physics_labs / Лаб17

0

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверская государственная медицинская академия Министерства здравоохранения Российской Федерации»

КАФЕДРА ФИЗИКИ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАKTOMETРA

Методические указания для лабораторной работы №17

Тверь 2005

Методические указания составлены кафедрой медбиофизики ТГМА и предназначены в помощь студентам при подготовке и выполнении лабораторной работы.

Методические указания подготовили:

доцент Бахтилов В.В.

ст. преподаватель Сергеева Л.С.

Лабораторная работа № 17

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: 1.Изучить явление преломления света.

2.Изучить устройство и принцип работы рефрактометра.

3.Освоить метод определения концентрации прозрачных растворов с помощью рефрактометра.

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: рефрактометр, растворы сахара различной концентрации, пипетки, вата.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Свет в различных средах распространяется с различной скоростью. Поэтому, при переходе света из одной среды в другую, на границе раздела сред происходит изменение направления распространения световой волны (если угол падения отличен от нуля), т.е. происходит преломление (рефракция) света (рис.1). Преломляющие свойства сред характеризуются показателем преломления. Абсолютный показатель преломления n₀ равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в среде:

n₀ =

Относительный показатель преломления равен отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде:

n_2,1= или n_2,1=

2

Рис.1

Для преломления света установлены законы преломления:

1) Лучи падающий, преломленный и перпендикуляр, восстановленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости.

2). Отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломления луча для данных двух сред есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления:

= = =n_2,1

Оптические свойства вещества характеризуются показателем преломления относительно воздуха, который мало отличается от абсолютного показателя преломления. Показатель преломления зависит от длины световой волны. Его обычно относят к монохроматическому желтому излучению паров натрия (длина волны 589 нм).

Если свет переходит из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления (n₁<n₂), то при падении под максимальным углом (_макс=90^о), луч света во второй среде будет распространяться под углом, называемым предельным углом преломления _np (рис.2).

Из закона преломления следует: sin_np=

Рис.2

Если измерить _np, то при известном n₂ можно определить неизвестный показатель преломления n₁. На измерении предельного угла преломления основано устройство рефрактометра – прибора, предназначенного для определения показателя преломления жидкостей.

В медицине рефрактометры применяются для определения концентрации веществ в растворе, например, белка в сыворотке крови, что основано на зависимости показателя преломления раствора от концентрации растворенного вещества.

Если свет переходит из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим показателем преломления, то угол преломления больше угла падения (  ). Во вторую среду преломляются (переходят) только лучи света, падающие в пределах угла падения α_np , которому соответствует угол преломления β = 90^о.

Рис. 2(а)

Часть падающего света при этом отражается. Свет, падающий под углом больше α_пр (луч 3) полностью отражается.

=  sin α_np=

Это явление называется полным внутренним отражением, а угол падения α_пр предельным углом полного внутреннего отражения.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА

Основной частью рефрактометра являются две прямоугольные призмы 1 (осветительная) и 2 (измерительная), сделанные из одного и того же сорта стекла (рис.3). Призмы соприкасаются гипотенузными гранями, между которыми имеется зазор около 0,1 мм. Между призмами помещают каплю жидкости, показатель преломления которой требуется определить.

Луч света от источника 3 (дневной свет или электролампа) направляется на боковую грань верхней (осветительной) призмы и, преломившись, попадает на гипотенузную грань АВ. Поверхность АВ матовая, поэтому свет рассеивается и, пройдя через исследуемую жидкость, попадает на грань CD нижней призмы под различными углами от 0 до 90°. Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла, то лучи света входят в призму 2 в пределах от 0 до _пр.. Пространство внутри этого угла будет освещенным, а вне его - тёмным. Таким образом, поле зрения, видимое в зрительную трубу, разделено на две части: тёмную и светлую. Положение границы раздела света и тени определяется предельным углом преломления, зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

Рис.3

В рефрактометре на осветительную призму 3 от источника белого света через линзу 2 направляют световой луч, который рассеивается матовой поверхностью осветительной призмы, проходит тонкий слой исследуемого вещества и преломляется на гипотенузной плоскости измерительной призмы 4 (рис.4)

Вследствие дисперсии при прохождении светом призм 3 и 4 граница света и тени оказывается окрашенной, поэтому после выхода из измерительной призмы на пути света устанавливают дисперсионный компенсатор 5, склеенный из трех призм, обладающих различным показателем преломления.

Рис.4

Призмы подобраны так, чтобы монохроматический луч с длиной волны =589,3 мкм не испытывал отклонения после прохождения компенсатора. Лучи с другими длинами волн отклоняются призмами в различных направлениях. Вращая компенсатор вокруг его оптической оси, добиваются того, чтобы граница света и тени стала возможно более резкой.

Лучи света, пройдя компенсатор, попадают в объектив 6 и поворотную призму 7. Далее изображение границы раздела света и тени рассматривается в окуляр зрительной трубы 10. При наблюдении в окуляр одновременно видна шкала 9. Так как предельный угол преломления зависит от показателя преломления жидкости, то на 6 шкале рефрактометра сразу нанесены значения этого показателя преломления.

