Порядок выполнения задания № 1

1. На рис. 5 приводится схема экспериментальной установки. Работа выполняется в затемненном помещении. Перемещая лампу накаливания, добейтесь максимального освещения поляроида, затем включите в сеть прибор Щ-302 (кнопки "авт." и "I" отжаты).

Рис. 5. Схема экспериментальной установки для проверки закона

Малюса: S – источник света (лампа накаливания); П – по-

ляризатор, А – анализатор; Ф – фотоэлемент; G – регист-рирующее устройство (ампервольтметр Щ-302)

В используемой экспериментальной установке поляроид, обращенный к источнику света, вращается. Второй поляроид закреплен перед фотоэлементом неподвижно. Вращая поляроид, добейтесь максимального значения показаний ампервольтметра. Запишите значения угла  и силы тока I.

Поворачивайте поляроид на 360° и через каждые 10 (до завершения полного оборота) определяйте и записывайте показания ампервольтметра. Повторите измерения, меняя угол от 360 до 0. Усредните результаты.

2. Постройте график зависимости силы фототока I, пропорциональной интенсивности J прошедшего света, от угла поворота .

3. Определите степень поляризации света по формуле

.

4. Постройте график зависимости силы фототока I от cos².

Контрольные вопросы к заданию №1

1. Какой свет называется плоскополяризованным?

2. В чём состоит явление двойного лучепреломления?

3. Что такое оптическая ось?

4. Какие плоскости в кристалле называют главными?

5. Почему интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды вектора ?

6. Как формулируется закон Брюстера?

Задание №2. Определение концентрации раствора сахара поляриметром Приборы и принадлежности

Осветитель; поляриметр; трубки с раствором сахара; линейка.

Цель работы  изучить принцип работы прибора су-1 (сахариметра универсального).

Краткая теория

Некоторые так называемые оптически активные вещества, например раствор сахара, обладают способностью вращать (поворачивать) плоскость колебаний поляризованного луча света.

Пусть две призмы Николя I и II перекрещены и не пропускают света (рис. 6); поместим между ними слой раствора сахара. Тогда плоскость колебаний поляризованного луча, вышедшего из Николя I, при прохождении раствора сахара повернётся на некоторый угол . Плоскость колебаний луча, падающего на Николь II, уже не будет перпендикулярна его главному сечению; через Николь II будет частично проходить свет. Чтобы Николь II опять не пропускал свет, его надо повернуть на некоторый угол  вслед за повёрнутой плоскостью колебаний луча, прошедшего через раствор сахара.

Угол поворота плоскости колебаний пропорционален толщине раствора и его концентрации

KLC,

где   угол поворота плоскости колебания; K – постоянная прибора; L  толщина слоя раствора (длина пути света в исследуе-

мом растворе); С  концентрация раствора.

Отсюда

. (2)

Рис. 6. Поворот плоскости колебаний волны

Итак, для нахождения концентрации раствора сахара достаточно измерить угол поворота плоскости колебаний луча света, проходящего через слой этого раствора определенной толщины; кроме того, необходимо знать значение постоянной прибора.

Следует заметить, что определение угла поворота плоскости поляризации с помощью двух установок на темноту без активного вещества и с ним довольно неточно и обычно заменяется специальным устройством —­ полутеневым анализатором. Полутеневой анализатор можно по­лучить из обычной поляризационной призмы. Пусть она про­пускает свет с плоскостью колебаний AA (рис. 7, а).

Если плоскость колебаний падающего света перпендикулярна AA, то поле зрения будет совершенно темным. Призму разрезают вдоль АА, от каждой половинки сошлифовывают по клинооб­разному слою в 2,5 и склеивают их (рис. 7, б). Тогда левая половина призмы будет полностью пропускать колебания в направлении АА₁, правая — в направлении АА₂. Если вектор перпендикулярен биссектрисе угла A₁AA₂, то по закону Малюса левая и правая половины поля зрения будут одинаково освещены (рис. 7, г), т.е.

J = J₀ cos² .

Рис. 7. Схема полутеневого анализатора

В том случае, когда плоскость Е наклонена на малый угол, то равенство освещенности полей нарушается (рис. 7, в, д). Устанавливая полутеневой анализатор вместо второго Николя (рис. 6), можно получить удобный для пользования поляриметр. Вращение плоскости­ поляризации можно использовать для определения концентрации растворов. Поляриметры, применяемые для определения концентрации сахара в растворах, называются сахариметрами (рис. 8).

