Длины волн светофильтров

1. Красный 720 Н м;

2. Оранжевый 610 Н м;

3. Желтый 570 Н м;

4. Зеленый 500 Н м;

5. Синий 470 Н м;

6. Фиолетовый 410 Н м.

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называют оптически активными?

2. Как объяснить вращение плоскости поляризации (по Френелю)?

3. Что такое постоянная вращения?

4. От чего зависит постоянная вращения?

5. Что такое вращательная дисперсия?

6. Устройство и назначение поляриметра.

7. Порядок работы.

Литература

1. Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – 478с.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико–математической литературы, 1982. – 496с.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: Учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. шк. 1989. – 608с.

4. Лабораторный практикум по физике: Учеб. пособие для студентов втузов /Ахматов А.С., Андреевский В.М., Кулаков А.И. и др.; Под ред. А.С. Ахматова. – М.: Высш. школа, 1980. – 360с., ил.

5. Физический практикум. Электричество и оптика /Под редакцией В.И. Ивероновой, ГИФМЛ, 1968. – 816с.

6. Лекции.

Лабораторная работа №2 Определение концентрации сахара

Цель работы: 1.Познакомится с практическим применением явления вращения плоскости поляризации.

2.Изучить устройство и принцип действия сахариметра.

3.Определить концентрацию сахара в растворе.

4.Найти постоянный коэффициент удельное вращение.

Приборы и принадлежности: Сахариметр, поляриметр, водные растворы сахара.

Краткая теория

Свет представляет собой поперечные электромагнитные волны. Эта особенность световых волн особенно ярко проявляется в явлении поляризации света.

В естественном свете колебания вектора напряженности электрического поля (Е–световой вектор) совершаются во всевозможных направлениях, перпендикулярных направлению распространения света. Плоскополяризованный свет характеризуется тем, что в нем колебания светового вектора, совершаются в одном направлении. Плоскость, определяющую это направление и содержащую световой луч, называют плоскостью колебаний. Плоскость перпендикулярная к той, в которой совершаются световые колебания, называется плоскостью поляризации. Следовательно, плоскость световых колебаний и плоскость поляризации взаимно перпендикулярны.

Поляризованный свет можно получить несколькими способами.

1. Через отражение от неметаллической поверхности.

2. Через преломление в стеклянных пластинах (стол Столетова).

3. Через преломление естественного света в кристаллах.

В первом случае свет отраженный будет полностью поляризован только при выполнении закона Брюстера:

tgi_В=n₂₁

где n₂₁ – относительный показатель преломления;

i_В – угол полной поляризации (угол падения луча или угол Брюстера).

Для стекла i_В =57°. При полной поляризации плоскость колебаний отраженной волны перпендикулярна к ее плоскости падения.

Во втором случае поляризация бывает не полной.

В третьем случае наблюдается двойное лучепреломление, то есть разделение световой волны на две, идущие с разными скоростями.

В одноосных кристаллах имеется одно направление, называемое оптической осью, идя по которому световая волна не раздваивается. Свет, входящий в кристалл по иному направлению, распадается на две полностью поляризованные волны с взаимноперпендикулярными плоскостями колебаний.

Одна из этих волн, носящая название обыкновенной, распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью, то есть характеризуется постоянным значением показателя преломления. Это условие объясняется тем, что световые колебания обыкновенной волны перпендикулярны к главному сечению кристалла, те есть к плоскости проходящей через направление распространение света и направление оптической оси. Вторая световая волна, называемая необыкновенной распространяется в кристалле с различными скоростями в зависимости от направления распространения и, следовательно, характеризуется различными показателями преломления. Такое обстоятельство объясняется тем, что световые колебания необыкновенной волны совершаются в плоскости главного сечения кристалла.

Отличить естественный свет от поляризованного и определить направление световых колебаний в нем можно при помощи анализаторов (Призма Николя, поляроиды и т.д.).

Если на анализатор падает свет, плоскость световых колебаний которого составляет угол α с главной плоскостью анализатора, то интенсивность пропущенного им света определяется законом Малюса: интенсивность света, прошедшего через анализатор, пропорциональна интенсивности света, прошедшего через поляризатор и квадрату косинуса угла между плоскостями колебаний поляризатора и анализатора.

Рассмотрим плоскополяризованный луч рис.1. Точка “О” – след луча, идущего к нам, перпендикулярно к плоскости чертежа, ПП – плоскость колебаний поляризатора (задаваемая поляризатором), ПА – плоскость колебаний анализатора, А – амплитуда колебаний после прохождения лучом поляризатора. Разложим амплитуду на составляющие А₁ (в плоскости ПА) и А₂ (перпендикулярную к плоскости ПА). Анализатор пропустит лишь составляющую А₁. Так как интенсивности света I пропорциональны квадратам амплитуд, то

или ,

где I₀ – интенсивность падающего на анализатор светового пучка.

