Визначення концентрації цукрового розчину за допомогою цукрометра.

 

Мета роботи:дослідити явище оптичної активності і визначити невідому концентрацію розчину, використовуючи розчин, відомої концентрації.

Як відомо з електромагнітної теорії, вектори напруженості

r r


електричного E і магнітного H


полів світлової хвилі коливаються у взаємно


k
перпендикулярних площинах і однакових фазах. Швидкість поширення світла cr (або хвильовий вектор r ) перпендикулярна площині коливань

r r r r r


напруженостей E


і H , тобто вектори (E, H , k )утворюють праву ортогональну


систему . Саме такі хвилі (рис. 59.1)випромінюють елементарні випромінювачі світла – збуджені атоми і молекули речовини.

 

Е

Е0

 

 

Z

 

В В0

l

 

Рисунок 59. 1 Поперечна електромагнітна хвиля

 

Макроскопічні джерела світла складаються з великої кількості елементарних випромінювачів, які випромінюють хвилі незалежно один від одного. При цьому орієнтація в просторі векторів B і E хвилі, яка є

результатом накладання хвиль елементарних випромінювачів, є рівно

ймовірною в будь-який момент часу. Таке світло називають природним.

Крім природного світла існує ще поляризованесвітло, коли напрямки коливань векторів B і E або зафіксовані в просторі, або змінюються за певним законом. Якщо коливання світлового вектора відбуваються тільки в одній

площині, що проходить через промінь, то світло називається плоско (або

лінійно) поляризованим. Явищем поляризації називається виділення поляризованого світла з природного.

Пристрої, які використовують для одержання поляризованого світла, називають поляризаторами. Ті самі поляризатори, які використовують для аналізу поляризованого світла, називають аналізаторами.

Зараз розглянемо загальний принцип дії поляризатора. Поляризатор повністю пропускає світло з напрямком коливань вектора E , який співпадає з деякою площиною – площиною поляризатора й зовсім не пропускає світла з

напрямком коливань вектора E , який перпендикулярний до цієї площини.


 

 


Умовно таку площину можна уявити ніби щілину, що знаходиться


 

Аналізатор

 

E


 

 

E01


 

E01


посередині непрозорого

екрану.

Нехай плоско


E
E0


 

 

E02


E01

j


 

 

Площина


поляризоване світло з E0


аналізатора


амплітудою E0


проходить


крізь аналізатор (рис. 59.2). Якщо кут між площиною поляризації хвилі й площиною аналізатора дорівнює j ,


 

 

Рисунок 59.2 Проходження плоско поляризованої хвилі крізь аналізатор


то світло з амплітудою


E01= E0cosj


пропускається аналізатором, а світло з


амплітудою


E02= E0sinj


аналізатора не проходить.


При проходженні поляризованого світла через деякі речовини відбуваєть- ся поворот площини поляризації світлової хвилі. Це явище називається обер- танням площини поляризації. Речовини, які здатні повертати площину поляри- зації падаючих на них хвиль, називаються оптично активними. Оптично актив- ними можуть бути як кристали, так і рідини. Наприклад, кварц, розчин цукру, глюкози. Розрізняють праве обертання, або позитивне і ліве, або негативне. При правому обертанні площина поляризації повертається за годинниковою стріл- кою для променя, падаючого в око спостерігача, при лівому - в протилежному напрямі.

Кут повороту площини поляризації в оптично активних розчинах
c
v
пропорційний довжині шляху променя в рідині l, масовій концентрації cm і густині розчину r :
m
a = a dc


r = a l


(59.1)
де a -


питоме обертання;


cv= cmr


- об'ємна концентрація розчину, тобто


відношення маси активного середовища до об'єму розчину.

Якщо ж між поляризатором та аналізатором розмістити кювету з оптично активним розчином, то кут поляризації при проходженні через розчин зміниться на якесь певне значення. Щоб знов отримати затемнення необхідно повернути аналізатор на той самий кут повороту. На цьому принципі побудовано роботу поляризатора портативного П-161, схема якого представлена на рис. 59.3.

За допомогою дзеркала 1 світло спрямовується на світлофільтр 2, фокусування променя спостерігається в окулярі 10. Промінь світла проходить через поляризатор 3та кварцову пластину 4. Плоскополяризоване світло, проходячи кювету 5, повертає свою площину поляризації, що фіксується аналізатором 6, фокусується лінзою 8 і потрапляє на окуляр 10. Обертання аналізатора компенсує кут повороту площини поляризації, що вимірюється шкалою 7 і фіксується за допомогою окуляра 9.


