Лабораторная работа_109. Изучение явления поляризации света и определение концентрации сахара в водном растворе с помощью сахариметра

МИНИСТEРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ДИЗАЙНА и ТЕХНОЛОГИИ

Методические указания к лабораторной работе №109

“Изучение явления поляризации света и определение концентрации сахара в водном растворе с помощью сахариметра”

Москва - 2000

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета МГУДТ.

Работа рассмотрена на заседании кафедры физики и рекомендована к печати.

Заведующий кафедрой доц. Шапкарин И.П.

Автор: к.ф-м.н. Родэ С.В.

Методические указания к лабораторной работе по разделу “Оптика”. “Изучение явления поляризации света и определение концентрации сахара в водном растворе с помощью сахариметра”

г. Москва

Типография МГУДТ. 2000 г.

Методические указания содержат теоретическое введение и описание практической части к лабораторной работе, связанной с изучением явления поляризации и определением концентрации сахара в водном растворе с помощью сахариметра.

@ МГУДТ 2002

Описание установки и метода измерения.

Простейшая схема сахариметра должна содержать (рис. 6,16) источник монохроматического света S, две призмы Николя - поляризатор П и анализатор А и трубку Т с исследуемым раствором.

Пусть при отсутствии раствора в трубке анализатор повернут так, чтобы свет полностью гасился (призмы Николя скрещены). Если трубку наполнить раствором активного вещества, то вследствие вращения плоскости поляризации на некоторый угол α наступит просветление поля зрения. Угол, на который нужно повернуть анализатор для полного затмения, очевидно равен углу α вращения плоскости поляризации. Измерив угол α, по формуле (6,8) можно определить концентрацию раствора. Однако, измерение угла α путем установки анализатора на полное затемнение поля зрения сначала без трубки Т, а затем с ней является недостаточно точным, так как человеческий глаз малочувствителен к небольшим изменениям абсолютной величины яркости равномерно освещенного или затемненного поля зрения. Зато глаз очень чувствителен к малейшему различию в яркостях смежных частей поля зрения, окрашенных в один и тот же цвет , т.е. освещенных монохроматическим светом. Это свойство глаза используется в ПОЛУТЕНЕВОМ ПОЛЯРИМЕТРЕ(сахариметре), отличающегося от обычного специальной конструкцией анализатора(или поляризатора).

Простейший ПОЛУТЕНЕВОЙ АНАЛИЗАТОР можно получить, если обычную поляризационную призму разрезать пополам по главному сечению, ошлифовать у каждой из половин по клинообразному слою с углом около 2 градусов и 30 минут и снова склеить (рис.6,17). поперечное сечение такой призмы вместо первоначального правильного ромба будет иметь вид искаженного ромба. Пусть призма "а" пропускает свет, колебания вектора которого происходят вдоль АА, и полностью задерживает свет с колебаниями, направленными вдоль ПП(в этом положении призмы П и А скрещены). Призма "б" такова, что левая ее половина будет теперь полностью пропускать только колебания в направлении , а правая ее половина - в направлении - так, что , если призмы П и А остались скрещенными , и вектор пропускаемый поляризатором , направлен перпендикулярно биссектрисе угла (ПП АА), то по закону Малюса левая и правая половины поля зрения будут освещены одинаково: , где интенсивность света, выходящего из поляризатора, а и -интенсивность света, пропускаемого соответственно половинками анализатора. Так как , то поле зрения призмы будет освещено равномерно (рис. 6,18б).

Если теперь, вследствие поворота плоскости поляризации на угол α раствором в трубке Т, плоскость колебания вектора Е прошедшего поляризатор, также повернется на угол α(рис. 6,17в), то угол α’ между АА2 и П2П2 уменьшится на угол α, а угол φ’’ между А1А и П2П2 увеличится на ту же величину , от чего по закону Малюса освещенность левой половины уменьшится , а правой увеличится. Если плоскость поляризации луча, вышедшего из поляризатора и прошедшего трубку с раствором, повернется в другую сторону на угол α , а угол φ’’ уменьшится на туже величину, т.е. картина поля зрения поменяет освещенность левой и правой половин на противоположные.

Устанавливая полутеневой анализатор(или поляризатор ) вместо любого Николя (рис. 6.16.) , можно получить удобный для пользования сахариметр.

Оптическая схема сахариметра с полутеневым поляризатором представлена на рис.6.19. Здесь С- светофильтр , П- полутеневая призма Николя –поляризатор , Т-трубка с исследуемым раствором ,Q1,Q2,Q3- компенсационное устройство, А призма Николя- анализатор Призма П преобразует свет в поляризованный, разделенный на две половины линией раздела , при этом призмы П и А установлены так, что плоскости пропускания обеих половин поляризатора составляют одинаковые углы с плоскостью пропускания анализатора , поэтому анализатор в отсутствии Е и Q1,Q2 , пропускает равные по интенсивности потоки, и в поле зрения зрительной трубы L наблюдается две разноосвещенные половины поя, разделенные тонкой линией. При установке кюветы с раствором между призмами П и А нарушается равенство освещенности половин поля зрения из-за поворота плоскости поляризации раствором.

Для уравнивания освещенности обеих половин поля зрения в сахариметре применен клинообразный компенсатор, состоящий из большого кварцевого клина левого вращения Q16 контерклина Q2 и малого кварцевого клина правого вращения Q3. Перемещением большого клина относительно малого подбирают требуемую толщину кварцевой пластинки для компенсации угла поворота плоскости поляризации раствором. При этом происходит уравнивание освещенности половин поля зрения. Перемещение клиньев производится микровинтом М и фиксируется отчетным устройством.

