Лабораторная работа 3.3 физика (1 семестр)

ЗАНЯТИЕ 3.3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ТЕМА: «ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА. ЗАКОН МАЛЮСА. ОПТИЧЕСКИ АКТИВНЫЕ

ВЕЩЕСТВА. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ПОЛЯРИМЕТРА»

Значение темы в системе знаний врача: Закон поляризации света лежит в основе работы поляриметра. Этот прибор используется в медико-биологических исследованиях для определения концентрации различных веществ в биологических жидкостях (плазма крови, моча), что имеет важное практическое значение.

Цель работы: изучение принципа работы поляриметра, определение угла вращения плоскости поляризации света и удельного вращения растворов сахара, определение концентрации сахара в растворе.

Приборы и принадлежности: поляриметр, растворы сахарозы различной концентрации.

Студент должен знать:

1.Определение понятия «свет». Уравнение электромагнитной волны. Графическое изображение электромагнитной волны.

2.Понятие естественного, поляризованного и частично поляризованного света (схематическое изображение).

3.Поляризатор и анализатор. Закон Малюса.

4.Явление вращения плоскости поляризации оптически активными веществами (примеры). Определение угла вращения плоскости колебаний поляризованного света в растворах и твёрдых веществах.

5.Вращательная дисперсия.

6.Устройство и принцип действия поляриметра (принципиальная схема и ход лучей в поляриметре).

7.Устройство и работа составных частей прибора.

8.Применение поляриметра в медицине.

Студент должен уметь:

1.Определять нулевой отсчёт без трубки для растворов и находить абсолютную погрешность измерения 0 .

2.Определять по поляриметру угол вращения плоскости поляризации света.

3.Строить градуировочный график и по графику определять неизвестную концентрацию раствора сахарозы.

Краткая теория

Естественный и поляризованный свет

Свет – это электромагнитные волны, уравнение которых имеет вид:

скорость распространения электромагнитной волны.

Химическое и биологическое действие света в основном связано с электрической

составляющей поля электромагнитной волны. Поэтому вектор напряжённости E электрического поля называется световым.

Естественный свет представляет собой совокупность волн, излучаемых множеством атомов и молекул источника света. Колебания векторов напряженности электрического поля происходят во всевозможных направлениях, и поэтому плоскости их колебаний постоянно изменяются.

Если выбрать две любые взаимно перпендикулярные плоскости, проходящие через луч

естественного света, и спроецировать векторы E на плоскости, то в среднем эти проекции будут одинаковыми. Поэтому луч естественного света удобно изображать как прямую, на которой расположено одинаковое число тех и других проекций в виде чёрточек и точек:

Если же направления колебаний вектора напряженности электрического поля упорядочены каким-либо образом, то свет называется поляризованным. При некоторых

распространения электромагнитной волны, является плоскостью поляризации. Плоскополяризованную волну излучает отдельный атом. Изображают такую волну

прямой с чёрточками или точками:

Луч света, состоящий из естественной и поляризованной составляющих, называют

частично поляризованным:

Поляризатор и анализатор

Устройство, позволяющее получать поляризованный свет из естественного,

называют поляризатором. Он пропускает только составляющие вектора E на некоторую плоскость – главную плоскость поляризатора. Т.е. он пропускает колебания, параллельные только одной (главной) плоскости, и полностью задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости. При этом через поляризатор проходит поляризованный свет, интенсивность которого равна половине интенсивности падающего света:

При вращении поляризатора относительно луча естественного света поворачивается плоскость колебаний вышедшего плоскополяризованного света, но интенсивность его не изменяется.

Человеческий глаз не обнаруживает различия между поляризованным и естественным светом. Чтобы исследовать, является ли свет после прохождения поляризатора действительно поляризованным, на пути лучей ставят второй поляризатор, который называют анализатором. Он используется для анализа поляризованного света.

Закон Малюса

Первая составляющая колебаний пройдёт через анализатор, вторая будет задержана им.

Интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды. Следовательно, интенсивность света, прошедшего через

анализатор, пропорциональна E 2 Cos 2 :

I I 0 Cos 2

где I – интенсивность света, вышедшего из анализатора;

I 0 – интенсивность поляризованного света,

падающего на анализатор.

Эта зависимость выражает закон Малюса.

Если плоскости поляризатора и анализатора

параллельны, 0 , , т.е. Соs 1 , то экран, помещённый за анализатором, будет максимально освещённым.

Если 90 , т.е. Cos 0 (поляризатор и анализатор скрещены), то экран будет

тёмным.

При повороте анализатора относительно луча падающего поляризованного света интенсивность вышедшего света изменяется от 0 до I 0 .

Вращение плоскости поляризации

Явление вращения плоскости поляризации заключается в повороте плоскости поляризации поляризованного света при прохождении через вещество. Вещества, обладающие таким свойством, называют оптически активными.

