laboratornye_raboty / №19 Определение концентрации сахара в растворе при помощи сахариметра

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ им. Н.Н. БУРДЕНКО"

КАФЕДРА МЕДИЦИНСКОЙ ФИЗИКИ

Методические указания студентам по теме лабораторного занятия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ ПРИ ПОМОЩИ САХАРИМЕТРА

Воронеж 2009

РАЗДЕЛ: ОПТИКА

ТЕМА: Поляризация света. Определение концентрации сахара в растворе при помощи сахари-

метра.

ЦЕЛЬ: Понять электромагнитную природу света. Четко представить поперечность световых волн. Изучить теорию поляризации света и на практике использовать полученные знания при работе с сахариметром. Изучить теоретическую основу использования поляризован-

ного света при микроскопических исследованиях.

ПРАКТИЧЕСКИЕ НАВЫКИ: Научиться использовать полученные знания для работы с саха-

риметрами и оценки концентрации сахара в растворе.

МОТИВАЦИЯ ТЕМЫ: Широкое использование в диагностике и высокая степень точности оп-

тических методов анализа делает необходимым изучение студентами физических прин-

ципов работы оптических приборов и овладение методическими навыками работы на них.

I. САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ.

Задание 0.

Повторить материал школьного курса, раздел «Электромагнитные волны» по следующему ал-

горитму:

1.Природа света.

2.Принцип Гюйгенса.

3.Закон преломления света.

4.Основные методы получения поляризованного света.

Задание 1.

Изучить теоретический материал занятия, используя следующую логическую структуру:

1.Поляризация света при отражении и преломлении.

2.Закон Брюстера, условие полной поляризации отраженного луча света.

3.Явления поляризации света кристаллическими поляризаторами.

4.Закон Малюса для интенсивности света, прошедшего поляризатор и анализатор.

СРЕДСТВА ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ ВО ВНЕУРОЧНОЕ ВРЕМЯ.

1.Учебная и методическая литература а) основная

2

– Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я.

Потапенко. – М.: Дрофа, 2007. – С. 365-374.

– Лекционный материал по разделу "Оптика".

б) дополнительная

– Федорова В.Н., Степанова Л.А. Краткий курс медицинской и биологической физики с элементами реабилитологии. Лекции и семинары. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2005. – С. 329339.

2. Консультации преподавателей (еженедельно по индивидуальному графику).

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ПО ТЕМЕ ЗАНЯТИЯ

Свет представляет собой электромагнитные волны. Трудность в понимании природы света связана с тем, что наряду с волновыми свойствами свет проявляет и корпускулярные свойства. Явления интерференции и дифракции подтверждают волновые свойства света. Фото-

эффект, люминисценция являются подтверждением корпускулярных свойств. Световая волна распространяясь в пространстве, переносит энергию. Величина энергии фотона ( ) зависит от частоты (ν) по формуле:

= h ,

где – энергия фотона, h – постоянная Планка, равная 6,63 10–34 Дж с

Скорость света в вакууме равна 299 772 458 м/с. Приближенно скорость света можно считать равной 3 108 м/с.

Для понимания механизма распространения световой волны можно использовать прин-

цип Гюйгенса. Согласно этому принципу, каждая точка среды, до которой дошла волна, сама становится источником вторичных волн. Поверхность, касательная ко всем вторичным волнам,

представляет собой новую волновую поверхность. Принцип Гюйгенса помогает понять меха-

низм отражения и преломления волн.

При отражении света падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восстановлен-

ный в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол между падающим лучом и перпендикуля-

ром, восстановленным в точке падения, называют углом падения. Угол между перпендикуля-

ром к отражающей поверхности и отраженным лучом называют углом отражения. По закону отражения света угол отражения равен углу падения.

Преломление света при переходе из одной среды в другую вызвано различием в скоро-

стях распространения света в той и другой среде, причем падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости (рис. 1). По закону преломления отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина посто-

янная для двух сред и равна эта величина относительному показателю преломления данных

3

Поляризация света наблюдается при отражении, преломлении, при прохождении кристаллов с анизатропными электрическими свойствами в разных направлениях.

