12124

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ ЛИНЕЙНОПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 9 ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ ЛИНЕЙНОПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА Цель работы: ознакомление с явлением оптической активности в кристалле кварца и растворе сахара; определение удельного вращения кварца; определение конце

Русский

2013-04-24

452 KB

5 чел.

Лабораторная работа № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ВЕЩЕСТВ С ПОМОЩЬЮ ЛИНЕЙНОПОЛЯРИЗОВАННОГО СВЕТА

Цель работы: ознакомление с явлением оптической активности в кристалле кварца и растворе сахара; определение удельного вращения кварца; определение концентрации сахара в водном растворе.

Оборудование: лазер, анализатор, кристаллы кварца, кюветы с раствором сахара.

Краткие теоретические сведения

При прохождении линейно-поляризованного света через некоторые вещества наблюдается поворот плоскости поляризации вокруг направления луча. Это явление называется естественным вращением плоскости поляризации или оптической активностью, а вещества — оптически активными. К ним относятся как твердые (кварц, киноварь и др.), так и жидкие (скипидар, раствор сахара и др.) вещества. Экспериментально установлено, что угол поворота плоскости поляризации в оптически активных кристаллах и жидкостях

   l,  (1)

а в растворах

   Сl,  (2)

где l – длина пути луча в оптически активном веществе; С – объемная концентрация оптически активного вещества в растворе; и [] – постоянная вращения или удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации слоем оптически активного вещества единичной толщины и единичной концентрации – для растворов.

Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины световой волны  в вакууме (вращательная дисперсия). С увеличением длины волны света удельное вращение уменьшается. Для некоторых веществ в области прозрачности и малого поглощения света величина приблизительно пропорциональна 2. В кристаллических веществах имеет наибольшее значение при распространении света вдоль оптической оси кристалла.

Для объяснения естественного вращения плоскости поляризации Френель предположил и позднее экспериментально доказал, что в оптически активных веществах световые волны, поляризованные по кругу вправо и влево, распространяются с различными фазовыми скоростями (так называемое круговое лучепреломление).

Линейно поляризованный свет с колебаниями  можно представить как суперпозицию двух циркулярно-поляризованных компонент Еп и л, вращающихся в противоположных направлениях. На рис. 1, а у правой компоненты световой вектор  вращается по часовой стрелке, у левой — вектор вращается против часовой стрелки, (если смотреть навстречу лучу) с одинаковыми частотами  и амплитудами  .

а     б

Рис. 1

Если скорости распространения в веществе обеих волн одинаковы, то, складываясь, эти волны в любой момент времени и в любой точке среды дают линейно-поляризованную волну с суммарным вектором , колеблющимся в одной и той же плоскости АА (рис. 1, а).

В оптически активном веществе фазовые скорости распространения волн с правой и левой круговой поляризацией неодинаковы: vп  vл. Поэтому при прохождении этих волн через слой вещества толщиной l один из световых векторов  будет опережать другой по фазе на угол

 φ . (3)

Выразив скорости vп и vл в виде vл  c  nл    vп  с  nп, получим

    nл  nп  nл  nпl,  (4)

где c — скорость света в вакууме; nл и nп показатели преломления лево- и правополяризованной волн в веществе.

На рис. 1, б представлен случай, когда vn > vл (луч перпендикулярен плоскости чертежа) и при выходе из вещества вектор Еп опережает по фазе вектор Ел на угол  п  л    где п и л — углы, на которые повернутся векторы Еп и Ел за время прохождения слоя вещества толщиной l. Результирующий вектор Е делит угол между векторами Еп и Ел пополам и определяет новое положение плоскости поляризации А'А'. Эта плоскость оказывается повернутой относительно исходного положения АА на угол

.

С учетом выражения (4) имеем

.  (5)

Из сравнения выражений (5) и (1) следует, что удельное вращение

  (6)

т. е. определяется разностью коэффициентов преломления nл и nп лучей лево- и правополяризованных по кругу.

Если nл nп > 0, то > 0, т. е. вращение плоскости поляризации происходит вправо (правовращающее вещество). Если nл nп<0, то < 0 и плоскость поляризации поворачивается влево (левовращающее вещество). Другими словами, плоскость поляризации вращается в ту же сторону, что и электрический вектор поляризованной по кругу волны с меньшим показателем преломления, т. е. с большей фазовой скоростью.