рис.1

Если между двумя скрещенными николями поместить сосуд с раствором сахара, то в монохроматическом свете наблюдается просветление поля, которое можно устранить, вращая анализатор вправо или влево на некоторый угол. Это явление объясняется тем, что плоскость поляризации повернулась на этот же угол.

Вещества, обладающие такой способностью вращать плоскость поляризации, называются оптически активными.

Угол поворота плоскости поляризации для оптически активных растворов подчиняется закону Био (1815г.): угол поворота плоскости поляризации света пропорционален толщине слоя и концентрации оптически активного вещества, который проходит световой луч и определяется уравнением:

,

где φ – угол поворота в градусах;

С – массовая концентрация оптически активного вещества в растворе кг/м³;

d – расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе;

[α] – удельное вращение.

Удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной концентрацией, зависит от химической природы вещества, температуры и очень сильно зависит от длины волны света в вакууме, т.е. обладает дисперсией.

Приборы, с помощью которых можно определить угол поворота φ плоскости поляризации, называются поляриметрами или сахариметрами.

Для определения концентрации сахара используются полутеневые поляриметры. Оптическая схема полутеневого поляриметра для определения концентрации сахара по методу Умова приведена на рис.2.

рис.2

где S – источник света;

Р – поляризатор (призма Николя);

П – полутеневая пластинка;

Т – камера для трубок с раствором сахара;

К – кварцевый компенсатор;

А – анализатор (призма Николя).

Поляриметр имеет окуляр для наблюдения поля зрения и окуляр для наблюдения отсчетной шкалы. Для повышения точности установки анализатора на темноту в поляриметре применяется полутеневое устройство, с помощью которого производится установка не на темноту, а на равенство освещенностей двух половин поля зрения.

Полутеневая пластинка рис.3 состоит из двух половинок: стеклянной С и кварцевой К; АВ – граница раздела стекла и кварца. Допустим, что на пластинку падает монохроматический линейно поляризованный свет с плоскостью колебаний РР. Через стеклянную пластинку свет пройдет, не изменив плоскости колебаний, а через кварцевую пластинку выйдет свет с новой плоскостью колебаний Р₁Р₁ (кварц – оптически активное вещество). Если затем пропустить оба луча через анализатор, у которого плоскость колебаний, например, совпадает с плоскостью, перпендикулярной РР, то луч левой половины поля зрения С будет погашен и поле зрения в этой половине будет темное, тогда как часть света правой половины будет пропущена анализатором и поле этой половины будет светлое. Если плоскость колебаний пропускаемых анализатором перпендикулярна Р₁Р₁, то будет обратное явление. В среднем положении анализатора, при котором обе половины поля зрения будут одинаково освещены, получим “нулевую точку”. Раствор сахара помещается между полутеневой пластинкой из кварца – стекла и анализатором, предварительно поляриметр устанавливаем на нулевую точку. Угол, на который надо повернуть анализатор, чтобы достигнуть вновь равной освещенности, очевидно, равен углу поворота плоскости поляризации.

рис.3

Если используется источник белого света (лампа накаливания) вводится дополнительное приспособление – кварцевый компенсатор. Он состоит из двух клиньев, сделанных из левовращающего кварца. Один клин К₁ – неподвижный, второй К₂ – подвижный (рис.2). Перемещая К₂ относительно К₁, можно изменить величину левого вращения плоскости поляризации, даваемого клиньями К₁ и К₂. Так как раствор сахара вращает плоскость поляризации вправо (по часовой стрелке), то это вращение компенсируется левым вращением кварцевого компенсатора, удельное вращение которого примерно такое же, как у сахара для всех длин волн белого света. Подвижный клин К₂ кварцевого компенсатора перемещается вместе со шкалой. Линейное перемещение клина пропорционально углу вращения плоскости поляризации, поэтому шкала прибора проградуирована в угловых единицах, называемых градусами Вентцке. Для более точного отсчета шкала имеет нониус.

В полутеневом поляриметре (рис.4) используется аналогичный метод оценки угла вращения плоскости поляризации оптически активным веществом, что и в методе Умова. Данный полутеневой поляриметр отличается лишь конструктивно.

рис.4

где S – источник света;

Е – труба;

Р – большой поляризатор;

р – малый поляризатор;

Н – сахариметрическая трубка;

А – анализатор.