42311

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ С ПОМОЩЬЮ КРУГОВОГО ПОЛЯРИМЕТРА

Лабораторная работа

Физика

Исследование процесса поляризации света при прохождении его через растворы определение концентрации оптически активного раствора по величине угла поворота плоскости поляризации. Если колебания светового вектора происходят только в одной проходящей через луч плоскости свет называется плоско или линейно поляризованным. Это приборы которые свободно пропускают колебания параллельные плоскости поляризатора и полностью или частично задерживают колебания перпендикулярные его плоскости. Поляризатор частично...

Русский

2013-10-29

301 KB

10 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА  ВМ 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

С ПОМОЩЬЮ КРУГОВОГО ПОЛЯРИМЕТРА

ТРЕБОВАНИЯ  ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

Прибор имеет подключение к электрической сети. Соблюдайте формы электробезопасности и требования инструкции №170 по технике безопасности. Не включайте прибор в сеть, пока не ознакомитесь с его конструкцией и основными требованиями к работе с ним.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследование процесса поляризации света при прохождении его через растворы, определение концентрации оптически активного раствора по величине угла поворота плоскости поляризации.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИБОРОВ И ОБОРУДОВАНИЯ: круговой поляриметр типа СМ-1, кюветы с исследуемыми растворами, осветитель.

 

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1.Естественный и поляризованный свет

         Свет представляет собой сложное явления: в одних случаях он ведет себя как электромагнитная волна, в других – как поток особых частиц – фотонов. Волновая оптика рассматривает круг явлений, связанных с волновой природой света.

         В электромагнитной волне колеблются два вектора  и , причем физиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света обусловлены колебаниями электрического вектора . Его будем называть световым вектором.

Модуль амплитуды светового вектора будем обозначать, как правило, буквой  (иногда ). Соответственно изменение во времени и пространстве проекции светового вектора на направление, вдоль которого он колеблется, будет описываться уравнением

.                                         (3.1.1)

Здесь  - волновое число,  - расстояние, отсчитываемое вдоль направления распространения световой волны. Для плоской волны, распространяющейся в непоглощающей среде, , для сферической волны  убывает как , и т. д.

Несмотря на то, что световые волны поперечны, они обычно не обнаруживают асимметрии относительно луча. Это обусловлено тем, что в естественном свете (т. е. свете, испускаемом обычными источниками) имеются колебания,

 Рис. 3.Направления вектора  в естественном свете

совершающиеся в самых различных направлениях, перпендикулярных к лучу (рис.1). Излучение светящегося тела слагается из волн, испускаемых его атомами. Процесс излучения отдельного атома продолжается около  с. За это время успевает образоваться последовательность горбов и впадин ( цуг волн) протяженностью примерно 3 м. «Погаснув», атом через некоторое время «вспыхивает» вновь.  Одновременно «вспыхивает» много атомов. Возбужденные ими цуги волн, налагаясь друг на друга, образуют испускаемую телом световую волну. Плоскость колебаний для каждого цуга ориентирована случайным образом. Поэтому в результирующей волне колебания различных направлений представлены с равной вероятностью. Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называется поляризованным. Если колебания            светового вектора происходят только в одной проходящей через луч плоскости, свет называется плоско- (или линейно) поляризованным. Упорядоченность может заключаться в том, что вектор  поворачивается вокруг луча, одновременно пульсируя по величине. В результате конец вектора  описывает эллипс. Такой свет называется эллиптически-поляризованным. Если конец вектора описывает окружность, свет называется поляризованным по кругу.

                   Рассмотрим два взаимно перпендикулярных электрических колебания, совершающихся вдоль осей X и Y, и отличающихся по фазе на :

Результирующая напряженность , угол между векторами  и определяется выражением

   Если разность фаз  претерпевает случайные  хаотические изменения, то угол , а значит, и направление вектора , будет испытывать скачкообразные неупорядоченные изменения. В этом случае естественный свет можно представить как наложение двух некогерентных электромагнитных волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях и имеющих одинаковую интенсивность. Будем считать световые волны когерентными, и = 0 или = . Тогда , и результирующее колебание совершается в фиксированном направлении – волна оказывается плоскополяризованной.

