§ 110, 112.
3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 45.
Лабораторная работа № 4–04
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ И ПОКАЗАТЕЛЯ
ПРЕЛОМЛЕНИЯ РАСТВОРОВ САХАРА РЕФРАКТОМЕТРОМ
Цель работы: изучить явление полного внутреннего отражения, изучить конструкцию рефрактометра и методику работы с ним, определить концентрацию и показатель преломления раствора сахара с помощью рефрактометра.
Приборы и принадлежности: рефрактометр, дистиллированная вода, исследуемые растворы.
Теория работы
Абсолютным
показателем преломления
n
среды называется физическая величина,
показывающая, во сколько раз скорость
света в вакууме больше скорости света
в данной среде:
,
гдес
скорость света в вакууме;
фазовая скорость света в среде.
Относительным
показателем преломления
n21
второй среды относительно первой
называется отношение фазовых скоростей
света 1
и 2
в первой и второй среде соответственно
(или абсолютных показателей преломления
n2,
n1
этих сред):
.
В соответствии с законом преломления
(законом Снеллиуса) на границе раздела
сред относительный показатель преломления
,
где– угол
падения в вакууме;угол преломления.
Для измерения показателя преломления света в твердых, жидких и газообразных средах применяется прибор, называемый рефрактометром. Определение показателя преломления жидких сред и концентрации растворов рефрактометром основано на явлении полного внутреннего отражения света.
Полное внутреннее отражение имеет место при переходе светового луча из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. Рассмотрим это явление подробнее. Пусть свет от источника S падает из среды 2, оптически более плотной, в среду 1, оптически менее плотную (n2 > n1), например, из воды в воздух
(рис. 1), причем 1, 2, пр – углы падения, 1, 2 , пр – углы преломления,
Рис. 1
и по закону преломления i< i, где i = 1, 2.
Легко видеть, что с увеличением угла падения i будет увеличиваться и угол преломления i . При некотором угле падения пр угол преломления пр станет равным 900, т. е. преломленный луч будет скользить вдоль границы раздела сред, не входя в первую среду.
Угол пр, соответствующий углу преломления пр= 900, получил название предельного угла падения. При падении света из более плотной среды 2 в менее плотную среду 1 под углом > пр свет полностью отражается назад во вторую среду по закону отражения, как, например, отразится луч L (рис. 1). Явление, при котором лучи, падающие из более плотной среды, полностью отражаются от границы раздела с менее плотной средой, называется полным внутренним отражением.
При падении луча на границу раздела сред 2–1 при n2 > n1согласно закону преломления
,
(1)
откуда sin пр = n12.На границе среда – вакуум
,
(2)
т. к. n1= 1, n2 = n.
Исходя из соотношения (2), по измеренному предельному углу прможно определить относительный показатель преломления одной среды относительно другой, а также абсолютный показатель преломления одной из сред, если показатель преломления другой среды известен. Для этой цели и используется рефрактометр.
Внешний вид рефрактометра, применяемого в настоящей работе, показан на рис. 2, а его оптическая схема - на рис. 3.
|
|
|
Рис. 2 Рис. 3
Из рис. 3 видно, что основной частью рефрактометра являются две призмы М и D, изготовленные из стекла с большим показателем преломления n = 1,72.Призма D жестко закреплена на корпусе прибора, призма М может перемещаться относительно призмы D. Между ними вводится тонкий слой жидкости, показатель преломления которой меньше, чем у материала призм.
Верхняя призма М рефрактометра является осветительной, так как она предназначена для рассеивания света во все стороны, нижняя D – измерительной. Результат преломления световых лучей в рефрактометре показан на рис. 3 для двух случаев:
а) между призмами находится жидкость с показателем преломления, максимально отличающимся от показателя преломления призм;
б) между призмами находится жидкость с показателем преломления, близким к показателю преломления призм.
Рядом с ходом лучей на рис. 3 показан вид границы светотени в поле зрения окуляра рефрактометра. Положение границы светотени показывает, что чем больше разница в показателях преломления стекла призм и жидкости, тем меньше будет предельный угол полного внутреннего отражения и тем, следовательно, меньше лучей попадает в окуляр, и наоборот: чем меньше указанная разность, тем больше лучей попадает в окуляр. Итак, положение границы светотени на шкале в поле зрения окуляра рефрактометра будет зависеть от показателя преломления жидкости и концентрации ее раствора.