Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Московский государственный строительный университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Лаб._8-ВО-(дубль_65)

.doc

Скачиваний:

Добавлен:

03.03.2015

Размер:

435.71 Кб

Скачать

☆

Лабораторная работа № 8 (65).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА САХАРА

ПОЛЯРИМЕТРОМ

Цель работы: изучение явления вращения плоскости поляризации в оптически активных веществах: определение удельного вращения и концентрации водного раствора сахара.

Методические указания

Подготовка к лабораторной работе включает этапы: 1. Изучение теоретического материала по лекциям учебнику ( Трофимова Т.И. Курс физики. – М. Высшая школа, 1985. §§ 191-194, 196).

2. Изучения содержания лабораторной работы.

3. Ответы на контрольные вопросы, приведенные в конце работы.

4. Подготовка конспекта и таблиц результатов и расчет погрешностей. Теория метода и описания установки. В кристаллических телах и некоторых изотропных жидкостях (чистых и растворах многих веществ) наблюдается вращение плоскости поляризации. Это явление было открыто французскими физиками Арго и Френелем (1816 г.). Вещества, обладающие способностью вращать плоскость поляризации падающего на них света, называют оптически активными веществами.

Вращение плоскости поляризации можно наблюдать на опыте. Если главные плоскости поляризатора и анализатора скрещены, то есть составляют угол , то анализатор свет от источника не пропускает, так как согласно закону Малюса . После зрения анализатора темное. Если между поляризатором и анализатором поместить оптически активное вещество (пластину кварца, водный раствор сахара), то поле зрения анализатора оказывается просветленным. Поворачивая анализатор на некоторый угол φ, можно вновь получить темное поле зрения. Угол φ и есть угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор.

Теория вращения плоскости поляризации (разработана Френелем) основана на том, что распространяющиеся в оптически активных средах световые волны поляризованы по кругу. Следовательно, плоскополяризованная волна, выходящая из поляризатора, в оптически активной среде разделяется на две волны, поляризованные по кругу с разным направлением вращения, с амплитудами, равными амплитуды падающей волны и с разными скоростями распространения, а значит и с разными показателями преломления: ; – для волн с правым вращением и , – с левым вращением (рис.). На рисунке 17 Ē – световой вектор падающей плоскополяризованной волны, , – световые векторы волн, поляризованных по кругу.

Если толщина оптически активного слоя d, то оптическая длина пути волн в нем будет соответственно и . Очевидно углы, которые опишут векторы и , будут равны:

; ,

а разность углов составит

На выходе из оптически активной среды волны, поляризованные по кругу, будут складываться

= +

и окажется направленным по биссектрисе угла ∆φ. Поэтому угол между направлением вектора на выходе и входе из оптически активной среды, то есть угол поворота плоскости поляризации будет равен

Это показано на рис. 18. Опыт показывает, что 1) для твердых оптически активных кристаллов и чистых жидкостей угол Y поворота плоскости поляризации прямо пропорционален толщине вращающего слоя: , где d – толщина слоя вещества, – удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины; 2) для растворов угол φ поворота плоскости поляризации прямо пропорционален толщине слоя раствора и его концентрации:

где α – удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного раствора единичной толщины и единичной концентрации; с – концентрация раствора.

Из формулы (2) следует, что если известно удельное вращение для данного вещества, то, зная d и измеряя угол φ поворота плоскости поляризации, можно определить концентрацию вещества в растворе:

Раствор сахара обладает большой вращательной способностью, поэтому явление вращения плоскости поляризации используют в приборе, называемом поляриметром, для определения концентрации растворов сахара.

Принципиальная схема поляриметра изображена на рис. 19. Свет от источника S линзой _L1 направляется параллельным пучком на скрещённые поляризатор Р и анализатор А и гасится в них полностью. Поле зрения, наблюдаемое в окуляр _L2 – темное. При помещении между поляризаторам и анализаторам оптически активного вещества, поле зрения просветляется. для того, чтобы снова добиться темноты, анализатор следует повернуть на угол, равный углу поворота плоскости поляризации, вызванного оптически активным веществом. Визуальная работа с таким поляриметром не дает большой точности, так как возвращение к первоначальной освещенности (темноте) делается по зрительной памяти.