         Если   и , тогда - плоскость колебаний поворачивается вокруг направления луча с угловой скоростью, равной частоте колебаний . Свет оказывается поляризованным по кругу.

         В случае произвольного значения свет оказывается эллиптически поляризованным, конец вектора  движется по эллипсу.

         В зависимости от направления вращения вектора  различают правую и левую эллиптическую и круговую поляризацию. Если по отношению к направлению, противоположному направлению распространения луча, вектор  вращается по часовой стрелке, поляризация называется правой, в противном случае – левой.

         Плоскость, в которой колеблется световой вектор в плоскополяризованной волне, называют плоскостью колебаний.  Перпендикулярная к ней плоскость называется плоскостью поляризации.

         Плоскополяризованный свет  можно получить из естественного с помощью поляризаторов. Это приборы, которые свободно пропускают колебания, параллельные плоскости поляризатора, и полностью или частично задерживают колебания, перпендикулярные его плоскости. Поляризатор, частично задерживающий перпендикулярные к его плоскости колебания, называют несовершенным.    При выходе из такого поляризатора колебания одного направления преобладают над колебаниями других направлений в световой волне. Такой свет называют частично поляризованным.    

                   Если частично поляризованный свет пропустить через поляризатор и поворачивать прибор вокруг луча на угол , интенсивность прошедшего света будет меняться от  до . Степень поляризации света

Рис. 2.

Для плоскополяризованного света , для естественного света

          Колебания амплитуды А, совершающиеся в плоскости, образующей с плоскостью поляризатора угол , можно разложить на два колебания с амплитудами   и  (рис.2). Первое колебание пройдет через прибор, второе будет задержано. Интенсивность прошедшей волны пропорциональна , т.е. равна , колебание, параллельное плоскости поляризатора, несет долю интенсивности . В естественном свете все значения   равновероятны, поэтому доля света, прошедшего через поляризатор, равна среднему значению , т.е.1/2. При вращении поляризатора вокруг направления естественного луча интенсивность прошедшего света остается одной и той же, изменяется лишь ориентация плоскости колебаний света, выходящего из прибора.

Рис. 3.

        Пусть на поляризатор падает плоскополяризованный свет амплитуды  и интенсивности  (рис.3). Сквозь прибор пройдет составляющая колебания с амплитудой , где  - угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризатора. Тогда интенсивность прошедшего света

                                                  (1)

Это закон Малюса.

         Если на пути луча поставить два поляризатора, плоскости которых образуют угол ,  то из первого поляризатора выйдет плоскополяризованный свет с интенсивностью , где  - интенсивность естественного света, а из второго поляризатора выйдет свет с интенсивностью , и интенсивность света, прошедшего через оба поляризатора, равна

Рис. 4

Максимальная интенсивность  получается при  (поляризаторы параллельны), минимальная интенсивность равна нулю при  - скрещенные поляризаторы не пропускают.

Если на поляризатор падает эллиптически поляризованный свет, поляризатор пропускает составляющую  вектора  (рис.4). Максимальное значение этой составляющей достигается в точках 1 и 2, и амплитуда вышедшего из прибора плоскополяризованного света равна длине отрезка 01`. При вращении поляризатора вокруг направления луча интенсивность меняется в пределах от (при совпадении плоскости поляризатора с большой полуосью эллипса) до  (при совпадении плоскости поляризатора с малой полуосью эллипса). Такой же характер изменения интенсивности при вращении поляризатора получается и в случае частично поляризованного света.

  1.  Получение поляризованного света

        Устройства, служащие для преобразования естественного света в линейно-поляризованный,  называется поляризаторами.

         Устройства, служащие для  анализа   степени поляризации  света  называются    анализаторами. Всякий анализатор можно   условно изобразить в виде решетки, прутья которой параллельны   направлению колебаний вектора a  проходяшего сквозь неё света.

