11281

Определение концентрации раствора сахара при помощи сахариметра

Лабораторная работа

Физика

Определение концентрации раствора сахара при помощи сахариметра. Методические указания содержат краткое описание процесса распространения линейно поляризованного света в оптически активных веществах. Методические указания предназначены для студентов инжене...

Русский

2013-04-05

340 KB

165 чел.

Определение концентрации раствора сахара при помощи сахариметра.

Методические указания содержат краткое описание процесса распространения линейно поляризованного света в оптически активных веществах.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения, в программу учебного курса которых входит выполнение лабораторных работ по физике (раздел <<Оптика>>).

Печатается по решению методической комиссии факультета

<<Нанотехнологии и композиционные материалы>>

Рецензент доцент каф. физики, к.ф.-м.н. ЛЕМЕШКО Г.Ф.

©Издательский центр ДГТУ, 2011

Лабораторная работа № 9

Определение концентрации раствора сахара при помощи поляриметра

Цель работы: 1) рассмотреть процесс распространения линейно        поляризованного света в оптически активных веществах;

2) определить концентрацию растворов сахара.

Оборудование:  сахариметр, набор трубок с растворами сахара разной концентрации.

Теоретическая часть

Свет – это электромагнитные волны определенного диапазона длин волн. Электромагнитные волны поперечны: векторы напряженностей электрического  и магнитного  полей волны взаимно перпендикулярны и колеблются синфазно перпендикулярно вектору скорости  распространения волны (перпендикулярно лучу). Эмпирически установлено, что физиологическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются колебаниями вектора напряженности электрического поля , который называется в оптике световым вектором.

Свет, который можно представить как совокупность световых векторов , равновероятно ориентированных по всем направлениям, называется естественным.

Свет, в котором направления колебаний светового вектора каким- либо образом упорядочены, называется поляризованным.

Свет, в котором вектор  колеблется только в одном направлении, перпендикулярном лучу, называется линейно поляризованным.

Плоскость, в которой колеблется световой вектор , называется плоскостью колебаний или плоскостью поляризации (рис. 1).

Различают свет поляризованный в плоскости, по кругу, по эллипсу или частично поляризованный.

Линейно поляризованный свет можно получить из естественного с помощью приборов, называемых поляризаторами.

Устройство, позволяющее анализировать свет, вышедший из поляризатора, называется анализатором. Поляризатор и анализатор взаимозаменяемы. В качестве поляризатора и анализатора могут быть использованы поляроидные пленки, призмы Николя (николи) или другие устройства.

Плоскость, проходящая через поляризатор (анализатор) и в которой колеблется световой вектор , называется плоскостью поляризатора или главным сечением поляризатора (анализатора).

Если на скрещенные поляризатор и анализатор направить естественный свет, то из анализатора выходит доля света, согласно закону Малюса, пропорциональная квадрату косинуса угла между главными сечениями поляризатора и анализатора (см. рис. 1):

,   (1)

где– интенсивность естественного света; – интенсивность поляризованного света (, в силу двойного лучепреломления или явления дихроизма),  – интенсивность света, прошедшего анализатор (рис. 1).  Из закона Малюса следует, что если , то , т. е. поляризатор и анализатор скрещены или «поставлены на темноту», а если , то  -  поляризатор и анализатор параллельны или «поставлены на свет», таким образом:

, а .

Оптически активными называются вещества, способные поворачивать плоскость поляризации света при прохождении его через такие вещества, как камфора, никотин, сахар, кварц и другие,

Рис. 1

имеющие асимметричное строение молекул.

Вращение плоскости поляризации было объяснено Френелем. Он предложил вектор линейно поляризованного света рассматривать как совокупность двух векторов  и  с левым и правым вращением. В обычных средах угловая скорость вращения векторов   и   одинакова, так что суммарный вектор  в любой момент времени лежит в одной и той же плоскости (рис. 2).