 

 

7 9

 

 


2 4 5


 

6 8 10


Рисунок 59.3 Схема поляриметра портативного П-161

 

Пройшовши поляризатор (3), промінь середньою частиною проходить через кварцеву пластину (4) та аналізатор (5), а двома крайніми частинами – лише крізь аналізатор. Вигляд поля зору схематично показано на рисунку 59.4.

 

 

Рисунок 59.4 – Поле зору в поляриметрі.

Вирівнювання яскравості частин поля зору досягається поворотом аналізатора навколо оптичної осі. Після введення між поляризатором та аналізатором кювети з оптично активною речовиною рівномірність яскравості порушується. Відновити рівновагу можна поворотом аналізатора на кут, що дорівнює куту повороту площини поляризації розчином.

Поляриметричну трубку довжиною 95.04 мм наповнюють досліджуваною речовиною так, щоб у неї не потрапило повітря, і поміщають у поляриметр. Обертанням алідади знаходять таке положення, щоб при самому незначному повороті різка тінь замінялася добре освітленим півколом і навпаки (рис.59.4). Між цими двома положеннями встановлюють середнє положення півтіні коли усе поле зору освітлене рівно, закріплюють алідаду і відраховують кут обертання. Кут повороту площини поляризації визначається за допомогою шкали (7). Для цього необхідно за допомогою окуляра (9) зафіксувати кут при


відсутності оптично активного розчину j1


та після розміщення розчину кутj 2 .


Кут повороту площини поляризації тоді буде дорівнювати:

a = j2- j1


 

(59.2)


 

 

Хід виконання

1. Окуляр зорової труби встановити на максимальну різкість зображення так, щоб вертикальна лінія, що розділяє поле зору на дві половини, чітко розрізнювалася.

2. За відсутності кювети в камері поляриметра, обертанням ручки клинового компенсатора необхідно встановити однорідність обох половин поля зору, при цьому нульові поділки шкали і ноніуса повинні співпадати.

3.

C
Встановити в камеру кювету з розчином цукру відомої концентрації

1i
Освітленість частин поля зору при цьому порушується, а тому обертанням ручки компенсатора необхідно її відтворити. По шкалі і ноніусу зняти відлік відповідного кута повороту площини поляризації a .

4.

2i
a
a
Встановити в камеру кювету з розчином невідомої концентрації C і провести аналогічні п.3 дії при цьому виміряти кут повороту a .


5. Виміри кутів


1i і


2i виконати 5-7 разів, замінюючи в камері відповідні


кювети і отримані результати занести до таблиці 59.1.

6. Розрахувати середні значення кутів ̅̅ ̅, ̅̅ ̅ та похибки вимірювання цих кутів та .

7. Розрахувати значення невідомої концентрації за формулою, що отримується з формули (59.1) для двох різних концентрацій:

 

  2 1
C = a 2 C , (59.3)

a1

та визначаємо похибку вимірювання концентрації:


( ̅̅̅̅
 
̅̅̅√ )

 


)

(
 
̅̅̅̅


(59.4)


8. Кінцевий р(езультат)


визначення концентрації розчину цукру записати у


вигляді: C2=


C2± DC2


 

Контрольні запитання.

1. Структура електромагнітної хвилі і характеристики поляризації.

2. Чим відрізняється звичайне та поляризоване світло.

3. Види поляризації світла.

4. Явище природної оптичної активності і його пояснення за Френелем.

5. Оптична схема і принцип дії напівтіньового поляриметра (пояснити, як змінюється стан поляризації світла при проходженні через елементи поляриметра).

6. Закон Малюса та Брюстера для поляризованого світла.

7. Природна та штучна анізотропія.

8. Подвійне променезаломлення.


 

 

ПРОТОКОЛ

вимірювань до лабораторної роботи №О-2

 


Виконав(ла)


Група


 

Параметри установки:

Відома концентрація розчину C1=

 

 

Таблиця 59.1.


 

 

 

 

Кінцевий результат:

 

 

Дата


 

 

 

i   N
a ,0S 1i        
a ,0 S 2i        
C1 a Da a Da C2 DС2
             
                   

 
Підпис викладача


 

 

Лабораторна робота № О-3 (63).