Зрительная труба установлена так, что наблюдатель ясно видит бикварцевую пластинку. Поляризатор П и анализатор A скрещены и установлены неподвижно. Бикварцевая пластинка Q ₁ состоит из двух склеенных по диаметру полукруглых пластин лево- и правовращающего кварца (Л и П). Плоскость колебания света, вышедшего из поляризатора П, поворачивается одной частью бикварца в левую сторону, другой на такой же угол  в правую. Если трубка Т, пластинки Q ₂ и Q ₃ отсутствуют, то обе половины поля зрения будут освещены одинаково. Наличие трубки

Рис. 8. Оптическая схема сахариметра Солейля: П  Николь- поляризатор, Q₁  бикварцевая плас­тинка, Т  трубка с исследуемым раствором, Q₂  пластинка из правовращающего кварца, Q₃  пластинка из двух одновременно сдвигаемых один относительно другого клиньев левовращающегося кварца, A  николь-анализатор, L  зрительная труба

с активным раствором вызовет поворот плоскостей колебаний, вышедших из бикварца на некоторый угол, равномерная освещенность поля зрения нарушится. Для того чтобы снова получить равномерную освещенность поля применяется компенсационное устройство, состоящее из пластинок Q₂ и Q₃. При нормальном положении клиньев (рис. 8) компенсатор Q₂  Q₃ не вращает плоскости поляризации. При уменьшении толщины Q₃ компенсатор Q₂  Q₃ вызывает вращение плоскости поляризации вправо, при увеличении толщины Q₃  влево. Таким образом, перемещением клиньев (изменяя толщину пластинки Q₃) можно вновь повернуть плоскости колебаний так, чтобы обе половины поля зрения были освещены одинаково. Компенсация может быть произведена для лево- и правовращающих веществ.

Перемещение клиньев фиксируется по шкале, которая может быть проградуирована в угловых градусах, определяющих поворот плоскости колебаний исследуемым раствором. Шкалы некоторых сахариметров проградуированы в градусах Вентцке: 1 Вентцке = 0,34657 угл. градуса.

В технических сахариметрах обычно имеются шкалы, которые могут сразу указывать процентное содержание сахара в данном растворе.

В настоящей работе используется сахариметр СУ-1 (рис. 9).

Рис. 9. Сахариметр универсальный СУ-1: 1  камера для помещения трубок с исследуемым раствором сахара; 2  трубки с раствором сахара; 3  осветитель; 4  светофильтр; 5  камера с поляризатором; 6  камера с полутеневым анализатором; 7  камера с компенсатором; 8  ручка, при помощи которой изменяют толщину переменной пластинки; 9  окуляр для наблюдения прошедших через поляризатор лучей; 10  окуляр для отсчета смещений клиньев.

В работе необходимо по эталонному раствору сахара с известной концентрацией произвести градуировку прибора и определить концентрацию двух растворов с неизвестным содержанием сахара.

Порядок выполнения задания № 2

1. Включите источник света.

2. Откройте крышку камеры 1 сахариметра и убедитесь, что трубка с раствором сахара вынута.

3. Вращением ручки 8 установите анализатор на темноту с одинаковым затемнением обеих половинок поля зрения, смотря в окуляр 9.

4. В верхнем окуляре прибора 10 наблюдайте шкалу с нониусом (при правильной установке  должно быть равно 0).

5. Определите постоянную прибора следующим образом: поместите трубку с раствором сахара известной концентрации C₀ и известной длины L₀ (длину трубки принято выражать в дециметрах, измерьте самостоятельно) в камеру сахариметра, закройте крышку и, вращая ручку 8, добейтесь того, чтобы обе половины поля зрения поляриметра были одинаково затемнены, так же, как это было при начальной установке прибора.

По шкале окуляра 10 отсчитайте угол поворота плоскости поляризации ₀.

6. Подставляя найденное значение ₀, известные значения C₀ и L₀ в формулу (2), вычислите постоянную прибора K. Измерения угла ₀ сделайте 5 раз и найдите пять соответствующих значений для K. Из пяти значений определите среднее.

7. Возьмите другую трубку с раствором сахара неизвестной концентрации и, помещая в поляриметр, найдите значение угла ₁.

8. Подставляя измеренное значение ₁, вычисленное среднее значение K и измеренное значение L₁ в формулу (2), определите концентрацию С₁.

Контрольные вопросы к заданию №2

1. Какие существуют способы получения плоскополяризованного света?

2. Какие вещества называются оптически активными?

3. Чем полутеневой метод определения угла поворота плоскости поляризации отличается от метода скрещенных поляризатора и анализатора?

4. Что такое двойное лучепреломление?

5. Чем отличается эллиптически поляризованный свет от линейно поляризованного?

6. Как изготавливается призма Николя и в чем заключается принцип ее работы?

7. Какие материалы применяются для изготовления поляроидов?

8. Какие кристаллы называются положительными, а какие – отрицательными?

9. Как устроен сахариметр используемый в работе и на чем основывается его принцип действия?

Рекомендуемая литература

[1], [4], [5], [8], [9], [10], [11].

44