2. Устройство и принцип действия экспериментальной установки

Для проведения экспериментальных исследований используется полутеневой поляриметр, оптическая схема которого приведена на рис. 1.

Рис. 1

Сформированный линзой Л параллельный пучок света проходит светофильтр Ф, на выходе которого получаем монохроматический луч. Этот луч, пройдя поляризатор Р, кварцевую пластину П (в средней части) попадает в кювету К с исследуемой жидкостью. Выходящий луч попадает на анализатор А и в зрительную трубу Т. В качестве индикатора используется глаз наблюдателя. Центральная часть линейнополяризованного на выходе поляризатора Р света проходит через кварцевую пластинку П, которая поворачивает плоскость поляризации на небольшой угол . Вследствие этого поле зрения будет разделено на три части, освещенность которых зависит от положения анализатора и поляризатора (рис. 2а). В случае, когда в кювете К нет оптически активного вещества, поляризатор и анализатор скрещены, боковые участки поля зрения будут затемнены, а центральная часть после прохождения кварцевой пластинки будет более светлой (рис. 2б).

а) б)

Рис. 2

Путем вращения анализатора можно добиться состояния равенства освещенностей. Если внести кювету с исследуемой жидкостью в область луча, то освещенность из-за поворота плоскости поляризатора в веществе изменится. При повороте анализатора А на угол , получаем опять равенство освещенностей. Этот угол и будет искомым углом поворота плоскости поляризатора в оптически активном веществе.

3. Методика определения концентрации раствора сахара

При отсутствии кюветы с помощью окуляра (рис. 3) устанавливается резкое изображение поля зрения. Используя вращающее устройство, находят положение окуляра, при котором в поле зрения все области имеют одинаковое освещение (рис. 2). При помещении кюветы с дистиллированной водой в поляриметр начальный отсчет определяют по лимбу нониуса с помощью линз, находящихся в оправе окуляра. В качестве объекта исследований используют растворы сахара различной концентрации.

В кювету К поочередно вводят растворы сахара и снимают показания , ,… путем выравнивания освещенностей частей поля зрения вращением анализатора. Угол поворота плоскости поляризатора для каждого раствора будет , , … Измерения для каждого раствора проводятся не менее трех раз и, при этом, рассчитывается среднее арифметическое значение.

4. Порядок выполнения работы

1. Определить начальный отсчет поляриметра.

2. Оценить угол вращения плоскости поляризации для различных концентраций раствора сахара. Данные внести в таблицу.

Таблица

, %	3	5	7	9

3. По данным п. 2, внесенным в таблицу, с помощью программы «вращение» построить график зависимости угла вращения плоскости поляризации от концентрации раствора : .

4. Определить концентрацию неизвестного раствора по графику п. 3 с помощью программы «вращение».

5. Определить удельную постоянную вращения , где – длина кюветы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дать определение оптически активных веществ.

2. Описать устройство и принцип действия поляризатора.

3. Дать определение угла поворота плоскости поляризации при прохождении луча через оптически активное вещество.

4. Описать методику определения концентрации раствора по углу поворота плоскости поляризации.

ПРИЛОЖЕНИЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

Цель работы: изучение поведения электрона, движущегося в скрещенных электрическом и магнитном полях; экспериментальное определение заряда электрона.

1. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ

Действие электрического и магнитного полей на движущийся заряд приводит к новым закономерностям по сравнению с эффектами воздействия одного из полей. На основании принципа независимости действия сил было установлено, что если на движущийся электрический заряд одновременно с магнитным действует и электрическое поле ( – индукция магнитного поля, – напряженность электрического поля), то результирующая сила , приложенная к заряду, равна векторной сумме сил – силы, действующей со стороны электрического поля и силы Лоренца

,

– скорость электрона.

Траектория движения электрона в электромагнитном поле определяется конфигурацией электрического и магнитного полей и удельным зарядом электрона.

Применяемый в работе метод магнетрона основан на экспериментальном определении удельного заряда электрона по траектории электрона, движущегося в скрещенных электрическом и магнитном полях заданной структуры.

Для реализации метода двухэлектродная электронная лампа с цилиндрическими коаксиальными катодом и анодом в магнитном поле, создаваемом соленоидом. При совпадении оси лампы с направлением магнитного поля получаем структуру электромагнитного поля, в котором направления электрической и магнитной компоненты взаимно перпендикулярны.

Напряженность электрического поля , создаваемого электродами цилиндрического конденсатора, определяется согласно выражения

, (2)

где – заряд, – длина цилиндра.

Наибольшая разность потенциалов из-за сильной кривизны катода находится вблизи него, т. е. можно сказать, что электрическое поле сосредоточено вблизи катода. В других областях пространства взаимодействия полей траектория движения электрона практически определяется действием магнитного поля. В этих областях электрон под действием магнитного поля описывает траекторию, близкую к окружности. Радиус окружности определяется из условия равенства: 1) Лоренцевой силы произведению массы электрона на центростремительное ускорение , 2) кинетической энергии электрона произведению заряда электрона на разность потенциалов между катодом и анодом :

. (3)

Зависимость радиуса окружности от индукции магнитного поля , как видно из выражения (3), является обратно пропорциональной ( const). Это позволяет определить индукцию магнитного поля , при которой радиус кривизны окажется большим, и электроны перестанут попадать на анод, что приведет к равенству нуля анодного тока. В таком режиме работы радиус оказывается равным , где – радиус анода (рис. 1). Выражение (3) для указанного случая преобразуется к виду

. (4)

Это позволяет определить удельный заряд электрона в виде

. (5)

Траектории электронов при различных величинах магнитной индукции изображены на рис. 1.

Рис. 1

Следует отметить, что реальная характеристика зависимости анодного тока от индукции магнитного поля (сбросовая характеристика) из-за различия скоростей эмитируемых катодом диода электронов, имеет вид, приведенный на рис. 2

Рис. 2