Пусть свет падает на систему поляризатор-анализатор, которые поставлены, скрещено, т.е. их главные плоскости перпендикулярны. Свет до наблюдателя не дойдёт, т.к. анализатор не пропустит поляризованный свет в соответствии с законом Малюса.

Если между поляризатором и анализатором поместить кварцевую пластинку, то свет до наблюдателя будет доходить (Рис.2).

Если же анализатор повернуть на некоторый угол, то можно вновь добиться затемнения. Это свидетельствует о том, что кварцевая пластинка вызвала поворот плоскости поляризации на угол , соответствующий повороту анализатора для получения затемнения.

К оптически активным веществам относится ряд твёрдых тел (кварц, сахар и др.) и многие жидкости (скипидар, водный раствор сахара, никотин, винная кислота и др.), а так же некоторые газы и пары (пары камфоры).

Вещества, поворачивающие плоскость колебаний по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), называют правовращающими; а вещества, поворачивающие эту плоскость в противоположном направлении – левовращающими. Вращение обусловлено асимметричным строением молекул, не имеющих ни центра симметрии, ни плоскости симметрии.

Угол поворота плоскости колебаний поляризованного света в растворах пропорционален толщине l слоя вращающего вещества и концентрации C раствора:

вращение равно углу, на который поворачивается плоскость колебаний поляризованного света, проходящего через слой раствора единичной толщины и единичной концентрации.

Удельное вращение зависит от длины волны света , поэтому одно и то же активное вещество поворачивает плоскость поляризации волн различной длины на разные углы. Так, например, слой водного раствора сахара толщиной 1дм при концентрации 1 г/см3 поворачивает плоскость поляризации красного света ( =0,656 мкм) на 53 , жёлтого света ( =0,589 мкм) на 66,5 , зелёного света ( =0,535 мкм) на 82 .

Это явление называют вращательной дисперсией.

Угол поворота плоскости колебаний поляризованного света в веществе:

0 l

–коэффициент пропорциональности, или постоянная вращения (град/м или град/мм). Характеризует вращательную способность вещества.

Поляриметрия

На вращении плоскости колебаний поляризованного света основан простой и весьма точный метод определения концентрации растворов оптически активных веществ. Этот метод (поляриметрия) широко используют в медицине для определения концентрации сахара в моче, в биофизических исследованиях, а так же в пищевой промышленности.

Прибор, служащий для определения концентрации растворов оптически активных веществ, называется поляриметром.

Устройство и принцип работы поляриметра

Принципиальная схема поляриметра:

Ход лучей в поляриметре:

В поляриметре применён принцип уравнивания яркостей разделённого на две части поля зрения. Разделение поля зрения на две части осуществлено введением в оптическую систему прибора кварцевой пластинки, которая занимает половину поля зрения. Уравнивание яркостей частей поля зрения происходит вблизи полного затемнения поля, что соответствует почти полному скрещиванию поляризатора и анализатора.

Свет от источника с помощью зеркала прибора направляется в узел поляризатора. Пройдя оранжевый светофильтр и поляризатор, монохроматический поляризованный свет одной половиной пучка проходит через кварцевую пластинку и анализатор, а другой половиной пучка – только через анализатор. Уравнивание яркостей частей поля зрения производится путём вращения анализатора. Наблюдая в окуляр, поворачивают анализатор таким образом, чтобы свет не проходил через него, т.е. устанавливают анализатор на “темноту”. Отсчёт положения анализатора производят по кругу, имеющему угловые деления.

Если между поляризатором и анализатором ввести трубку с оптически активным веществом, то равенство яркостей частей поля зрения нарушается, т.к. раствор повернёт плоскость поляризации на угол . Равенство яркостей может быть восстановлено поворотом анализатора на угол, равный углу поворота плоскости поляризации. Следовательно, разностью двух отсчётов, соответствующих равенству яркостей частей поля с оптически активным раствором и без него, определяется угол вращения плоскости поляризации. По углу вращения плоскости поляризации возможно определение концентрации вещества.

Устройство и работа составных частей прибора:

Составные части прибора (рис.4): 1 – кронштейн 2 – соединительная трубка

3 – головка анализатора

4 – оправа окуляра

5 – отсчётная лупа

6 – трубка для растворов

7 – втулка

8 – раковина

9 – зеркало Головка анализатора состоит из зрительной трубки,

неподвижного лимба с градусной шкалой и совместно вращающихся частей: анализатора, нониуса и отчётной лупы. Головка анализатора с поляризационным

устройством соединены соединительной трубкой. В разрез соединительной трубки устанавливается трубка для растворов.

На соединительной трубке крепится зеркало в оправе. Анализатор, как и поляризатор, изготовлен из поляроидной плёнки, заклеенной между двумя защитными стёклами.

