Определение величины удельного вращения раствора сахара в воде.

3.1. Вылить воду из кюветы и наполнить ее раствором сахара с наименьшей концентрацией. Вставить кювету в поляриметр и вновь уравновесить яркости полей сравнения. Оценить угол поворота θ плоскости вращения в. Для этого определить на сколько градусов относительно нулевого отсчета лимба повернется шкала, а затем по штрихам лимба, лучше всего совпадающим с любым делением круговой шкалы, отсчитать доли градуса. Цена деления отсчетного устройства 0,02°. Измерение угла поворота в выполнить не менее трех раз и среднее арифметическое значение в записать в таблицу, учтя нулевой отсчёт поляриметра из 1.3.

Вылить содержимое кюветы в соответствующий по концентрации сосуд.

3.2. Последовательно увеличивая концентрацию раствора сахара, провести измерения угла поворота в для всех имеющихся в наборе растворов. Результаты измерении записать в таблицу.

l	C, %	θ

 

3.3. Построить градуировочный график зависимости угла поворота θ от концентрации раствора C. По наклону кривой графика определить величину у дельного вращения (в град/мм).

3.4. Для каждой концентрации раствора вычислить по формуле (4) и занести в таблицу величину удельного вращения . Найти среднее арифметическое значение и абсолютную погрешность измерения. Сравнить величины , определенные двумя способами.

4*. Определение неизвестной концентрации раствора сахара C_x.

4.1. Заполнить кювету на 2/3 длины раствором сахара неизвестной концентрации. Выполнить измерение угла поворота θ

4.2. По градуировочному графику определить неизвестную концентрацию раствора C_x.

5*. Изучение зависимости угла вращения плоскости поляризации раствора сахара от размеров кюветы (т.е. от длины пути, проходимого светом в активном веществе).

5.1. Взять раствор сахара с произвольной концентрацией. Последовательно наполнить раствором кюветы различной длины (l = 1 см, 3 см, 5 см). Выполнить измерения угла поворота плоскости поляризации в с учетом нулевого отсчета. Результаты измерений представить в виде таблицы.

5.2. Построить график зависимости θ от l. Убедиться в справедливости формулы (4).

6*. Определение угла вращения плоскости поляризации активной жидкости в круглой кювете.

6.1. Установить кювету с жидкостью в поляриметр. Проследите, чтобы пузырек воздуха оказался в изгибе кюветы и находился дальше от источника света. Определите угол вращения плоскости поляризации θ.

6.2. Вычислите вращательную способность единицы длины активной жидкости . Длина l указана на кювете.

7*. Изучение вращения плоскости поляризации пластинкой кристалла кварца.

7.1. Установите держатель с пластинкой в поляриметр.

7.2. Измерьте величину угла поворота плоскости поляризации θ.

7.3. Оцените толщину пластинки кварца l в месте прохождения поляриметра, используя полученные результаты и формулы (2) и (3).

 

Контрольные вопросы

1. Что такое свет по современным представлениям? Дайте определение, напишите формулы, изобразите на чертеже электромагнитную волну.

2. Поляризация света. Как получить поляризованный свет?

3. Линейная, круговая и эллиптическая поляризации света.

4. Вращение плоскости поляризации света твердыми веществами и растворами. Как можно объяснить это явление?

5. Расскажите о молекулярных и кристаллических оптически активных веществах. Почему они обладают способностью вращения плоскости поляризации?

6. В чем заключается суть метода поляриметрии?

 

Список литературы

 

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т. 2.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-маг. лит., 1978.-480с.

2. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике,- М.:

Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1979.- 944 с.

3. Жевандров Н.Д. Анизотропия и оптика.- М.: Наука. 1974.-348с.

4. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.-М.: Высш. шк., 1994.-542с.

 

Приложение 1

 

Пусть свет проходит в веществе некоторый путь x. Результирующий вектор напряженности повернется на некоторый угол θ, который зависит от разности фаз двух волн с правой и левой круговой поляризацией:

,

(1.1)

 

здесь и — фазы волн с соответствующей поляризацией.