Для получения большей точности в измерении угла φ поворота плоскости поляризации применяют поляриметр с полутеневым анализатором. В таком поляриметре установка прибора производится на равную минимальную освещенность двух половин поля зрения.

Полутеневой анализатор делают из призмы Николя, которую разрезают вдоль главного сечения, сошлифовывают у каждой половины по клину около ^2о и вновь склеивают. Тогда анализатор образует систему, каждая из половин которой является самостоятельным анализатором. Направления главных плоскостей _А1 и _А2 в обеих половинах такого анализатора образуют малый угол θ (рис. 20). Поэтому поле зрения поляриметра разделено на две половины I и II.

Если плоскость поляризации света, падающего на анализатор, перпендикулярна биссектрисе угла θ (граница раздела анализаторов и ), то обе половины поля зрения освещены равномерно в виде полутени. При малом угле даже незначительный поворот плоскости поляризации приводит к заметному нарушению освещенности обоих полей. Следовательно, точность измерения угла поворота плоскости достаточно высокая.

Рис. 17

Рис. 18

Рис. 19

Рис. 20

Рис. 21

Схема поляриметра, который используется в лабораторной работе, представлена на рис 21. На рисунке: 1 - источник света, 2 - светофильтр, 3 - поляризатор, 4 - трубка с водным растворам сахара, 5 – пластинка правовращающего кварца,6 - два клина из левовращающего кварца, 7 -кремальерная передача, при помощи которой можно перемешать один из клиньев, 8 - полутеневой анализатор,9 - окуляр для наблюдения поля зрения,10 - шкала отсчета, наблюдаемая через окуляр 2.

Перемещение клина, производимое винтом кремальерной передачи 7 регистрируется по шкале 10 которая освещается лампой 1.

Приборы и принадлежности..полутеневой поляриметр, трубка с известной концентрацией водного раствора сахара, трубки с водным раствором сахара неизвестной концентрации.

Измерения и обработка результатов измерений 1. Проверить нулевую установку прибора.

Медленно вращают винт 7, добиваясь минимальной однородной освещенности поля зрения. При однородной освещенности нулевые деления шкалы и нониуса должны совпадать. Если при вполне однородном освещении поля нули не совпадают, то производится отсчет по шкале. Это и будет нулевое положение.
Определяют удельное вращение водного раствора сахара. Для этого в поляриметр между поляризатором и анализатором помещают трубку длиной с водным раствором сахара известной концентрации _со: добиваясь одинаковой полутени обеих половин поля зрения, определяют угол поворота плоскости поляризации по шкале 10, наблюдаемой через окуляр.

2. Опыт повторяют три раза. Результаты измерения заносят в таблицу 8. По формуле вычисляют удельное вращение. Для расчетов берут среднее значение .

3. Таким же образом определяют углы поворота плоскости поля поляризации для водного раствора сахара неизвестной концентрации. Опыт повторяют три раза. Результаты измерения заносят в таблицу 9. По формуле (3) определяют концентрацию раствора сахара. Для расчетов берут среднее значение удельного вращения.

4. Производят расчет погрешностей.

Контрольные вопросы

Электромагнитная теория света. Свойства световых волн. Уравнение и графическое изображение световой волны. Световой вектор.
Энергия, переносимая световой волной. Вектор Пойтинга. Интенсивность света.
Отличие естественного света от поляризованного. Плоскополяризованный свет.
Способы получения плоскополяризованного света:

а) Поляризация при отражении и преломлении. Закон Брюстера.

б) Поляризация при двойном лучепреломлении. Свойства обыкновенного и необыкновенного лучей.

в) Устройство и применение призмы Николя.

Как изменяется направление колебания светового вектора и интенсивность света, прошедшего через поляризатор и анализатор? Закон Малюса.
В чем заключается и когда наблюдается явление вращение плоскости поляризации? От чего и как зависит угол поворота плоскости поляризации?
Что называется удельным вращением плоскости поляризации? Как в работе определяется удельное вращение водного раствора сахара?
Теория вращения плоскости поляризации. Принципиальная схема и принцип действия поляриметра. Устройство полутеневого анализатора.

Таблица 8

№ пп.