Рис. 2

В оптически активных веществах, благодаря особенности их структуры, угловые скорости вращения векторов  и  становятся разными, и по мере прохождения луча в оптически активной среде, вектор  будет отклоняться от начального положения  на угол

,    (2)

где - удельное вращение раствора, зависящее от природы оптически активного вещества и растворителя, длины волны света и температуры;  - длина хода луча в веществе; - концентрация раствора оптически активного вещества.

Закономерность (2) используется в двух случаях.

  1.  По известным ,  и  определяют удельное вращение раствора

      (3)

  1.  По известным , ,  определяют концентрацию

     раствора оптически активного вещества

  (4)

Между скрещенными поляризатором и анализатором (николями) помещают трубку с раствором оптически активного вещества (сахара). Поле зрения между николями, «поставленными

г

Рис. 3

г

Рис. 4

на темноту», просветляется. Чтобы добиться полного гашения света, нужно анализатор повернуть вокруг луча на угол , равный углу вращения плоскости поляризации. Когда поле зрения окуляра равномерно затемнено рис. 3в (или рис. 4в), измеряем угол по шкале 3г (или рис. 4г).

Этот метод позволяет с достаточно большой точностью определять концентрации растворов оптически активных веществ, хорошо растворимых в воде, и широко используется в пищевой промышленности,  медицине, криминалистике.

Устройство сахариметра и методика измерений.

В данной работе используется сахариметр, позволяющий с высокой точностью определять концентрацию сахара, растворенного в воде.

Оптическая схема сахариметра  показана на рис. 5.

Рис. 5

В нее входят: 1 – осветительная лампа; 2 – светофильтр; 3 – объектив; 4 – окуляр; 5 – поляризатор; 6 – кварцевая пластина; 7 – кювета с раствором; 8 – анализатор.

Осветительная лампа 1 установлена в главный фокус объектива 3, после которого получают плоскопараллельный пучок света. Светофильтр 2 пропускает свет определенной длины волны. После поляризатора 5 линейно поляризованный свет проходит через кювету с раствором 7, анализатор 8 и окуляр 4. Благодаря кварцевой пластине 6 поле зрения окуляра разделено на три или две части (рис. 3, 4) в зависимости от конструктивных особенностей сахариметра. Четкое изображение поля зрения достигается перемещением окуляра вдоль оптической оси. Поле зрения между поляризатором и анализатором,  изначально поставленных на «темноту» (рис. 3в или 4в),  просветляется (рис. 3а, б или 4а, б). Для получения начального изображения поля зрения (рис. 3в или 4в) необходимо анализатор повернуть вокруг луча на угол , равный углу вращения плоскости поляризации. Численное значение угла  измеряют по отсчетной шкале (рис. 3г или 4г), механически связанной с анализатором. Так, например,  по шкале рис. 3г показаниям соответствует значение угла   3, 60, а по шкале 4г – 11,750.  Приборная погрешность шкалы 3г  , а шкалы 4г - .           

Порядок выполнения работы.

Задание 1. Определение удельного вращения раствора сахара.

  1.  Пустую камеру сахариметра закрыть шторкой и включить осветительную лампу.
  2.  Наблюдая в окуляр, перемещением его вдоль оптической оси и вращением анализатора вокруг оптической оси, добиться четкого, равномерного затемнения полей (рис 4в или 5в).
  3.  Произвести отсчет угла  по нониусу (см. рис 4г или 5г).
  4.  Трижды повторив пункты 2 и 3, определить среднее значение , которое принимается за начало отсчета.
  5.  Поместить в камеру сахариметра трубку с раствором сахара известной концентрации  и повторить пункты  2 и 3. Определить угол вращения плоскости поляризации: .
  6.  Повторить пункт 5 для 3 – 5 трубок одинаковой длины с известной концентрацией.
  7.  Построить график зависимости для растворов с известной концентрацией.
  8.  По  тангенсу угла наклона интерполирующей прямой определить среднее значение удельного вращения

.

  1.  Вычислить относительную погрешность и доверительный интервал по формулам:

  1.  Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

Таблица 1

N п/п

1

2

3

Средн

Примечание:  Вместо пунктов 7 и 8 допускаются вычисления по формуле (3) построчно с последующим определением среднего арифметического значения .

Задание 2. Определение концентрации раствора сахара.