В соответствии с формулой (1) и выражением для волновою числа можно записать:

,

(1.2)

 

Приняв, что , где l — длина пути света в веществе, подставим выражения для и из (1.2) в формулу (1.1). При этом учтем, что и , где λ₀ — длина волны в вакууме. В результате получим

(1.3)

Формула (1.3) показывает, что для веществ, у которых , плоскость поляризации поворачивается вправо: . Если , плоскость поляризации поворачивается влево: .

 

 

Приложение 2

 

Измерение показателей преломления жидких и твердых тел с помощью рефрактометра Аббе.

 

Технический рефрактометр Аббе служит для быстрого и сравнительно глубокого измерения показателей жидких твердых тел.

Устройство рефрактометра Аббе основано на явлении полного внутреннего отражения.

Пусть луч света падает на границу двух сред со стороны оптически более плотной среды (n = n ₂). Для углов падения r, меньше некоторого ,свет частично проникает в оптически менее плотную среду (n = n ₁), а частично отражается. При преломленный луч отсутствует и наступает полное отражение. Предельный угол соответствует углу преломления , и следовательно,

(2.1)

Зная показатель преломления одной из сред и определяя на опыте предельный угол, можно с помощью (2.1) определить показатель преломления второй среды.

Пусть теперь свет падает на границу раздела с оптически менее плотной среды. В зависимости от угла падения луч во второй среде может представлять с нормалью углы, расположенные в интервале от нуля до , предельный угол преломления соответствует углу падения (скользящий луч). Легко видеть, что величина предельного угла и в этом случае определяется формулой (2.1).

При измерениях показателя преломления с помощью рефрактометра Аббе можно пользоваться как методом полного внутреннего отражения, так и методом скользящего луча.

Оптическая схема рефрактометра представлена на рис. 1‑1.

Основной его частью являются две стеклянные прямоугольные призмы P ₁ и P ₂, изготовленные из стекла с большим показателем преломления. В разрезе призмы имеют вид прямоугольных треугольников, обращенных друг к другу гипотенузами, зазор между призмами имеет ширину около 0,1 мм и служит для помещения исследуемой жидкости.

Ход лучей при работе по методу скользящего луча изображен на рис. 1‑2. Свет проникает в призму P ₁ через грань ef и попадает в жидкость через матовую грань ed. Свет рассеянный матовой поверхностью, проходит слой жидкости и под всевозможными углами () падает на сторону ac призмы P ₂.

Скользящему лучу в жидкости () соответствует предельный угол преломления . Преломленные лучи с углами больше не возникают. В связи с этим угол i ₂ выхода лучей из грани ab может измениться лишь в интервале от некоторого значения до 90°.

Если свет, выходящий из грани ab, пропустить через собирающую линзу Л ₁, то в ее фокальной плоскости наблюдается резкая граница света и темноты. Граница рассматривается с помощью линзы Л ₂. Линзы Л ₁ и Л ₂ образуют зрительную трубу, установленную на бесконечность. В их общей фокальной плоскости расположен крест, образованный тонкими нитями. Положение границы в фокальной плоскости линз зависит от величины показателя преломления жидкости n ₁. Вращая трубу относительно призм, можно совмещать границу света и тени с крестом. В этом случае измерение показателя преломления сводится к измерению угла , образованного нормалью к грани ab и оптической осью зрительной трубы. В современных приборах труба укрепляется неподвижно, а оправа с призмами может поворачиваться. С оправой скреплен указатель, перемещающийся по лимбу. Лимб градуируется непосредственно в значениях показателя преломления.

При измерении показателя преломления жидкости методом полного внутреннего отражения призму P ₂ освещают со стороны грани bc (рис. 1‑3) через специальное отверстие в кожухе прибора. Грань bc делается матовой. Свет в этом случае падает на границу раздела ac под всевозможными углами. При наступает полное внутреннее отражение, при свет отражается лишь частично. В поле зрения трубы наблюдается при этом резкая граница света и полутени. Так как условия, определяющие величину предельного угла в методе скользящего луча и в методе полного отражения совпадают, положение линии раздела в обоих случаях так же оказывается одинаковым.

Заметим, что в методе полного внутреннего отражения можно измерять показатели преломления непрозрачных веществ в отличие от метода скользящего угла.

Рефрактометр Аббе можно использовать и для измерения показателей преломления твердых тел. И в этом случае применимы как метод скользящего луча, так и метод полного внутреннего отражения.

