов. На фотографиях ниже представлены два вида переводчика и постановщика сцены.

Рисунок 6 : Угловой преобразователь

, вид сбоку и сверху

Регулировка аппарата

1

Установите лазер на правом конце оптического стенда, а вращающийся столик на левом конце стенда так, чтобы отметка 0 ° была направлена ​​к лазеру. Убедитесь, что оба оборудования находятся заподлицо с приподнятым задним краем скамейки.

2

Поворачивайте ротационный столик, пока стрелка не покажет ровно 0 °.

3

Разместите стеклянную пластину на предметном столике так, чтобы лазерный луч отражался от передней поверхности пластины прямо обратно на лицевую сторону лазера.Стеклянная пластина должна быть расположена так, чтобы ее передняя поверхность находилась прямо над центральной точкой (точкой поворота) сцены. Это гарантирует нам, что лазерный луч всегда будет попадать на стеклянную пластину в том же месте, в котором вы вращаете столик (см. Рис. 7).

Рисунок 7 : Стеклянная пластина на вращающейся поверхности, вид сбоку и сверху

4

Теперь, если вращающийся столик повернуть, угол между лазерным лучом и нормалью к стеклянной пластине будет углом, указанным стрелкой на столике - это угол падения.Когда столик установлен на 0 °, лазерный луч должен отражаться обратно на лазер. После того, как устройство выровнено, вы не должны изменять положение лазера или положение стеклянной пластины на вращающемся столике. На рис. 8 показана стеклянная пластина, повернутая на угол

θ .

Красная линия указывает путь света от лазера, а зеленая линия показывает положение нормали к пластине.

Рисунок 8 : Фотография, показывающая вращение стеклянной пластины

5

Установив столик на 0 °, поверните держатель экрана на 180 °.

6

Поместите экран на держатель экрана и расположите экран так, чтобы лазерный луч, проходящий через стеклянную пластину, попадал на экран в центральной точке шкалы. После этого начального позиционирования дальнейшая регулировка экрана не производится.

Процедура A: Измерение угла отражения

7

Установите поворотный столик на желаемый угол падения

θ i

, как описано в шаге 4, и запишите это значение в таблице данных 1 на рабочем листе.

8

Теперь поверните держатель экрана, пока лазерный луч, отраженный от передней поверхности стеклянной пластины, не попадет на экран в центральной точке шкалы.

9

Угол отражения - это угловое положение держателя экрана за вычетом углового положения поворотного столика. Измерьте и запишите угол отражения

θ r

для отражений от поверхности стеклянной пластины.

10

Повторите шаги с 7 по 9, изменив

θ i

с шагом 10 ° с обеих сторон лазерного луча.

11

С помощью Excel постройте график зависимости угла отражения

θ r

от угла падения

θ i .

См. Приложение G.

12

Смоделируйте свои результаты как

θ r = m θ i + b

и используйте функцию linest в Excel для определения m и b . См. Приложение J.

Контрольная точка 1:
Попросите своего технического специалиста проверить значения в таблице, график и расчеты.

Процедура B: Измерение показателя преломления

13

Измерьте толщину t пластины штангенциркулем и запишите ее в Таблицу данных 2 на рабочем листе.

14

По возможности используйте те же значения для

θ 1

, что и для

θ i

в Процедуре A. Убедитесь, что вы используете углы падения с обеих сторон лазерного луча.

15

Повторите шаги с 7 по 10, но на этот раз запишите

θ 1 , d и θ 2

в таблице данных 2. Напомним, что d - это расстояние между двумя отраженными лучами. Две красные точки на шкале, установленной на держателе предметного столика (см. Рис. 9), соответствуют изображениям двух отраженных лучей.

Рисунок 9 : Фотография, показывающая два отраженных изображения на шкале

16

Используйте уравнение.(6) и ваши экспериментальные данные для расчета

sin θ 2

для каждого угла падения и введите эти значения в Таблицу данных 2.

17

С помощью Excel построите график

sin θ 1

против

sin θ 2 ,

и определите наклон графика с помощью функции linest.

18

По наклону определяют показатель преломления пластины.

19

Вычислите погрешность в процентах между экспериментальным значением и принятым значением

n glass = 1.54.

Checkpoint 2:
Попросите своего технического специалиста проверить значения в таблице, график и расчеты.

Copyright © 2012 Advanced Instructional Systems, Inc. и Государственный университет Северной Каролины | Кредиты

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *