Порядок выполнения работы

1. Расположите приборы на оптической скамье так, как указано на рис.25. Осветитель (ОСВ) смонтирован на оптической скамье (ОС). В качестве анализатора А и поляризатора Р используют турмалиновые пластинки. Экран должен быть расположен перпендикулярно направляющим оптической скамьи. Включите осветитель с помощью тумблера на корпусе осветителя. Получите четкое изображение пятна с помощью объектива (Об).

ВНИМАНИЕ! В процессе работы корпус осветителя сильно нагревается. Будьте осторожны! Включать его следует только на время проведения опыта.

2. Снимите со скамьи анализатор А и, вращая поляризатор Р вокруг луча, убедитесь, что освещенность экрана (яркость пятна) не изменяется.

3. Установите анализатор на оптическую скамью. Указатель шкалы анализатора установите против метки «0» на лимбе. Вращая поляризатор вокруг луча, убедитесь в том, что яркость пятна на экране изменяется. Добейтесь полного гашения луча на экране. Сделайте вывод по визуальным наблюдениям при проведении опытов (п.п. 2-3). Объясните результаты наблюдений.

4. Вращая поляризатор вокруг луча (указатель на лимбе анализатора должен быть против метки «0»), добейтесь максимальной освещенности экрана (визуально). В центр этого пятна поместите фотоэлемент ФЭ (рис. 25). Включите фотоэкспонометр в сеть. Нажмите кнопку на корпусе фотоэкспонометра и, вращая ручку «чувствительность», установите стрелку прибора, например, против метки «1» (по верхней шкале). Вращая поляризатор, следите за стрелкой прибора. В момент достижения максимальной освещенности показания измерителя прибора должно быть минимальным (помните:   1/I).

5. После настройки анализатора и поляризатора на максимальную освещенность, вращая ручку «чувствительность» фотоэкспонометра, установите стрелку измерителя, против метки «0,5» по верхней шкале. Это будет соответствовать минимальному времени экспозиции при максимальной освещенности экрана. Запишите значение  = 0,5 с и

 = 0 в табл. 9.

6. Определите цену деления шкалы лимба анализатора. Запишите в табл. 9 значения всех углов (через одно деление шкалы). Поворачивая анализатор вокруг луча на одно деление по шкале лимба (от 0 до 90⁰), записывайте значения _i по шкале экспонометра для всех углов _i в табл. 9.

7. Проверьте точность настройки системы «поляризатор-анализатор» на максимум освещенности. Для этого поверните лимб еще на одно деление ( > 90⁰). Если при этом время уменьшится, значит установка анализатора и поляризатора проведена точно. В противном случае произведите дополнительную корректировку на максимальную освещенность и измерения повторите сначала.

8. Верните указатель лимба анализатора к метке «90». Повторите опыт по измерению времени экспозиции при уменьшении угла  от 90⁰ до 0. Результаты запишите в табл. 9.

9. Повторите опыты не менее трех раз в прямом и обратном направлении. Результат занесите в табл. 9. Найдите среднее значение <> для каждого угла _i по формуле:

10. Рассчитайте величину, обратную <>, т.е. 1/<>. Эта величина будет оценивать интенсивность света в усл. ед. Результаты занесите в табл.9.

11. Для каждого угла _i определите cos _i и рассчитайте значения

cos²_i. Результаты занесите в табл. 9.

12. По полученным данным постройте график зависимости 1/ с^-1 от cos²_i: 1/ = f(cos²_i). Сделайте вывод.

Таблица 9

	0	0	…………..	90
	№ опыта
, с ( возр.)	1
	2
	3
, с ( убыв.)	1
	2
	3
	<>, с
	1/<>, с-1
	cos 
	cos2

ЗАДАНИЕ 2. Изучение явления вращения плоскости поляризации

оптически активным веществом

Рис. 26

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества (кварц, сахар, раствор сахара, скипидар) происходит вращение плоскости поляризации света. Вещества, способные поворачивать плоскость поляризации, называются оптически активными.

Если между скрещенными поляризатором и анализатором, настроенные на темное поле зрения (рис. 26), поместить оптически активное вещество (например, трубку Т с раствором сахара), то поле зрения просветляется.

Чтобы получить вновь темное поле зрения, анализатор нужно повернуть вокруг луча на некоторый угол . Угол  - это угол на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор.

Опытом установлено, что для оптически активного раствора угол вращения плоскости поляризации равен

(5-6)

где [₀] – удельное вращение, зависящее от рода вещества, от температуры и длины волны света; - длина пути луча в оптически активном веществе; С – массовая концентрация раствора (г/см³).

Измеряя угол вращения плоскости поляризации () трубки с исследуемым веществом и длину трубки (), можно рассчитать концентрацию раствора оптически активного вещества по формуле, полученной из (5-6).

Рис.27

(5-7)

Для этой цели используется прибор, называемый поляриметром (сахариметром), схема которого показана на рис. 27.

Рис. 28

Основными частями прибора служат поляризатор (1), анализатор (2) и кварцевая пластинка (4). Между анализатором и поляризатором помещают трубку с оптически активным раствором (3) в светонепроницаемый корпус, имеющий откидную крышку. Поле зрения рассматривается в окуляр (5). Прибор снабжен лимбом (6), связанным с анализатором, и нониусом, по которому производится отсчет углов в градусах с точностью до 0,5⁰ (рис.28).

На лимб нанесена шкала от 0 до 360⁰. Внутри лимба расположен нониус, имеющий 20 делений. Цена деления шкалы нониуса 0,5⁰. Вращение анализатора и связанного с ним нониуса производится с помощью фрикциона 7 (рис.27).

Рис. 29

В сахариметре, применяемом в данной лабораторной работе, используется принцип уравнивания яркостей двух половинок зрения, наблюдаемых в поле зрения окуляра (рис. 29). Поворачивая анализатор на угол , равный углу вращения плоскости поляризации оптически активным веществом, добиваются одинаковой освещенности в поле зрения, пока не исчезнет граница раздела между светом и темнотой.

Для этого служит кварцевый клин 4 (рис. 27). Его перемещение вызывает поворот плоскости поляризации в обратном направлении. В процессе работы рекомендуется настраивать прибор на темное поле зрения. В этом случае глаз легче улавливает смену освещенностей.

Т.к. удельное вращение оптически активного вещества [₀] зависит от длины волны, то в поле зрения вводят светофильтр, обычно красный (  650 нм).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомьтесь с принципом устройства и работы сахариметра. (рис.27). Включите прибор в сеть. Подведите нулевую точку нониуса к нулевой отметке основной шкалы. Глядя в окуляр и медленно вращая фрикцион 7, добейтесь одинаковой освещенности поля зрения (должна исчезнуть граница раздела между светлой и темной половинками поля зрения). Лучше всего настраивать на темное поле зрения. Если после этого нулевые отметки нониуса и шкалы окажутся смещенными относительно друг друга, запишите поправку на «нуль» ₀ в табл. 10. В дальнейших вычислениях учитывайте эту поправку:  =  ₀.

2. Откинув крышку корпуса прибора, поместите в него одну из трубок с раствором сахара. Закройте крышку. Глядя в окуляр, убедитесь, что в поле зрения появилась граница раздела двух половинок зрения (темная и светлая). Вращая фрикцион, добейтесь одинаковой освещенности поля зрения (настраивайте на темноту).

3. Сделайте отсчет угла по шкале и запишите его в табл. 10. Запишите значение угла ₁ с учетом поправки ₀ (см. п.1).

4. Опыт с данной трубкой повторите не менее трех раз, устанавливая предварительно «нулевую» точку шкалы ₀ (п.1), т.е. каждый раз производите отсчет от «0». Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 10. Найдите <_i>.

Примечание: 1. Момент выравнивания освещенностей определяется следующим образом. После исчезновения границы раздела (по вашим визуальным ощущениям) поверните фрикцион, пока не появится вновь граница. Затем, вращая фрикцион в обратную сторону, добейтесь, чтобы, например, левая половинка (светлая) стала темной. После этого определите среднее положение фрикциона между сменой света на темноту данной половинки зрения, что будет соответствовать достаточно точной настройке на равную освещенность (поле зрения – темное). 2. Фрикцион рекомендуется всегда вращать в одну сторону (по часовой или против часовой стрелки).

5. Повторите опыты (п.2-4) еще с двумя трубками, содержащими раствор сахара неизвестной концентрации. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 10, продолжив ее вниз.

6. Рассчитайте концентрации С_i всех трех растворов по формуле (5-7) по среднему значению <_i>. Результаты запишите в табл. 10.

7. По полученным данным постройте график зависимости угла вращения плоскости поляризации от концентрации раствора:  = (С). Сделайте вывод.

8. Повторите опыт (п.2-4) с четвертой трубкой, содержащей раствор сахара известной концентрации С₄. Продолжив вниз табл. 10, запишите значение С4 (указано на установке).

9. Используя полученный график (п.7), по найденному значению <₄> определите значение концентрации . Сравните его с заданной концентрацией С₄. Результат запишите в табл. 10 в виде дроби . Сделайте вывод.

10. Оцените случайную погрешность ₄ (для трубки № 4) по формуле Стьюдента и запишите ответ в виде: ₄ = <₄>  .

11. Оцените относительную погрешность измерения концентрации по формуле:

Рассчитайте абсолютную погрешность С₄ = С₄. Запишите результат в виде: С₄ = С₄  С₄.

Таблица 10

№ трубки	, дм	[0]	№ опыта	<0>, град	, град	, град	<Сэксп>, г/см3
		66,5	1 2 3

Примечание: Таблицу продолжить вниз, учитывая число трубок.