Шайба Гартля. Описание и опыты

Ввиду распространенности шайбы Гартля в физических кабинетах и наличия ее в продаже — этот прибор преимущественно перед всеми остальными описывается наиболее подробно.

Шайба Гартля (рис. 180) состоит из прочной треногой подставки А; внутренний стержень В подставки делается выдвижным и при помощи зажимного винта С может быть закреплен на различной высоте. Эта высота подбирается так, чтобы средний горизонтальный луч, даваемый источником света, проходил через центр шайбы. На верху выдвижного стержня имеется горизонтальная муфта D, в которую входит ось, приделанная к центру шайбы; в противоположный конец оси ввинчен винт Е для предохранения оси от выскакивания из муфты (этот винт часто сам вывертывается во время опытов).

Вокруг этой оси шайбы свободно вращается поперечный стержень; он раздвоен на одном конце и поддерживает полукруглую ширму Н, на другом — имеет противовес в виде ручки К. В середине ширмы проделано несколько (7—9) горизонтальных щелей (рис. 181); каждая щель закрывается задвижкой в зависимости от числа отдельных лучей, нужных для опыта, вынимают соответствующее число задвижек.

Рис. 181. Щели с задвижками у шайбы Гартля

Сама шайба представляет собой металлический круг (d = 30 см), окрашенный белой краской. На круге проведены два взаимно перпендикулярных диаметра; один из них в виде двойной линии является основным и имеет на концах нулевые деления (в дальнейшем его будем называть „нулевым“); все углы отсчитываются от этого диаметра, поэтому зеркала и стекла на шайбе надо устанавливать так, чтобы главная оптическая ось (для плоского зеркала — нормаль) совпадали с нулевым диаметром.

К шайбе Гартля обычно прилагается следующий набор тел (рис. 182):
1) плоское зеркало;
2) цилиндрическое вогнутое зеркало;
3) цилиндрическое выпуклое зеркало (зеркала 2 и 3 часто бывают соединены вместе);
4) стекло в форме полукруга;

5) стекло в форме трапеции, дающее своими параллельными основаниями плоско-параллельную пластинку, а боковыми сторонами с большим основанием — две призмы с преломляющими углами в 45° и в 60°;
6) стекло, ограниченное выпуклыми цилиндрическими поверхностями— двояковыпуклая линза (наибольшая ширина 3 см);
7) стекло, ограниченное вогнутыми цилиндрическими поверхностями — двояковогнутая линза;

8) такое же стекло, как б, но большей ширины (4—4,5 см) — толстая линза;

9) стекло в форме прямоугольного равнобедренного треугольника — призма с полным внутренним отражением;
10) стекло в форме круга (модель капли).

Рис. 182. Набор принадлежностей к шайбе Гартля

Таков обычный состав набора (длина зеркал и стекол 8,5 — 9 см, толщина стекол 1,5 см). Набор стекол 4—10 продается отдельно от шайбы; качество зеркал и стекол (в отношении ровности и прозрачности), продающихся в настоящее время, оставляет желать лучшего.

Иногда к перечисленному набору добавляются стеклянные изогнутые палочки для полного внутреннего отражения и приспособления для опытов по поляризации света; эти дополнения упомянуты дальше.

Указанный набор при шайбе Гартля обладает одним существенным недостатком: в набор не входит сосуд для наблюдения преломления в жидкостях; такой сосуд прилагается к прибору Кольбе (рис. 190).

Все отдельные опыты с шайбой Гартля будут описаны в соответственных местах (рис. 231, 234, 260, 265, 266, 267, 268, 300, 303, 314, 343, 344, 345 и 351). Здесь же указывается общая установка, предшествующая всякому опыту.

Источник света должен давать горизонтальный пучок параллельных или слабо расходящихся лучей; пучок должен захватывать все щели ширмы, т. е. иметь поперечник около 8—9 см. В качестве источника чаще всего приходится применять проекционный фонарь с вольтовой дугой. Фонарь ставится на некотором расстоянии от шайбы, примерно около 1 м (рис. 183); такое расстояние выбирается в предположении, что пучок света все-таки является расходящимся.

Рис. 183. Основная установка шайбы Гартля и проекционного фонаря

Средний луч пучка должен идти на одном горизонтальном уровне с центром шайбы, поэтому соответственным образом подбирается высота фонаря и шайбы. Высоту шайбы можно менять в некоторых пределах с помощью выдвижного стержня В (рис. 180). Если этого оказывается недостаточно, приходится прибегать к подкладкам (в виде брусков, ящичков или скамеек). Установив шайбу на должной высоте, поворачивают ширму с открытой одной средней щелью (у ней вынута задвижка) так, чтобы луч света прошел через центр шайбы (рис. 184, 1). Наконец поворачивают шайбу вокруг ее оси в такое положение, чтобы луч света шел вдоль нулевого диаметра (рис. 184, 2).

Рис. 184. Основная установка шайбы Гартля: I—световой луч проходит через центр шайбы; II—световой луч направлен по нулевому диаметру

После этого, не трогая ширмы и шайбы, укрепляют на ней то или иное тело из набора (как надо укреплять, будет сказано при описании отдельных опытов) и приступают к самому опыту.

Во время опыта описанная установка часто нарушается по трем причинам:
1) сдвиг источника света (сгорание углей);
2) сдвиг ширмы;
3) поворот шайбы; два последних смещения часто вызываются требованием хода опыта. После сдвигов необходимо возвращаться к основной установке и во все время опыта за ней следить.

Изменение направления луча относительно тела (зеркала или стекла) производится тремя способами:
1) сдвигом одной ширмы, т. е. сдвигом щели вверх или вниз; этим достигается, что луч пойдет выше или ниже центра шайбы (рис. 185, 2);

2) поворотом одной шайбы (щель остается на прежнем месте); тогда луч будет попрежнему проходить через центр шайбы, но будет идти под некоторым углом к нулевому диаметру (рис. 185, 3); величину этого угла легко определить по угловым делениям, нанесенным на круге.

3) одновременным сдвигом и щели и шайбы; таким путем можно дать лучу любое направление относительно шайбы и укрепленного на ней тела; например можно направить луч параллельно нулевому диаметру на любом расстоянии от него (рис. 185, IV) или заставить луч пройти через любую нужную точку А шайбы (рис. 185, V).

Рис. 185. Установка шайбы Гартля для получения луча заданного любого направления: I—луч совпадает с нулевым диаметром; II—луч идет выше центра под углом к нулевому диаметру; III—луч проходит через центр под углом к нулевому диаметру; IV—луч идет параллельно нулевому диаметру; V—луч проходит через любую точку А

Для установки тел из набора на шайбе обычно нарисованы контуры тел (рис. 180) и проделаны отверстия для ввинчивания зажимных винтов (рис. 186). Однако не всегда положение контуров или отверстий для винта выбрано удачно; весьма часто приходится при установках совершенно не пользоваться нанесенными контурами; кроме того, очень часто нет отверстий для винта на тех местах, где следует укрепить тело, или сделанные отверстия не соответствуют размерам тела (например стекло не умещается между двумя винтами, или плохо держится при данном их положении), тогда приходится просверливать новые отверстия и нарезать в них нарезку.