16323

Определение удельного вращения и неизвестной концентрации сахарного раствора при помощи сахариметра СУ-3

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа Определение удельного вращения и неизвестной концентрации сахарного раствора при помощи сахариметра СУ3 Описание лабораторной установки Сахариметр СУ3 используемый в данной работе применяется для измерения угла вращения плоскости

Русский

2013-06-20

244 KB

18 чел.

Лабораторная работа

Определение удельного вращения и неизвестной концентрации сахарного раствора при помощи сахариметра СУ-3

Описание лабораторной установки

Сахариметр СУ-3, используемый в данной работе, применяется для измерения угла вращения плоскости поляризации оптически активными прозрачными однородными растворами и жидкостями. На рис.2.8. показан общий вид и устройство сахариметра СУ-3.

Измерительная головка  2  соединена траверсой  6  с осветительным узлом  9. На траверсе укреплены камера  5  для поляриметрических кювет с раствором и поляризатор  7  с оправой. На лицевой стороне измерительной головки прибора имеются: лупа  1  в оправе для отсчета показаний по шкале и измерительная труба  16, в которой находится гильза с анализатором. Гильзу можно снимать при регулировании однородности поля зрения.

На тыльной стороне измерительной головки находится винт  3  для установки шкалы прибора на ноль при помощи ключа  4 . В нижней части головки расположена рукоятка кремальной передачи  15  для перемещения кварцевого клина и связанной с ним шкалы.

Осветительный узел  9  состоит из лампы в патроне, устанавливаемом при помощи винтов  10  и поворотной обоймы  8  со стеклянным светофильтром, матовым стеклом и диафрагмой. Траверса крепится к  основанию  14 , в которое вмонтирован понижающий трансформатор. На лицевой стороне основания находится тумблер включения. В нижней части – предохранитель  12 , на тыльной стороне – винт заземления  11 и вилка для подключения к сети.

На рис.2.9 показана оптическая схема прибора СУ-3. Световой поток от электролампы  1  проходит через светофильтр  2 , конденсор  3  и  поляризатор  4 , состоящий из двух одинаковых поляризационных призм, разделяющих поляризованный поток света на две половинки линией раздела. Поляризатор устанавливают таким образом, чтобы оптические оси обеих половинок поляризатора составляли одинаковые углы оптической осью полутеневого анализатора  10 . При этом поляризатор и анализатор должны находиться практически в «скрещенном» положении, чтобы световой поток, пропускаемый анализатором, был минимальной интенсивности. Тогда в установленной за анализатором зрительной трубе, состоящей из объектива  11  и окуляра  12 , наблюдаются две равноосвещенные половинки поля зрения, разделенные тонкой линией.

Между поляризатором и анализатором помещены защитные стекла  5 , а между ними – кюветное отделение  6 для исследуемых растворов. Когда кювета с оптически активной средой помещается на пути светового пучка, вышедшего из поляризатора, равенство освещенности половинок поля зрения в сахариметре нарушается. Для уравнивания освещенности применяется клиновидный компенсатор, состоящий из большого  7  и малого  8  кварцевых клиньев правого вращения и контрклина  9  из левовращающего кварца. Уравнивание освещенности производят перемещением большого клина относительно малого. За состоянием освещенности наблюдают с помощью лупы  16. При достижении одинаковой освещенности обеих половинок поля зрения по нулевому делению нониуса  15  фиксируют показания на шкале  14 . Освещение шкалы и нониуса осуществляется через отражательную призму  13  от электролампы  1 .

Методика измерения угла поворота плоскости поляризации

Основным элементом, служащим для измерения угла поворота плоскости поляризации в сахариметре является полутеневой анализатор. Особая конструкция анализатора обусловлена тем, что глаз не может уловить небольшие изменения абсолютной величины яркости равномерно освещенного или затемненного поля зрения, но очень чувствителен к малейшим различиям в яркости смежных частей поля зрения.

Простейший полутеневой анализатор можно получить из призмы Николя. Так, если призма пропускает свет с плоскостью колебаний вектора  , совпадающей с осью  ОО'  (рис.2.10, а), то поле зрения будет максимально светлым. Если плоскость колебаний будут перпендикулярна оси  ОО' , то поле зрения будет максимально темным. Если призму разрезать по  ОО' и ошлифовать полученные половинки на клин под небольшим углом  (угол клина  β = 2,5о), а затем их склеить, то получим неправильный ромб (рис.2.10, б), в котором оптические оси будут направлены под углом друг к другу.