Рис. 5

Пояснение к действию поляризатора и анализатора

Если плоскости пропускания поляризатора и анализатора параллельны друг другу, то поляризованный свет пройдет через анализатор, почти не снижая своей интенсивности (рис.5.а). Если же плоскости поляризатора и анализатора перпендикулярны друг другу, то анализатор полностью погасит падающий на него  поляризованный луч. В этом случае говорят, что анализатор и поляризатор скрещены (рис.5.б). В промежуточных случаях интенсивность будет зависеть от ориентации анализатора (рис.5.в). 

Примером поляризатора может служить плоско-параллельная стеклянная пластина. Если на эту пластинку падает луч естественного света, то отраженный и преломленный лучи будут частично поляризованными. В отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные к плоскости падения (на рис.6. эти колебания обозначены точками), в преломленном луче – колебания, параллельные плоскости падения (на рис.6. они изображены двусторонними стрелками).

         Степень поляризации зависит от угла падения . При угле падения  удовлетворяющем условию

                ,                        (2)

отраженный луч полностью поляризован (он содержит только колебания, перпендикулярные плоскости падения).

Рис. 6. Поляризация при отражении преломлении

Степень поляризации преломленного луча при таком угле падения достигает наибольшего значения, однако, этот луч остается поляризованным только частично. Выражение (2) носит название закона Брюстера. Угол  называют углом Брюстера или углом полной поляризации.

Поляризация света происходит также при прохождении через некоторые кристаллы, при явлении двойного лучепреломления.

Двойное преломление открыл в 1670 г. датчанин Эразм Бартодоминус. Направляя световой пучок нормально на пластинку из исландского шпата, он обнаружил расщепление его на два луча  (рис. 7). Один из них подчиняется обычным законам преломления – лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, его показатель преломления не зависит от угла падения,

Рис. 7. Двойное лучепреломление

в кристалле исландского шпата

скорость распространения этого луча внутри кристалла во всех направлениях одинакова. Этот луч называется обыкновенным (луч о на рис.7).

Другой луч – необыкновенный. Этот луч не лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к преломляющей поверхности, этот луч даже при нормальном падении отклоняется от первоначального направления луча внутри кристалла. Скорость распространения этого луча различна в разных направлениях (луч е на рис. 7).       

В кристалле существует направление, в котором отсутствует двойное лучепреломление. Это направление называется оптической осью кристалла, а плоскость, проведенная через оптическую ось, называется главным сечением кристалла.              

Оба луча, обыкновенный и необыкновенный, полностью поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскость колебаний  необыкновенного луча совпадает с главным сечением кристалла, а плоскость колебаний  обыкновенного луча перпендикулярна к нему.

Для получения плоскополяризованного света достаточно удалить один из лучей, образовавшихся при двойном лучепреломлении. Это достигается различными способами.

1.3. Прохождение поляризованного света через вещества

При прохождении линейно-поляризованного света через некоторые вещества плоскость поляризации световых лучей поворачивается. Это явление называется вращением плоскости поляризации. Вещества, вращающие плоскость поляризации, называются оптически активными.

Оптическая активность вещества обуславливается двумя факторами:

-  особенностями кристаллической решетки вещества;

-  особенностями строения молекул вещества.

В зависимости от этих факторов оптически активные вещества разделяются на два типа. К первому относятся твердые кристаллы, например, кварц SiO2. Вещества второго типа проявляют активность только в растворенном или газообразном состоянии. К этой категории относятся органические вещества: глюкоза, винная кислота и др.

Плоскость поляризации вышедшего луча оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом поворота плоскости поляризации. Некоторые оптически активные вещества поворачивают плоскость поляризации вправо, т.е. по часовой стрелке, если смотреть навстречу лучу (правовращающие вещества), другие - влево (левовращающие вещества).  