Поляризация света

Световые волны по своей природе являются электромагнитными волнами. В любой точ-

ке пространства, в которой наблюдаются электромагнитные волны, происходят непрерывные колебания векторов электрической и магнитной напряженностей согласно уравнениям:

E = Em cos (t – x/c) H = Hm cos (t – x/c),

где Е и Н – электрическая и магнитная напряженности в точке, находящейся на расстоянии х от источника, измеренные в момент времени t, с – скорость световой волны, – круговая частота.

Водной точке пространства в любое мгновение вектор Е перпендикулярен вектору Н и оба они перпендикулярны вектору скорости.

Вестественной световой волне, в разных точках пространства векторы Е и Н совершают колебания во всевозможных направлениях, оставаясь все время перпендикулярными к направ-

лению распространения волны и к друг другу.

Световая волна является плоскополяризованной, если во всех точках колебания электри-

ческого вектора совершаются в одной плоскости (рис. 2).

Е

Н

Рис. 2. Плоскополяризованная волна в определенный момент времени

Эта плоскость называется плоскостью колебаний. Следовательно, в плоскости колебаний лежат векторы электрической напряженности всех точек волны и вектор скорости распростра-

нения света. Плоскость колебаний перпендикулярна плоскости поляризации, в которой проис-

4

ходят колебания вектора магнитной напряженности Н. Эти две плоскости пересекаются по ли-

нии совпадающей с вектором скорости.

Приборы, позволяющие из естественного света получить поляризованный, называют по-

ляризаторами. Принцип их действия основан на явлении поляризации света при отражении или преломлении на границе двух диэлектриков, дихроизме и двойном лучепреломлении.

Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Свет, отраженный от поверхности раздела двух диэлектриков (воздух, стекло) поляризу-

ется в плоскости падения. Степень поляризации для данных двух сред зависит от угла падения.

Отраженный луч света будет полностью поляризован, причем угол между преломленным и от-

раженным лучами равен 90 (рис. 3), если выполняется следующее соотношение, являющееся

законом Брюстера:

Поляризация света при двойном лучепреломлении

Некоторые прозрачные кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления: при попадании света на кристалл луч раздваивается. Одним из таких кристаллов является кристалл

исландского шпата, имеющий ромбическую структуру (рис. 4).

Ауглов кристалла, и всякая другая прямая, ей парал-

правлении главной оптической оси, то двойного лучепреломления не происходит. Во всех ос-

5

тальных случаях луч естественного света в кристалле испытывает двойное лучепреломление и из кристалла выходят два луча. Один луч называется обыкновенным, для него выполняются обычные законы преломления, другой – необыкновенный – для него эти законы не выполня-

ются.

Оба эти луча являются плоскополяризованными. У обыкновенного луча колебания элек-

трического вектора совершаются в плоскости, перпендикулярной главному сечению кристалла,

показатель преломления является величиной постоянной. У необыкновенного луча колебания электрического вектора совершаются в плоскости главного сечения, для него показатель пре-

ломления не является постоянной величиной. Чтобы иметь дело не с двумя поляризованными лучами, а с одним – для одного из лучей создают условие полного внутреннего отражения и на-

правляют его в сторону. Это например, осуществляется в призме Николя.

Известно, что предельный угол полного внутреннего отражения определяется из усло-

вия:

sin пр. = n2 / n1,

где n2 / n1 - относительный показатель преломления двух сред.

Для обыкновенного луча показатель преломления исландского шпата n1 = 1,658, следо-

вательно, вторая среда для выполнения условия полного внутреннего отражения должна иметь

n2 < n1. Такой средой может быть канадский бальзам, в котором n2 = 1,550.

онадского бальзама (К). Обыкновенный луч (о) испыты-

вает полное внутреннее отражение от слоя бальзама и

Рис. 5. Ход лучей в призме Николя

поглощается зачерненной боковой поверхностью приз-

мы. Из Николя-поляризатора выходит один поляризованный луч (е), у которого колебания электрической напряженности происходят в плоскости главного сечения кристалла шпата.