Пусть направление падающего света, прошедшего через поляризатор, перпендикулярно плоскости чертежа, а плоскость поляризации  РР'  перпендикулярна биссектрисе угла между главными осями анализатора  ОО1 и  ОО2  (рис.2.11, а). Если амплитуда падающего поляризованного света  , то обе половинки анализатора пропустят свет одинаковой амплитуды    . При этом части поля зрения  1  и  2  будут освещены одинаково:

,

где   - интенсивность падающего света,   и  - интенсивности света, пропускаемого половинками анализатора.


Предположим, что полутеневой анализатор установлен на равенство освещенностей двух половинок полей зрения.  Если теперь поместить кювету с правовращающим оптически активным раствором между анализатором и поляризатором, то плоскость поляризации  РР' падающего света повернется на малый угол   β  по часовой стрелке (рис.2.11, б). Очевидно, что  и равномерность освещения половинок  1  и  2  поля зрения нарушится:

На рис.2.11, в  для примера показано, как меняется освещенность поля зрения анализатора в случае левовращающей оптически активной среды.

Равенство освещенностей восстанавливают с помощью клиновидного компенсатора: перемещая малый клин вдоль большого, меняют толщину слоя, проходимого светом, меняя тем самым фазовый угол проходящей волны.

Угол вращения плоскости поляризации можно найти по разности двух отсчетов на лимбе. Первый из них соответствует равенству освещенностей половинок полей зрения без кюветы с активным раствором. Второй отсчет производится после помещения кюветы с сахарным раствором и соответствующего поворота  рукоятки компенсатора. По углу вращения плоскости поляризации можно определить концентрацию оптически активного вещества, используя формулу (1.8).

Практическая часть

Упражнение №1. Определение удельного вращения плоскости поляризации света в растворе сахара

  1.  Включить прибор в сеть.
  2.  Ввести в оптическую систему светофильтр.
  3.  Вращая оправу окуляра зрительной трубы  16  и лупы  1 (рис.2.8), установить максимальную резкость изображения: линия раздела обеих половинок поля зрения должна быть отчетливой.
  4.  Не помещая в кюветное отделение трубку с раствором, установить сахариметр в нулевое положение. Для этого вращением рукоятки 15 клинового компенсатора (рис.2.8) добиться однородности поля зрения (освещенность должна быть минимальной). По лимбу и нониусу (рис.2.12) отметить нулевое положение  (φ0)  с точностью до 0,1 деления шкалы. ( В сахариметре СУ-3 используется международная сахарная шкала: 100 делениям шкалы соответствуют 34,62о.) Нулевой отсчет определить не менее трех раз, каждый раз сбивая его поворотом лимба вправо или влево. Найти среднее значение   . Полученные данные занести в табл.2.3.
  5.  Поместить в кюветное отделение трубку с известной концентрацией сахарного раствора  с1. Вращая окуляр  16 , добиться резкого изображения поля зрения.
  6.  Вращая рукоятку  15  клинового компенсатора, добиться одинаковой освещенности (минимальной) обеих половинок поля зрения (линия раздела при этом исчезнет). Сделать отсчет    по лимбу и нониусу. Отсчет произвести не менее трех раз, сбивая положение лимба вправо и влево. Найти среднее значение   . Полученные данные занести в табл.2.3. Вычислить угол поворота плоскости поляризации  . Результат вычисления занести в табл.2.4.
  7.  Вынуть трубку с раствором; заменить ее другой; опыт повторить для всех известных концентраций сахарного раствора.
  8.  Результаты измерений и вычислений занести в таблицы  2.3 и 2.4.
  9.  Вычислить удельное вращение плоскости поляризации сахара по известным концентрациям и соответствующим углам поворота плоскости поляризации. Согласно формуле (1.8), удельное вращение

,

где  φi – угол поворота плоскости поляризации в градусах,   - толщина слоя оптически активного раствора в  см , с – концентрация раствора в  г·см-3 . Полученные результаты занести в табл.2.4.