Поляризационное устройство состоит из поляризатора, оранжевого светофильтра, кварцевой пластинки.

Трубка для растворов имеет длину стеклянной трубки 95,04 мм. На концах трубки запрессованы металлические втулки, на которые навинчиваются раковины, прижимающие покровные стёкла. Между раковиной и покровным стеклом помещается резиновая прокладка, предохраняющая покровное стекло от возникновения в нём натяжения при его закреплении.

Зрительная трубка служит для наблюдения двойного поля зрения и состоит из объектива и окуляра. Вращением оправы окуляра производится установка окуляра по глазу на резкость изображения линии раздела поля зрения.

На неподвижном лимбе (рис.5) вправо и влево от нуля нанесено 20 делений. Цена деления лимба 1 . В плоскости лимба на подвижной втулке имеются два нониуса – левый и правый. Каждый нониус разделён на 10 делений. Минимальное значение величины отсчёта по нониусу 0,1 .

Отсчёт производят в следующем порядке.

Сначала посмотреть, на сколько полных градусов повёрнут нуль нониуса по отношению к лимбу. Если нулевой штрих нониуса при установке на равенство яркостей частей поля зрения оказался относительно нулевого штриха лимба смещённым по часовой стрелке, то отсчёту приписывается знак (+), если против часовой стрелки – знак (-).

Затем подсчитать число делений от нуля нониуса до штриха нониуса, совпадающего с градусным штрихом лимба. Умножить

полученное число делений на 0,1 . К числу градусов, взятых по лимбу, прибавить отсчёт по нониусу.

Пример. Рассмотрим рис.5. Нуль нониуса по отношению к лимбу повёрнут на одно полное деление, т.е. на один градус. Нулевой штрих смещён по часовой стрелке. Следовательно, отсчёту приписывается знак (+). По правому нониусу считаем число делений от нуля нониуса до штриха, совпадающего с градусным штрихом лимба. Число делений равно 9, т.е. по

9 0,1 = 0,9 .

Соответственно, получаем:

1 + 0,9 = 1,9 - отсчёт по нониусу.

Ход работы:

Упражнение 1. Определение нулевого отсчёта прибора.

Нулевой отсчёт определить без трубки для растворов:

а) вращением оправы окуляра установить окуляр по глазу на резкое изображение линии раздела поля зрения; б) вращением кольца поворачивать анализатор и добиться равенства яркостей частей поля

зрения (в чувствительном положении). Установку на равномерную яркость частей поля

зрения повторить три раза. Каждый раз брать отсчёты по нониусу . Средняя величина

0

из трёх отсчётов является нулевым отсчётом прибора 0 ; в) посчитать абсолютную погрешность измерения 0 :

0 0 0

инайти её среднее значение 0 ;

г) результаты измерений занести в таблицу № 1.

Упражнение 2. Определение угла вращения плоскости поляризации оптически активным раствором.

а) для определения угла вращения плоскости поляризации трубку с раствором сахарозы поместить в соединительную трубку прибора; б) установить окуляр по глазу на резкое изображение разделяющей линии поля зрения;

в) поворотом анализатора установить равенство яркостей частей поля зрения и взять отсчёт по нониусу 0 . Измерения повторить три раза и вычислить среднее значение ;

г) посчитать абсолютную погрешность измерения , вычислить среднее значение ; д) вычислить угол вращения плоскости поляризации вр с учётом поправки прибора 0 ,

обязательно учитывая знак нулевого отсчёта:

вр ( 0 ) ; е) проделать измерения для других концентраций раствора сахарозы, в том числе и для неизвестной; ж) все данные внести в таблицу №1

Таблица №1

Упражнение 3. Определение концентрации сахарозы в растворе.

а) Подобно примеру, приведённому на рис.6, постройте ниже график зависимости вр f ( C ) .

б) затем рассчитать среднюю абсолютную погрешность угла вращения х :

х 2 ( 0 х ) ;

в) по графику найти неизвестную концентрацию с учётом погрешности:

С х ( С х С х ),% .

По результатам выполненной работы записать вывод.

1.Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика: учебник / А.Н. Ремизов. –

М.: Дрофа, 2010

2.Ремизов, А. Н. Сборник задач по медицинской и биологической физике: учебное пособие / А.Н. Ремизов, А.Г. Максина. – М.: Дрофа, 2010.

3.Физика и биофизика. Практикум: учебное пособие для вузов / В.Ф. Антонов и др.

– М. ГЭОТАР-Медиа, 2008

4.Фёдорова, В.Н., Фаустов, Е.В. Медицинская и биологическая физика: учебное пособие для вузов. Курс лекций с задачами. - М.ГЭОТАР-Медиа, 2009.