  1.  Поместить в камеру сахариметра трубку с раствором сахара неизвестной концентрации  и повторить пункты 2, 3 задания 1 не менее трех раз.
  2.  Определить угол вращения плоскости поляризации: . По формуле (4) Вычислить .
  3.  Повторить пункт 2 для остальных измерений и найти среднее значение .
  4.  Вычислить относительную погрешность и доверительный интервал по формулам:

  1.  Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.
  2.  По проделанной работе сделать вывод.

Таблица 2

N п/п

1

2

3

средн

Контрольные вопросы

  1.  В чем состоит отличие естественного от поляризованного света?
  2.  Что называется световым вектором? плоскостью колебаний? плоскостью поляризации?
  3.  Что называют поляризатором? анализатором?
  4.  Как объясняется вращение плоскости поляризации оптически активными веществами?
  5.  Сформулируйте закон Малюса.
  6.  От каких факторов зависит удельное вращение?
  7.  В чем заключается методика измерений?

Рекомендуемая литература

  1.  Трофимова Т. И. Курс физики.- М.: Высш. шк., 2004
  2.  Федосеев В. Б. Физика,- Ростов н/Д: Феникс, 2009
  3.  Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике.-М.:Наука, 2006

Техника безопасности

  1.  К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.
  2.  Для предотвращения опрокидывания установки необходимо располагать ее только на горизонтальной поверхности.

Составители: В.С. Ковалева, А. П. Кудря,  Н. Н. Фролова

Определение концентрации раствора сахара при помощи сахариметра

Методические указания к лабораторной работе №9 по физике

(Раздел <<Оптика>>)

Редактор А. А. Литвинова

     В печать

      Объем   Офсет. Формат

      Бумага тип №   Заказ №        Тираж     Цена

_______________________________________________________________

     Издательский центр ДГТУ

     Адрес университета и полиграфического предприятия:

     344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

50932. Знаходження коренів нелінійного рівняння комбінованим методом хорд та дотичних 37 KB
  Мета. Навчитися уточнювати корені нелінійного рівняння комбінованим методом хорд та дотичних. Обладнання. Лист формату А4, ручка , олівець, лінійка, програмне забезпечення С ++.
50933. Метод Гауса рішення системи лінійних рівнянь, складання алгоритму 48.5 KB
  Мета. Навчитися вирішувати системи лінійних рівнянь методом Гауса, скласти алгоритм. Устаткування: папір формату А4, ручка, програмне забезпечення , ПК.
50934. Метод Крилова побудови власного багаточлена матриці 61.5 KB
  Мета. Навчитися знаходити власний багаточлен матриці методом Крилова. Устаткування: лист формату А4, ручка, програмне забезпечення Borland C++
50936. Знаходження власних чисел і векторів матриці по методу Крилова 60.5 KB
  Мета: навчитися знаходити власні числа і вектори матриці по методу Крилова. Устаткування: лист формату А4, ручка, С ++. Хід роботи Правила техніки безпеки Теоретичні дані Індивідуальне завдання. Знайти одне з власних чисел і відповідний йому власний вектор матриці А по методу Крилова (використати результати лабороторної роботи № 18).
50938. Знаходження розвязку системи лінійних рівнянь методом ітерацій, складання алгоритму 43.5 KB
  Мета. Навчитися вирішувати систему лінійних рівнянь методом ітерацій с заданою точністю, скласти алгоритм. Устаткування: папір формату А4, ПК, С++. Хід роботи Правила техніки безпеки Теоретичні дані Індивідуальне завдання. Методом ітерацій вирішити систему лінійних рівнянь з точністю до 0,001, визначивши число ітерацій к.
50940. Знаходження розвязку системи лінійних рівнянь методом Зейделя 39 KB
  Мета. Навчитися вирішувати систему лінійних рівнянь методом Зейделя с заданою точністю; скласти програму. Устаткування: папір формату А4, ПК, ПЗ С++ Хід роботи Правила техніки безпеки Теоретичні дані Індивідуальне завдання. Методом Зейделя вирішити систему лінійних рівнянь з точністю до 0,001.