Обнаружено, что большинство оптически активных веществ существуют  в виде  двух модификаций: право- и левовращающие. Численные значения удельного вращения одинаковы для обеих модификаций данного вещества и отличаются только знаком. Молекулы право- и левовращающих веществ являются зеркальным отражением друг  друга.

Способность веществ вращать плоскость поляризации определяется строением молекул (жидкости, растворы) и расположением молекул и атомов в кристаллической решетке (твердое вещество). Оптически активными являются вещества, состоящие из асимметричных молекул или имеющие кристаллическую решетку без центра симметрии и плоскостей симметрии.

Явление вращения плоскости поляризации находит практическое применение при определении концентрации растворов оптически активных веществ, в частности концентрации сахара. Зная значение удельного вращения  при данных  условиях, можно по формуле (2) найти концентрацию раствора сахара.

Описание установки

Рис. 2

Установка для наблюдения вращения плоскости поляризации в оптически активных веществах состоит из источника поляризованного света – лазера 1, анализатора 2 и экрана 3, установленных на оптической скамье. Оптически активное вещество 4  устанавливается между лазером и анализатором.

В данной работе изучается оптическая активность кристаллов кварца и раствора сахара.

Порядок выполнения работы

Задание 1:

а) изучить зависимость угла вращения плоскости поляризации от толщины кварцевой пластинки;

б) определить значение удельного вращения кварца для длины волны 632,8 нм.

в) оценить разность показателей преломления Δn волн с левой и правой круговой поляризацией.

1. Плоскополяризованный свет от лазера пропустить через анализатор на экран. Вращая анализатор, найти его начальное положение, когда луч через него не проходит ( наиболее темное поле зрения на экране). Записать показание 0 шкалы лимба анализатора. Отсчет углов провести три раза. Определить среднее значение .

2. Между лазером и анализатором установить кварцевую пластинку наименьшей толщины l1 перпендикулярно лучу. Наблюдать изменение освещенности на экране. Вращая анализатор, снова получить наиболее темное поле зрения. Определить направление вращения и сделать отсчет угла (три раза) по шкале анализатора. Направление вращения определить при движении луча к наблюдателю.

3. Измерения по п. 2 повторить для двух других пластинок кварца с толщиной l1  и l2.Результаты записать в табл. 1.

Таблица 1

.

,i

,i

,i

1

2

3









4. По средним значениям i и  для каждой пластинки толщиной li определить соответствующий ей угол поворота плоскости поляризации i  i  i  . Данные  записать в табл. 2.

5. Построить график зависимости = f(l). Согласно формуле (1) график должен иметь вид прямой, проходящей через начало координат.

6. Определить удельное вращение как тангенс угла наклона прямой к оси l: α = Δφ / Δl.

7. По полученному значению и формуле (6) оценить разность показателей преломления Δn волн с левой и правой круговой поляризацией.

Таблица 2

li

φi

α =

Δn =

Задание 2 

а) изучить зависимость угла поворота плоскости поляризации света в растворе сахара от длины пути света в веществе и от концентрации сахара;

б) определить концентрацию сахара в водном растворе;

в) определить модификацию сахара.

1. Определить нулевую точку отсчета шкалы анализатора, как описано в п.1 задания 1.

2. Между лазером и анализатором установить одну из двух трубок длинной l1 с водным раствором сахара одинаковой концентрации С. Аналогично п. 2 и 4 задания 1 определитьi.

3. Таким же образом определить угол поворота <φ2> для двух последовательно расположенных трубок суммарной длины 2l1 с одинаковой концентрацией раствора (С1 = С2). Определить отношения  l1 / 2l2 и    и сравнить их.

4. Определить  для раствора в трубке длины l1 с другой концентрацией С3. Найти отношения С1С3 и , и сравнить их. По результатам расчетов сделать выводы о зависимости от l и С.

5. По измеренным значениям расcчитать объемную концентрацию сахара в одной из трубок, используя соотношение (2), считая известным удельное вращение раствора сахара  =0,6 градм/кг.

6. По направлению вращения анализатора (п. 2 задание 1) определить модификацию сахара в растворе исходя из того, что раствор свекловичного и тростникового сахара является правовращающим, а фруктового – левовращающим.

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой свет с точки зрения электромагнитной теории? Записать уравнение световой волны.

2. Какой свет называется плоскополяризованным и чем он отличается от естественного света? Какие еще виды поляризации света существуют?

3. Что такое плоскость поляризации? Вывести и пояснить закон Малюса.

4. Какие вещества называются оптически активными?

5. Как возникает вращение плоскости поляризации? Что такое двойное круговое лучепреломление?

6. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации в кристаллах и растворах?  Проанализируйте результаты эксперимента.

7. Какими (право- или левовращающими) являются в данном опыте кристаллы кварца? Раствор сахара?

Библиографический список

к лабораторной работе № 9

1. Савельев, И. В. Курс общей физики: учеб. пособие / И. В. Савельев. – СПб.: Лань, 2005. – Т. 2. – § 134.

2. Савельев, И. В. Курс общей физики. Волны. Оптика: учеб. пособие для втузов / И. В. Савельев. – М.: Астрель, 2003. – Т. 4. – гл. 6 § 6.4.

3. Кингсеп, А. С. Основы физики / А.С. Кингсеп, Локшин, Г. Р., Ольхов, О. А.. – М., 2001. – Т1 – ч. 3 гл. 10.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53095. Методика проведення контрольних робіт на уроках географії в 10-му класі 58.5 KB
  Учні повинні знайти з географічних джерел інформацію про площу держави кількість населення її столицю форму правління та форму устрою. Аналізуючи політичну карту світу та карту історикогеографічних регіонів учні повинні описати положення держави на карті: на якому континенті в якому регіоні які сусіди моря та океани що омивають державу і після цього зробити висновок про ЕГП держави. Природні ресурси держави. Слід розпочати аналіз промисловості з частки держави у світовому промисловому виробництві.
53096. Шкільна бібліотека у формуванні інформаційної компетентності на уроках географії 86 KB
  Географічне сприйняття інформації ЗМІ – це активна діяльність що протікає у взаємозв’язку з різними психічними процесами: мисленням мовленням почуттям волею. З огляду на незначну кількість навчальних годин з географії в 6 –х класах 2 години на тиждень і загальне навчальне перевантаження учнів в 6х класах важливу роль у формуванні інформаційної компетентності школярів відіграє шкільна бібліотека схема 2 Складаючи тематичне планування включаю ЗМІ в навчальний процес так щоб протягом однієї теми здійснювалася періодична робота з...
53097. ТЕСТИ З ГЕОГРАФІЇ 10 класу (профільний рівень) 88.5 KB
  Яка країна є лідером за кількістю користувачів Інтернету: а Китай; б Японія; в США. У якій країні знаходиться найбільша ТНК в світі: а США; б Велика Британія; в Японія. ТНК контролюють таку частку світової торгівлі: а 1 3; б 2 3 Найбільший експортер послуг в світі: а США; б Японія; в Велика Британія. Найбільша країна за кількістю іноземних туристів: а Іспанія; б США; в Франція.
53098. Використання інтерактивних технологій під час вивчення фізичної географії Донецької області 82 KB
  Мета:практичне застосування інтерактивних технологій під час вивчення фізичної географії Донецької області. Обладнання і матеріали: мультимедійна установка мікрофон роздавальні матеріали для п'яти уроків з теми Фізична географія Донецької області атлас Донецької області. Географічне положення межі розміри Донецької області Конструктор уроку Тема уроку Актуалізація...
53099. Брейн – ринг з географії для 7 класу. «По країнах і континентах» 218 KB
  Мета: поглибити інтерес до предмету, виховувати почуття колективізму, уміння працювати в команді. Обладнання : мультимедійний комплекс. Хід гри. Члени команд займають місця згідно проведеного жеребкування. Учитель об’являє правила проведення брейн – рингу та представляє журі. 1 конкурс. Розминка. Кожній команді учитель ставить питання. Протягом хвилини команда повинна дати відповідь. Кожна правильна відповідь оцінюється в 1 бал.
53100. КОНКУРС ЗНАТОКОВ ГЕОГРАФИИ 38.5 KB
  Вопросы к викторине по Китаю Китай на политической карте 1. По территории Китай занимает место в мире. Династия Цинь именно при ней велось строительство Китайской стены 4. С какой страной воевал Китай в 18941985 гг.
53101. СЦЕНАРІЙ ЗАГАЛЬНОШКІЛЬНОЇ ЛІНІЙКИ ДО ВІДКРИТТЯ ТИЖНЯ ГЕОГРАФІЇ 92.5 KB
  Андрій. Як же я не люблю середину лютого! Зимові канікули давно вже минули до весняних ще так довго... А кожен день одне й те ж саме: окисно-відновні реакції, рівняння, формули, задачі, вправи… Юлія. Увага! 11 лютого в школі розпочинається тиждень географії. Андрій. О, ні! Тільки не географії!