Угол поворота плоскости поляризации зависит прямо пропорционально от длины пути луча  в растворе, концентрации раствора С и индивидуальных свойств веществ, характеризующихся величиной, называемой удельным вращением 0,

                                                                                                     (3)

Удельное вращение зависит от длины волны света, рода растворителя, температуры раствора. С увеличением длины волны 0 уменьшается, с увеличением температуры – увеличивается.

Обычно удельное вращение относится к температуре 20°С и желтой линии натрия 0 и обозначается .   Удельное вращение плоскости поляризации численно равно углу поворота плоскости поляризации при длине пути в 1м и объемной концентрации данного оптически активного вещества, равной 1кг/м3.

2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

2.1 Описание прибора и принципа его действия

Поляриметр круговой СМ предназначен для измерения углов вращения плоскости поляризации света оптически активными веществами. Оптическая схема поляриметра типа СМ изображена на рис.8.

Рис. 8. Оптическая схема поляриметра

Свет от источника 1 (матовая электрическая лампочка) проходит последовательно через цветной светофильтр 2, поляризатор 3, диафрагму в плоскопараллельной кварцевой пластинке 4, поляриметрическую трубку 5, анализатор 6, зрительную трубку и попадает в глаз наблюдателя 9. Анализатор можно вращать относительно оси прибора с помощью специального фрикциона 2. Вместе с анализатором вращается зрительная труба и диск 7. Благодаря двум нониусам, которые нанесены на диск, можно отсчитывать по лимбу 10 углы поворота анализатора от 0 до 3600 с точностью до 0,05. Поляризатор 3 установлен неподвижно.

Пучок света, прошедший через поляризатор, оказывается поляризованным линейно. Вектор напряженности электрического поля  совершает колебания в плоскости главного сечения поляризации. На рис.9 это плоскость РР, плоскость главного сечения анализатора АА, отсчет идет из-за плоскости чертежа к наблюдателю. Стрелки указывают направление колебаний вектора .

Рис. 9. Принцип действия

анализатора

Кварцевая пластинка 4, занимающая только среднюю часть поля зрения, делит все поле зрения на три части. Кварц поворачивает плоскость поляризации средней части пучка света вправо на небольшой угол . По этой причине, если анализатор скрестить с поляризатором при отсутствии трубки с раствором 5 (плоскость АА перпендикулярна РР), крайние части поля зрения будут темными, а средняя – светлой (рис. 9а). В круговом поляриметре СМ применен принцип уравнивания яркости разделенного на три части поля зрения.

Если повернуть анализатор так, чтобы направление АА стало перпендикулярным биссектрисе угла , (на рис.9 – линия СД), средняя часть поля зрения окажется равномерно освещенной– (полутень) (рис. 9б). При таком положении один из нониусов должен указывать 0 (нулевой отсчет).

Если повернуть анализатор еще на угол /2, его главная плоскость окажется параллельной биссектрисе угла . При этом яркость поля зрения тоже будет одинаковой во всех частях, но очень большой. В этом случае точная установка прибора на однородность поля зрения будет невозможной, так как при большой яркости чувствительность глаза снижается и его свойства различать нюансы освещенности притупляются. При всех промежуточных положениях анализатора фотометрическое поле зрения будет неоднородным. Этим и пользуются для измерения углов поворота плоскости поляризации света.

Если между диафрагмой и анализатором после того, как поляризатор настроен на полутень, поместить оптически активное вещество, например, трубку с сахарным раствором, плоскости колебаний лучей повернутся на угол , и биссектриса угла между векторами напряженности электрического поля в средней и крайней частях поля зрения уже не будет перпендикулярна плоскости главного сечения анализатора.      Проекции вектора  на пропускное направление АА в средней и крайних частях поля зрения будут разными по величине. Чтобы снова добиться одинаковой освещенности поля зрения, необходимо повернуть анализатор на угол . Сделав отсчет по положению нуля нониуса, можно определить, на какой угол поворачивает плоскость поляризации данное оптически активное вещество.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Включить осветитель в сеть. Получить резкое изображение фотометрического поля так, чтобы резко были видны три части, разделяющие поле зрения. Фокусировка зрительной трубы на выходную поверхность диафрагмы осуществляется перемещением муфты 9 (рис.8) трубы вдоль оси трубы.