В настоящей работе используется сахариметр универсальный СУ-3. Внешний вид прибора представлен на рис. 6.20. 1- камера для помещения трубок с исследуемым раствором; 2- осветительный узел со светофильтром; 3- камера с полутеневым поляризатором; 4- камера с анализатором; 5- камера с компенсационным устройством; 6- микрометрический винт; 7- зрительная труба для наблюдения поля зрения лучей, прошедших анализатор и поляризатор; 8- окуляр для отсчета смещений клиньев; 9- основание прибора с вмонтированным внутри понижающим трансформатором.

Отсчетное устройство смещения клиньев (или угла поворота плоскости поляризации) снабжено нониусом. Отсчет показаний при помощи нониуса поясняется на рис. 6.21. На рис.6.21. показано положение шкалы и нониуса, соответствующего отсчету «+11,8» (нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 11 полных делений и в правой части нониуса с одним из изделий основной шкалы совмещается его восьмое деление) .

В сахариметре применена международная сахарная шкала 100 град этой шкалы соответствуют 34,62 град угловым. Сахариметр показывает 100 град, когда в нем находится при -% град С в кювете длинной 200 мм раствор, содержащии в 100 см3 26 г химически чистой сахарозы.

Порядок выполнения работы.

1.Сначала проверьте нулевую точку прибора. Для этого в отсутствие трубок с раствором вращением окуляров 7 и 8 добейтесь резкой видимости поля зрения и шкалы компенсатора, а вращением ручки 6- ОДИНАКОВОЙ ЯРКОСТИ ЛЕВОЙ И ПРАВОЙ ПОЛОВИН ПОЛЯ ЗРЕНИЯ. При этом добейтесь положения «полутень» (поля зрения должны быть освещены слабо). Установка на «полутень» более предпочтительна, чем на яркое одинаковое освещение, так как человеческий глаз более чувствителен к малым изменениям интенсивности при слабом освещении, чем при сильном. По лимбу основной шкалы и неподвижного нониуса над ней производите отсчет β0. Поворотом микрометрического винта вправо и влево нарушьте одинаковость освещения половин поля зрения и вновь добейтесь равномерности их освещения и опять сделайте отсчет по лимбу и нониусу. Это повторите 5-6 раз. Вычислите среднее значение нулевого отсчета (β0)ср шкалы сахариметра при отсутствии трубки с раствором.

2.Трубку №1 с раствором известной концентрации поместите в кассету сахариметра (рис.6.20) (трубки собраны, разбирать запрещается). Регулировкой окуляра 7 добейтесь сначала резкой границы раздела поля зрения, а затем микрометрическим винтом установите одинаковую освещенность обеих половин поля зрения в положении «полутень» сделайте отсчет β1 по лимбу и нониусу и результат занесите в таблицу. Сбейте положение отсчета и вновь повторите измерения, всего не менее 4-5 раз.

3.Возьмите трубку №2 с раствором сахара неизвестной концентрации, поместите ее в сахариметр вместо трубки с раствором сахара известной концентрации и все операции, указанные в пункте 2 повторите не менее 4-5 раз результаты измерений β2 занесите в таблицу. Вычислите значения углов вращения плоскости поляризации в растворе известной концентрации и неизменной концентрации . при вычислении значений α1 и α2 значение β0ср берется из измерений задания 1.

4.Вычислив среднее значение α1ср и α2ср определите известную концентрацию следующим образом : записав формулу (6.8) для раствора известной концентрации и для раствора неизвестной концентрации разделим первое уравнение на второе. При этом величины L и [α] сокращаются и мы получим отсюда.

5.Повторите измерения пунктов 3 и 4 для трубки №3 с неизвестной концентрацией сахара С3. Значения β3 занесите в таблицу, рассчитайте значения, концентрацию С определите по формуле .

6.Вычислите среднее и относительное δ3 и среднее абсолютные ошибки для измеренных величин: ; ; ; . Относительную погрешность приготовления раствора известной концентрации С1 считать равной 1%.

7.Окончательный результат записывают в виде : ;

Таблица. 6.1

№ опыта		Раствор №1 известной концентрации		Раствор №2 неизвестной концентрации		Раствор №3 неизвестной концентрации
1. 2. 3. 4. 5.
среднее

Контрольные вопросы для допуска к работе.

1. Какой свет называют естественным? Частично поляризованным? Плоско поляризованным ?

2. что называется плоскостью колебания? Плоскостью поляризации?

3. устройство и назначение призмы Николя?

4. устройство сахариметра.

5. от чего зависит угол вращения плоскости поляризации?

6. как в данной работе определить концентрацию сахара в водном растворе?

Контрольные вопросы для защиты работы.

1. естественный и поляризованный свет.

2. Закон Брюстера.

3. Двойное лучепреломление в кристаллах.

4. Какие лучи называются обыкновенными и необыкновенными и в чем их различие при прохождении через кристалл?

5. Что называют оптической осью кристалла и главной плоскостью кристалла?

6. Построение волновых поверхностей обыкновенного и необыкновенного лучей.

7. Закон Малюса.

8. Какое вещество называют оптически активными?

9. Что такое поляризатор и анализатор?

10. Что такое удельное вращение?

11. Принцип действия полутеневого анализатора (поляризатора).

12. Оптическая схема сахариметра. Назначение всех элементов схемы.