Исследуемый образец должен иметь плоскую полированную поверхность, этой поверхностью он прижимается к гипотенузе ас призмы P ₂ (призма P ₁ при этом отклоняется в сторону). Для обеспечения оптического контакта в зазор между соприкасающимися поверх­ностями вводится тонкий слой жидкости, показатель преломления n который удовлетво­ряет условию: . При выполнении этого условия наличие слоя жидкости не искажает результатов измерения. (Студентам предлагается самостоятельно разобраться в этом вопросе.) Обычно для создания оптического контакта используют монобромнафталин, показатель преломления которого для желтых линий натрия равен 1,66.

При работе по методу скользящего луча (рис. 1‑4) образец должен иметь боковую полированную поверхность, сквозь которую в нее проникает свет.

Изложенная теория рефрактометра Аббе, строго говоря, справедлива лишь в том случае, когда свет является монохроматическим. Дисперсия исследуемого вещества и стекла призм приводит к тому, что величина предельных углов и зависит от длины волны λ. При работе с белым светом, наблюдаемая граница света и темноты (или света и полутени) часто оказывается размытой и окрашенной. Для того чтобы получить и в этом случае резкое изображение, перед объективом трубы помещают компенсатор с переменной дисперсией. Компенсатор содержит две одинаковых дисперсионных призмы Амичи (призмы П₁ и П₂ (рис. 1‑1)), каждая из которых состоит из трех склеенных призм, обладающих различными показателями преломления и различной дисперсией. Призмы рассчитываются так, чтобы монохроматический луч с длинной волны λ_D = 5893 Å (среднее значение длины волны желтого дублета натрия) не испытывал отклонения. Лучи с другими длинами волн отклоняются в ту или иную сторону. Если положение призм соответствует рис. 1‑1, то дисперсия двух призм равна удвоенной каждой из них. При повороте одной из призм Амичи на 180º относительно другой (вокруг вертикальной оси) полная дисперсия компенсатора оказывается равной нулю, так как дисперсия одной из призм скомпенсирована другой. В зависимости от взаимной ориентации призм дисперсия компенсатора изменяется таким образом в пределах от нуля до удвоенного значения дисперсии одной призмы.

Для поворота призм относительно друг друга служит специальная рукоятка и система конических шестерен, с помощью которых призмы одновременно поворачиваются в противоположных направлениях. Вращая ручку компенсатора, следует добиваться того, чтобы граница света и тени в поле зрения стала достаточно резкой. Положение границы при этом соответствует длине волны λ_D для которой обычно и приводится значения показателя преломления n _D.

В некоторых случаях, в тех именно, когда дисперсия исследуемого вещества особенно велика, диапазон компенсатора оказывается недостаточным и четкой границы получить не удается. В этом случае рекомендуется устанавливать перед осветителем желтый светофильтр F.

Приступая к измерениям, необходимо прежде всего убедиться в правильной работе прибора. Такую проверку проще всего выполнить, измерив показатель преломления вещества с известным показателем преломления. Для этого к каждому прибору придается эталонная стеклянная пластинка с известным n _D. В правильности работы можно убедиться и в отсутствие такой пластинки, измеряя, например, показатель преломления дистиллированной воды, для которой (при T = 20° C) n _D = 1,33291. Если измерение дает другой результат, следует определить поправку к шкале.

При визуальном совмещении границы раздела света и тени с серединой креста нити наблюдатель, вообще говоря, допускает небольшие ошибки, в результате которых измерение значения для одного и того же вещества в разных опытах не вполне точно совпадают между собой (случайный разброс). Рекомендуется поэтому проводить в каждом случае несколько измерений показателя преломления и определить средние значения.

Литература

Кулаков Н. Н. "Руководство к практическим занятиям в физической лаборатории" стр. 125 -127.

Ландсберг Г. С. "Оптика" стр. 400 - 404.

Богданов Т. Н., Субботина Е. Л. "Руководство к практическим занятиям по физике"

 

Задача работы:

1) Ознакомиться с устройством рефрактометра РЛ и принципом работы.

2) Определить процентное содержание ряда растворов сахара.