Система поляризатор – анализатор

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного, называется поляризатором. Для анализа поляризованного света можно использовать вторую призму Нико-

ля (в этом случае ее называют анализатором). Интенсивность луча света, вышедшего из приз-

мы–анализатора будет определяться по закону Малюса:

I = I0 cos2 ,

где I0 – интенсивность падающего луча, φ – угол между плоскостью главного сечения поляриза-

тора и плоскостью главного сечения анализатора, I – интенсивность луча, вышедшего из систе-

мы поляризатор–анализатор.

6

Если поляризатор и анализатор расположены так, что их главные плоскости взаимно перпендикулярны, то свет не проходит через систему поляризатор–анализатор. На выходе этой системы свет появится, если повернуть одну из призм или между поляризатором и анализато-

ром поместить оптически активное вещество, которое повернет плоскость поляризации света.

Вращение плоскости поляризации света

В вакууме распространение света не зависит от его поляризации. Световая волна в ва-

кууме сохраняет свое состояние поляризации неограниченное время.

При распространении света в веществе может наблюдаться изменение характера поляри-

зации, скорости распространения, коэффициента поглощения, вращения плоскости поляриза-

ции и др. Вещества, способные менять пространственное расположение плоскости поляризации света, называются оптически активными.

Этим свойством обладают: водный раствор сахара, винная кислота, нефть, терпентин,

кварц и др.

Угол поворота плоскости поляризации раствором оптически активного вещества про-

порционален концентрации раствора и зависит от длины пути луча в растворе согласно форму-

ле:

= [ 0]D C L,

где [ 0]D – удельное вращение, определенное по желтой линии натрия, С – концентрация рас-

твора, L – длина трубки с раствором, – угол поворота плоскости поляризации луча раствором.

Удельным вращением называется угол поворота плоскости поляризации монохромати-

ческого желтого света пламени натрия раствором, содержащим 1г вещества в 1 см3, при длине трубки равной 1 дм.

Применение поляризованного света

На поляризованном свете основано действие приборов, используемых в медицине для определения концентрации оптически активных веществ, для изучения биохимических реак-

ций, строения молекул и т. д.

Сэтой целью применяют:

–поляриметры – приборы, основанные на измерении угла поворота плоскости поляризации света при его прохождении через раствор (В клинической практике с помощью поляримет-

ров определяют содержание сахара в моче больных диабетом. При этом заболевании в моче содержится виноградный сахар, для которого удельное вращение [ 0]D = 52,8);

– сахариметры – приборы, аналогичные поляриметрам, но со шкалой, показывающей про-

центное содержание сахара в растворе;

– спектрополяриметры – приборы, позволяющие измерять не только концентрацию, но и

7

удельное вращение.

При различных светофильтрах можно исследовать зависимость удельного вращения от

длины волны света.

II. РАБОТА СТУДЕНТОВ ВО ВРЕМЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ЗАНЯТИЯ.

Задание 1.

Получить допуск к занятию. Для этого необходимо:

– иметь конспект в рабочей тетради, содержащий название работы, основные теоретические понятия изучаемой темы, задачи эксперимента, таблицу по образцу для внесения экспери-

ментальных результатов;

–успешно пройти контроль по методике проведения эксперимента;

–получить у преподавателя разрешение выполнять экспериментальную часть работы.

Задание 2.

Выполнение лабораторной работы, обсуждение полученных результатов, оформление конспек-

та.

Приборы и принадлежности

1.Универсальный сахариметр СУ-4.

2.3 трубки с растворами сахара различной концентрации на штативе.

Вданной работе определяется процентное содержание сахара в растворе универсальным сахариметром СУ-4. Внешний вид прибора изображен на рис. 6.