В данной работе в основном используются новые рефрактометры типа "Карат-МТ", позволяющие измерить показатель преломления жидких и твердых тел. Однако, возможно использование и рефрактометров старых образцов. В этом случае в рефрактометре кроме шкалы показателя преломления (правая шкала) имеется вторая шкала - шкала процентного содержания сахара в растворе (левая шкала), расположенная против соответствующих показателей преломления. Для измерения содержания других веществ в растворе (не сахара) требуется предварительная градуировка рефрактометра, то есть получение графика зависимости показателя преломления от концентрации вещества.

Показатель преломления с помощью рефрактометра можно измерять и другим способом, не по предельному углу преломления, а по углу полного внутреннего отражения, то есть производить измерения не в проходящем, а в отраженном свете, пропуская первоначально свет через грань (см. рис.3).

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ

Опасным фактором при выполнении работы является переменное напряжение 220 в 50 Гц, питающее осветитель рефрактометр старого образца. Для соблюдения мер безопасности необходимо:

- подготовить рабочее место, убрать из его зоны предметы, не относящиеся к выполняемой работе, разложить и расставить принадлежности в удобном для выполнения работы порядке;

- внешним осмотром убедиться в исправности прибора и принадлежностей, целостности проводов осветителя;

- с разрешения преподавателя подключить осветитель. Студентам запрещается самостоятельно производить ремонт электросети, делать переключения, не предусмотренные заданием;

- во время работы при появлении необычных звуков, запахов, дыма и т.п. немедленно обесточить осветитель и доложить преподавателю;

- категорически запрещается повторное включение без обнаружения и устранения причин неисправности:

- после окончания работы выключить осветитель, обесточить щиток и сдать рабочее место дежурному лаборанту.

ПОРЯДОК РАБОТЫ С РЕФРАКТОМЕТРОМ "КАРАТ-МТ"

И ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

1. Откинуть верхнюю призму рефрактометра. Плоскости верхней и нижней призм промыть дистиллированной водой и насухо протереть.

2. Стеклянной палочкой или пипеткой, не касаясь призмы, нанести 2-3 капли жидкости на плоскость измерительной призмы и закрыть верхней призмой.

3. Поворотом окон осветительной и измерительной призм к свету (окну) добиться наилучшей освещенности шкалы и штриха.

4. Вращением окуляра добиться резкости изображения.

5. Вращением маховичка "И" ввести в поле зрения окуляра границу светотени.

6. Вращением маховичка "К" компенсатора добиться исчезновения окраски граничной линии.

7. Маховичком "И" навести границу светотени точно на линию штриха и снять отсчет показателя преломления. При отсчете целые, десятые сотые, тысячные доли отсчитывать по шкале, десятитысячные - на глаз.

8. Произвести измерение показателя преломления для жидкостей с известной концентрацией сахара, по полученным данным построить график зависимости показателя от концентрации сахара С. Используя график, определить концентрацию раствора неизвестной концентрации

9. Промыть дистиллированной водой поверхности призм и протереть насухо. Навести порядок на рабочем месте.

ЗАДАЧИ

1. Луч света переходит из воздуха (п=1) в стекло (п=1,5). Определить скорость света в стекле. Считать скорость света в воздухе равной 310⁸м/с.

Ответ: 2 10⁸(м/с)

2. Луч света переходит из воды в стекло. Определить относительный показатель преломления стекла, если абсолютные показатели преломления воды и стекла соответственно равны п=1,33, п=1,5.

Ответ; 1,13

3. Определить абсолютный показатель преломления среды, если скорость света в этой среде 210⁸м/c.

Ответ; 1,5

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какое излучение называется монохроматическим, сложным?

2. Что такое рефракция и почему она происходит?

3. Каков смысл абсолютного и относительного показателя преломления?

4. что называется углом падения и углом преломления?

5. Сформулируйте закон преломления

6. Что называется предельным углом преломления?

7. В чем заключается явление полного внутреннего отражения?

8. В чем заключается принцип работы гибкого световода?

9. Расскажите о применении волоконной оптики.

10. Что называется предельным углом полного отражения?

11. Почему наблюдаемая в рефрактор граница света и тени оказывается окрашенной?

12. Что называется дисперсией света?

13. Что такое отражательная призма и в чем принцип ее работы?

14. Расскажите о применении рефрактометра в медико-биологических исследованиях.

15. Как зависит коэффициент преломления раствора от его концентрации? Что такое концентрация раствора?

ЛИТЕРАТУРА

1. Н.И. Ливенцев, Курс физики, 1974, § 123.

2. Н.М. Ливенцев, Курс физики, 1978, ч.1, §69.

3. А.Н. Ремизов, Курс физики, 1982, гл.29, §11.

ЗАДАНИЕ ПО УИРС

Предварительно составив растворы соли NaCl c концентрациями 5%, 10%, 15% и 20%, получить график зависимости показателя преломления от концентрации раствора.