 

Описания и инструкция пользования рефрактометром лабораторным типа "РЛ" изготовленным киевским заводом контрольно-измерительных приборов «Главпищемаш» МПГ СССР.

I. Характеристика

1. Тип: "РЛ" - рефрактометр лабораторный.

2. Назначение - рефрактометр "РЛ" предназначается для определения коэффициента преломления жидкостей и определения рефрактометрическим методом процентного содержания сахара в сахарных растворах.

3. Пределы измерения:

А) по шкале сухих веществ (по сахарозе в процентах) 0 ÷ 95.

Б) по шкале коэффициентов преломления 1,300 ÷ 1,540

4. Цена деления:

А) шкалы сухих веществ в интервалах –

От 0 до 50 0,2 %

От 50 до 95 0,1%

Б) шкалы коэффициентов преломления 1 10^-3

5. Максимальная средняя дисперсия измеренной жидкости, которая может компенсироваться прибором, составляет - 0,00905

6. Допустимая погрешность показаний:

А) шкалы сухих веществ ± 1 деление

Б) шкалы коэффициентов преломления ± 0,5 деления

7. Чувствительность прибора должна быть в пределах цены деления шкалы сухих веществ.

8. Температура градуировки прибора 20 °С.

9. Источник света - дневной свет или электролампа 70 ÷ 100 ватт

10. Габаритные размеры прибора в миллиметрах 178х218х412.

11. Вес прибора - 6 кг.

II. Описание прибора

Принцип действия рефрактометра основан на использовании явлений полного внутреннего отражения или преломления света.

Рефрактометры применяются в пищевой, химической, нефтяной и других отраслях промышленности.

Исследуемый раствор помещается в приборе между двумя призмами, изготовленными из оптического стекла с показателем преломления большим, чем у испытуемых растворов.

Лучи дневного или искусственного света при помощи зеркала 11 направляются в окно измерительной призмы (при исследовании темных и окрашенных растворов) или в окно осветительной призмы (при исследовании прозрачных растворов).

При переходе из среды с большим показателем преломления (стекла) в среду с меньшим показателем преломления (раствор) лучи, падающие под углами, большими угла полного внутреннего отражения — полностью отражаются, а лучи, падающие под меньшими углами — полностью преломляются и проходят в исследуемый раствор.

При наблюдении в зрительную трубу, расположенную за измерительной призмой, при установки оптической оси трубы, в области крайних пучков, прошедших в исследуемый раствор, поле зрения оказывается разделенным на две части - освещенную и темную. Причем положение темной линии раздела между освещенной и темной частями поля зрения находится в зависимости от показателя преломления испытуемого раствора.

Прибор имеет две шкалы, расположенные концентрично. Одна из них отградуирована по показателям преломления, другая в процентах сахара, содержащегося в одном растворе (по сахарозе).

Конструктивно прибор оформлен следующим образом. Корпус прибора (4), имеющий форму круглой коробки, укреплен на колонке (3), снабженной массивным основанием (2).

В верхней левой части корпуса помещена полная камера с осветительной и измерительной призмами.

Нижняя половина камеры с измерительной призмой жестко закреплена на корпусе, а верхняя половина камеры с осветительной призмой имеет возможность поворачиваться на шарнире (10) относительно измерительной призмы.

В корпусе укреплена ось рукоятки (6), с которой жёстко связан кронштейн и закреплённый на нём объектив, отражательная призма и сетка зрительной трубы (индекс). Окуляр зрительной трубы (5) укреплён непосредственно в теле рукоятки.

Для уничтожения дисперсии света перед объективом зрительной трубы в качестве компенсатора установлена призма прямого зрения, которая при помощи головки компенсатора (12) может вращаться вокруг своей оси. Отсчёт угла поворота компенсатора производится по шкале, нанесённой на секторе (18).

Между сеткой и окуляром зрительной трубы непосредственно на наружной крышке корпуса установлена плоскопараллельная стеклянная пластина (7), на которой по радиусу перемещения окуляра нанесены две шкалы: шкала показателей преломления и шкала процентного содержания сахара

Для поддержания постоянной температуры через полую камеру пропускается вода соответствующей температуры. Отсчет температуры воды производится по термометру (15), установленному в полой камере при помощи штуцера (14).

v. 1.1; 04.04.2005