физика леч / методичка / цикл 3 / сахариметр 4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

Тема: «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРА В РАСТВОРЕ САХАРИМЕТРОМ»

ЦЕЛЬ. Изучить явление поляризации света, научиться определять концентрацию сахара в растворе сахариметром.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ. Сахариметр, растворы известной концентрации, раствор неизвестной концентрации, дистиллированная вода, пипетка.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ

1.Природа света.

2.Явление поляризации света.

3.Свет естественный и поляризованный. Закон Малюса.

4.Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков.

5.Поляризация света при двойном лучепреломлении. Призма Николя.

6.Вращение плоскости колебаний поляризованного света. Поляриметрия.

7.Устройство поляриметра, принцип его действия и применение.

8.Измерение концентрации оптически активных веществ с помощью поляриметра.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Свет представляет собой электромагнитную волну, в которой векторы

Е и совершают колебания во взаимно перпендикулярных плоскостях

синфазно. Причем естественный свет и свет, полученный от искусственных

векторов Е и .

Рис.1.

Электромагнитную волну, в которой векторы Е и лежат в

определенных плоскостях, называют плоскополяризованной. Плоскость, в

которой лежит вектор Е , называют плоскостью поляризации. Кроме того,

вектор Е называют световым вектором, т.к. электрическая составляющая вызывает фотохимические реакции и вызывает светоощущения.

Существуют различные способы получения поляризованного света.

1. Поляризация при отражении и преломлении.

На границе раздела двух сред часть световых лучей отражается, а часть

преломляется. Отраженные и преломленные лучи оказываются частично

поляризованными. Причем в отраженном луче колебания вектора Е происходят преимущественно перпендикулярно плоскости падения, в преломленном - параллельно плоскости падения.

Если тангенс угла падения луча равен относительному показателю преломления, то отраженные лучи полностью поляризованы.

tgα Б n ,

где α Б - называется углом Брюстера,

n - относительный показатель преломления.

2. Поляризация при двойном лучепреломлении.

Рис.2.

Некоторые прозрачные кристаллы (исландский шпат, кварц, слюда, турмалин и др.) обладают свойством двойного лучепреломления: при падении света на кристалл луч раздваивается. Для одного из лучей выполняются законы преломления, и поэтому этот луч называют обыкновенным, для другого - не выполняются, он называется необыкновенным.

Направления, вдоль которых двойного лучепреломления нет и оба луча распространяются с одинаковыми скоростями, называют оптическими осями кристалла. Плоскость, проходящая через оптическую ось и падающий луч, является главной плоскостью.

Скорость распространения обыкновенной волны одинакова по всем направлениям, поэтому ее фронт распространения сферический. Скорость распространения необыкновенного луча различна и поэтому фронт волны эллипсоидный.

c - концентрация вещества, ℓ - толщина слоя раствора,- длина волны.

Для устранения явления вращательной дисперсии, т.е. зависимости угла вращения от длины волны, в приборах используется светофильтр. Тогда

o c ,

100

где 0 - удельная постоянная вращения, равная увеличенному в 100 раз углу поворота плоскости поляризации слоем раствора толщиной 1 дм при концентрации вещества 1 г на 100 см3 раствора, температуре 200C и длине волны света = 589 нм. При длине кюветы 1 дм закон Био для виноградного сахара принимает вид:

12 с

Полученное соотношение лежит в основе метода измерения концентрации оптически активных веществ. Этот метод (поляриметрии или сахариметрии) широко используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях, а также в пищевой промышленности.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПРИБОРА

Поляриметр (рис. 1) состоит из головки анализатора (6) с отсчетной лупой (8), поляризатора (2) с зеркалом (1) и подставки (9).

В разрез трубы (7), соединяющей головку анализатора с поляризационным устройством, устанавливается кювета для растворов (3). Зрительная труба служит для наблюдения двойного поля и состоит из объектива (5), окуляра (6), муфты анализатора (4).

Рис. 4.

На рисунке 5 представлена оптическая система поляриметра: 1 - зеркало направляет световой пучок из источника света в оптическую

систему; поляризационное устройство состоит из светофильтра 2 и поляриметра 3; 4 - кварцевая пластинка с диафрагмой, выделяющая среднюю область пучка; 5 - кювета; 6 - анализатор из поляроидной пленки; 7 – объектив; 8 - окуляр.

Оптическая схема сахариметра

Рис. 5.

Измерения производятся по градусной шкале (рис. 6), которая состоит из неподвижного лимба (верхние 20 делений вправо и влево) и подвижного

нониуса (нижние деления). Цена деления лимба 10, цена деления нониуса

0,10.

Ноль нониуса показывает целые значения в градусах на лимбе, десятые градуса снимают по штриху нониуса, совпадающему с каким-либо штрихом лимба. В данном случае (рис. 6) значение равно 3,50.

Рис. 6.

Перемещением окуляров зрительной трубы и отсчетной лупы можно добиться резкого и четкого изображения линий раздела поля зрения и отсчетного устройства. Вращением анализатора можно уравнять яркости частей поля при больших и меньших яркостях, но измерение производить только при чувствительном положении анализатора, которое характеризуется тем, что части поля уравнены при минимальных яркостях. Незначительное вращение анализатора вызывает резкое нарушение равенства яркостей различных частей поля.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Какая световая волна называется плоскополяризованной?

2.Чем отличается естественный свет от плоскополяризованного?

3.Что называется плоскостью поляризации?

4.Какой свет - естественный или поляризованный - излучает отдельные атомы?

5.Что такое световой вектор?

6.Что такое поляризатор? Что такое анализатор?

7.Сформулируйте и запишите закон Брюстера.

8.Запишите и сформулируйте закон Малюса.

9.В результате каких явлений может наблюдаться плоская поляризация света (частичная или полная)?

10.В чем состоит явление двойного лучепреломления?

11.Какой луч называется обыкновенным?

12.Какой луч называется необыкновенным?

13.Что такое оптическая ось кристалла?

14.Какие плоскости в кристалле называются главными?

15.В чем проявляется сходство и различие обыкновенной световой волны и необыкновенной световой волны?

16.Что представляет собой призма Николя?

17.Объясните ход лучей в призме Николя.

18.В чем состоит явление дихроизма и для чего оно используется?

19.Какие вещества называются оптически активными? Что к ним относится? Для чего используется их основное свойство?

20.Сформулируйте и запишите закон Био.

21.Что называется удельной постоянной вращения вещества? В каких единицах она измеряется? От чего зависит?

22.Для какой цели при работе с поляризованным лучом применяется источник монохроматического света или устанавливается светофильтр?

23.Каково назначение поляриметра?

ПРИЛОЖЕНИЕ. В случае нарушения резкости изображения муфтой анализатора (6) восстановите четкое изображение.

3.Произвести измерение раствора неизвестной концентрации, произвести расчет концентрации.

6. Сделайте вывод.