Рис. 6. Внешний вид сахариметра СУ-4 (обозначения в тексте)

Он состоит из измерительной головки (1) с лупой в оправе (2) для расчета показаний по шкале, зрительной трубы (3) для наблюдения поля зрения. У нижней части измерительной го-

8

ловки находится винт кремальерной передачи (4) для перемещения подвижного кварцевого клина и связанной с ним шкалы. Камера (5) для поляриметрических трубок расположена на ко-

лонке (6), укрепленной на чугунном основании (7). Осветительный узел (8) имеет передвигаю-

щуюся рамку (9), в которой находится стеклянный светофильтр, матовое стекло и патрон с лампочкой (10). Электрическая лампочка подключается через понижающий трансформатор в сеть переменного тока. Оптическая схема сахариметра представлена на рис. 7.

Рис. 7. Оптическая схема сахариметра СУ-4 (обозначения в тексте)

Свет от электролампочки (1) проходит через матовое стекло (2). Вместо этого стекла можно поместить светофильтр (3). Далее свет проходит конденсорную линзу (4) и попадает в поляризатор (5) и выходит из него плоскополяризованным. На пути этого плоскополяризован-

ного света при измерениях помещают трубку с исследуемым раствором. Подвижный кварцевый клин (6) и неподвижный кварцевый клин (7) образуют кварцевый компенсатор. Один из этих кварцевых клиньев правовращающий, а другой – левовращающий.

Когда в приборе нет трубки с раствором, то вращением винта кремальерной передачи можно расположить подвижный кварцевый клин так, что его толщина будет равна толщине не-

подвижного клина и вращение плоскости поляризации совершаемое одним клином, будет пол-

ностью компенсировано вторым. При этом обе половины поля зрения имеют одинаковую ос-

вещенность и нулевое деление нониуса совпадает с нулевым делением шкалы.

За кварцевым компенсатором установлен Николь–анализатор (8), зрительная труба, со-

стоящая из объектива (9) и окуляра (10). При помощи трубы можно рассматривать в увеличен-

ном виде поле зрения прибора и линию раздела этого поля. Свет от электролампочки (1) служит также для освещения шкалы (12) и нониуса (13), что достигается при помощи ограничительной призмы (11). Шкала рассматривается в лупу, состоящую из двух линз (14) и (15).

Если после установления шкалы на нуль при одинаковой освещенности половин полей зрения поместить в камеру прибора трубку с раствором сахара, то в результате вращения этим раствором плоскости поляризации, освещенность половин поля зрения изменится и будет не-

одинаковой.

9

Вращением винта кремальерной передачи можно добиться восстановления полной однородности поля зрения. Этим вращением мы изменяем толщину кварцевого клина. Угол поворота плоскости поляризации раствором полностью компенсируем поворотом на такой же угол, но в противоположном направлении за счет увеличения толщины кварцевого клина.

После такого восстановления полной однородности половин поля зрения по шкале с нониусом можно определить содержание сахара в растворе. Если на шкале наблюдается картина, изображенная на рис. 8, то в растворе содержится 11,8% сахарозы.

Рис. 8. Вид шкалы и нониуса в зрительном окне сахариметра

Подготовка прибора к работе

1.Включить в сеть шнур от понижающего трансформатора.

2.Наблюдать в зрительную трубу (3) (рис. 6) поле зрения и небольшим вращением оправы этой трубы, при котором окуляр сместится вдоль оси, добиться четкой и ясной видимости вертикальной линии, разделяющей поле зрения на две половины.

3.Аналогично п.2. установить четкую видимость штрихов и цифр шкалы и нониуса в зрительной трубе (2) (рис. 6.)

4.Вращением винта кремальерной передачи (4) добиться полной однородности освещения обеих половин поля зрения в зрительной трубе (3).

5.При этом нулевые деления шкалы и нониуса в зрительной трубе (2) должны совпадать. ВНИМАНИЕ: при самом незначительном перемещении винта кремальерной передачи в одну или другую сторону резко изменяет освещенность половин поля зрения.

Выполнение работы

Определить концентрацию сахара в растворе, находящемся в трубке №1.

1.Проверить правильность подключения сетевого шнура к клеммам понижающего трансформатора в осветительную сеть.

2.Наблюдать в зрительную трубу (3) поле зрения и небольшим вращением оправы этой трубы, при котором окуляр сместится вдоль оси, добиться четкой и ясной видимости вертикальной линии, разделяющей поле зрения на две половины.

10