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

74083. Государство и право США в Новое время 76 KB
  Отношения американских колоний и метрополии в XVIII в. во многом определялись политикой Англии, стремящейся превратить колонии в сырьевой придаток и рынок сбыта. Это вызвало возмущение во всех слоях общества и в 60-е – начале 70-х гг. начались массовые выступления населения колоний. Королю была направлена петиция с просьбой прекратить притеснения и не давать повода к окончательному разрыву.
74084. Государство и право Франции в Новое время 144 KB
  В условиях острого кризиса абсолютизм был вынужден пойти на созыв Генеральных штатов, не собирающихся более 150 лет. Однако с самого начала работы делегаты третьего сословия, поддержанные частью других делегатов, вступили в конфликт с королевской властью. Депутаты организовались сначала в Национальное собрание, а позднее в Учредительное собрание
74085. Государство и право Германии в Новое время 93.5 KB
  Союзный акт 1815 г. стал основой для создания нового государственного объединения – Германского союза, представлявшего собой крайне расплывчатую конфедерацию. Он включал 34 государство и четыре вольных города (Франкфурт, Гамбург, Любек и Бремен), отличающихся исключительной пестротой государственных форм: одна империя (Австрия)
74086. Организация производственного процесса. Производственный процесс и принципы его организации 841 KB
  К основным относятся процессы, связанные непосредственно с превращением предмета труда в готовую продукцию (например, переплавка руды в доменной печи и превращение ее в металл; превращение муки в тесто, затем в испеченный хлеб), т.е., это технологические процессы, в ходе которых происходят изменения геометрических форм, размеров и физико-химических свойств предметов труда. Основными называются производственные процесс
74087. Типы производства и их технико-экономическая характеристика 102 KB
  Тип производства определяется комплексной характеристикой технических организационных и экономических особенностей производства обусловленных широтой номенклатуры регулярностью стабильностью и объемом выпуска продукции. Основным показателем характеризующим тип производства является коэффициент закрепления операций Кз. Различают три типа производства: единичное серийное массовое.
74088. Организация вспомогательного производства и обслуживающих хозяйств 757 KB
  Инструментальное хозяйство занимает ведущее место в системе технического обслуживания производства. Современный технический и организационный уровень машиностроения определяется высокой оснащенностью его моделями, штампами, прессформами, приспособлениями, режущим, измерительным и вспомогательными инструментами и приборами, объединенными в общий комплекс технологической оснастки.
74089. Совершенствование организации производства и оценка ее экономической эффективности 237 KB
  Совершенствование организации производства и оценка ее экономической эффективности Основные пути развития организационных резервов Многообразие производственнотехнических условий работы промышленных предприятий определяет значение различных путей использования организационных резервов. Организационные резервы производства Для того чтобы разработать пути совершенствования организации производства в объединениях и на предприятиях необходимо оценить состояние и уровень организации производства. Состояние организации производства характеризует...
74090. Концепция организации и планирования производства на предприятии 77 KB
  Концепция организации и планирования производства на предприятии. Сущность организации производства Цель курса состоит в приобретении знаний и практических навыков экономических расчётов применительно к производственным и техническим решениям...
74091. Планирование и организация цикла создания и освоения новой продукции и технологии 938.5 KB
  В условиях присущей рыночному хозяйству конкуренции товаров и хозяйственных единиц предприятия особенно высокотехнологичные обновляют выпускаемую продукцию и совершенствуют способы ее производства...