                Определение угла поворота плоскости поляризации

и удельного вращения сахарного раствора           Таблица  2.3

опыта

φ0 ,

град

,

град

Концентрация раствора  с  (г·см -3 )

с1 =

с2 =

с3 =

с4 =

, град

, град

, град

, град

1

2

3

=

=

=

=

Таблица 2.4

Концентрация

раствора  с , (г·см -3 )

Угол поворота плоскости

поляризации  φ (град)

Удельное вращение

α (град. г-1 см3 см-1)

Упражнение №2. Определение неизвестной концентрации

сахарного раствора

  1.  По данным табл.2.4. построить градуировочную кривую зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации сахара в  растворе.
  2.  Кювету с раствором сахара неизвестной концентрации  с поместить в кюветное отделение и произвести измерение угла поворота   плоскости поляризации (Упражнение №1, пп. 4, 5, 6). Найти  среднее значение   .
  3.  По градуировочной кривой определить неизвестную концентрацию сахарного раствора по соответствующему углу   .


Контрольные вопросы

  1.  Как проявляется оптическая активность вещества?
  2.  Что такое удельное вращение?
  3.  Как объясняется явление вращения плоскости поляризации света в феноменологической теории?
  4.  Принцип действия полутеневого анализатора.
  5.  Как в данной работе измеряется угол поворота плоскости поляризации света сахарным раствором?
  6.  Как определить концентрацию сахара в растворе?
  7.  Где используется оптическая активность веществ?

Библиографический список

Основная литература

  1.  Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. §44, с.281-284.
  2.  Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976. Гл.X X, c.607-620.

Дополнительная литература

  1.  Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973.
  2.  Калитеевский Н.И.  Волновая оптика. - М.: Наука, 1971.


10

9

8

7

6

1

3

2

1

5

11

12

13

14

15

16

Рис.2.8. Основные элементы конструкции сахариметра: 1 – лупа; 2 – измерительная головка; 3 – механизм установки нониуса; 4 – ключ; 5 – кюветное отделение; 6 – траверса;.7 – оправа поляризатора; 8 – поворотная обойма; 9 – осветительный узел; 10 – регулировочный винт; 11 – винт заземления; 12 – предохранитель; 13 – стойка; 14 – основание; 15 – рукоятка клинового компенсатора; 16 – зрительная труба

Рис.2.9. Оптическая схема сахариметра СУ-3

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

1

2

О'

О

Рис.2.10. Принцип изготовления

полутеневого анализатора

б)

β

О2'

О2

О1'

О1

О'

О

а)

О

О

О

2β

2β

Р'

Р

2

1

Рис.2.11. Принцип действия полутеневого

анализатора

Р'

φ

Р

О2

О1

2β

а)

1

2

б)

О2

О1

Р'

Р

О2

О1

1

2

в)

0

­ 0+

10

20

10

10

Рис.2.12. Измерительная

шкала с нониусом


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13272. Ознакомление со свойствами синхронного двигателя, его угловыми и рабочими характеристиками 240.5 KB
  Лабораторная работа С4. Исследование трехфазного синхронного двигателя. Цель работы: ознакомление со свойствами синхронного двигателя его угловыми и рабочими характеристиками. Параметры двигателя: nн = 1000 об/мин Pн = 1 кВт Sн = 1.25 кВА cosн = 08 U1н = 127 В I1н = 35 А ...
13273. Исследование трёхфазного синхронного двигателя 240.5 KB
  Исследование трёхфазного синхронного двигателя Цель работы: ознакомление с методом пуска работой и характеристиками синхронного двигателя. Определение его устойчивого режима работы по угловой характеристике. Опыты проводим по схеме: ...
13274. Исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором 1.18 MB
  Лабораторная работа А2. Исследование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Цель работы: исследование пусковых свойств и рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Параметры асинхронного двигателя: P2Н =...
13276. Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения 36.5 KB
  Лабораторная работа П3 по дисциплине Электрические машины Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения Цель работы: исследование рабочих скоростных механических и регулировочных характеристик двигателя параллельного возбуждения. Сх...
13277. Исследование рабочих, скоростных и регулировочных характеристик двигателя параллельного возбуждения 249 KB
  Лабораторная работа П3. Исследование двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Цель работы: исследование рабочих скоростных и регулировочных характеристик двигателя параллельного возбуждения. = 220 В  220 В ABC V6 PH
13278. Исследование двигателя постоянного тока последовательного возбуждения 416 KB
  Лабораторная работа П4. Исследование двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Цель работы: ознакомление с методами пуска и регулирования частоты вращения двигателя последовательного возбуждения изучение его рабочих характеристик. Параметры дви
13280. Исследование трехфазного двухобмоточного трансформатора 625.5 KB
  Лабораторная работа Т1. Исследование трехфазного двухобмоточного трансформатора. Цель работы: ознакомление с конструкцией и принципом работы трехфазного двухобмоточного трансформатора а также определение параметров его схемы замещения в симметричных режимах при