Определить нулевое положение (без трубки с раствором). Для этого с помощью фрикциона повернуть анализатор так, чтобы поле зрения прибора стало однородным. Отсчет брать следующим образом: определить, на сколько полных градусов повернуть нуль нониуса по отношению к лимбу, затем по штриху нониуса, совпадающего с градусным штрихом лимба, отсчитать доли градуса. Цена деления нониуса 0,05. Например, оцифровка нониуса «2» соответствует 0,2; «4» соответствует 0,4 и т.д. К числу градусов, взятых по лимбу, прибавить отсчет по нониусу и определить угол поворота. Если нулевой штрих нониуса при установке на равенство оказался относительного нулевого штриха лимба смещенным по часовой стрелке,  поправке на 0 приписывается знак «+», если против часовой стрелки, знак «–».

        Сделав нулевой отсчет положения анализатора 0, записать его значение в таблицу. Слегка повернув анализатор и изменив освещенность поля зрения, снова добиться поворотом анализатора одинаковой освещенности и сделать вторичный отсчет по шкале. Таких наводок сделать пять, записать в таблицу и взять среднее значение из них за нулевое положение 0.

3. Поместить трубку с раствором в камеру прибора. Муфтой 9 восстановить первоначальную картину поля зрения, чтобы резко были видны три части фотометрического поля. Затем фрикционом повернуть анализатор так, чтобы поле зрения стало однородным, и определить положение анализатора. Это измерение повторить не менее 5 раз, записать в таблицу  и взять среднее значение плоскости поляризации.

4. Определить угол поворота . Для этого из полученного среднего значения угла поворота плоскости поляризации вычесть поправку на «0», обязательно учитывая знак поправки , .

5. Зная длину поляриметрической трубки  и удельное вращение , пользуясь формулой (3), определить концентрацию исследуемого раствора , где =0,19 м (сахар) и =0,09507 м (глюкоза). Для сахара =66,710-2 (градм2)/кг.  Для глюкозы = 52,610-2 (градм2)/кг. 

Таблица результатов измерений

Установка на 0

Определения угла вращения

С,

кг/м3

Значение (град.)

Значение

(град.)

Значение

(град.)

Раствор глюкозы

1

2

3

4

5

Ср. значение

Раствор сахара

1

2

3

4

5

Ср. значение

6. Подсчитать относительную погрешность результата .

7. Оценить границы доверительного интервала результата измерений .

8. Окончательный результат записать в виде:

.

4. ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать формулировку цели лабораторного эксперимента, перечень приборов и оборудования, их основные паспортные характеристики,  оптическую схему прибора с указанием спецификации всех основных его узлов,  расчетную формулу с расшифровкой всех обозначений, окончательный результат эксперимента  в виде вероятного значения измеряемой величины с указанием доверительного интервала и вероятности, с которой измеряемая величина попадает в этот интервал,  выводы по результатам работы.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чем отличается поляризованный свет от естественного?

2. Какой свет называется линейно-поляризованным и частично поляризованным?

3. Дайте определение плоскости колебаний и плоскости поляризации.

Какие способы получения поляризованного света существуют?

5. Каким образом можно установить, что луч поляризован?

6. Сформулируйте закон Малюса.

7. В чем состоит явление двойного лучепреломления?

8. Какая картина будет в поле зрения прибора, если анализатор прибора скрещен с поляризатором. Почему?

9. Какие вещества называются оптически активными?

10. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации оптически активным веществом?

6. ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев, И.В. Курс общей физики . В 3-х т.[Текст] : Учебное пособие / И.В. Савельев. – Изд.5-е,стериотип. –СПб.: Изд-во «Лань», 2006.-496с.–Т.2. §§134,141. – (.Электричество и магнетизм.Волны.Оптика).


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77372. Микроядро RiDE.C 19.5 KB
  Здесь разумно начать с описания микроядра RiDE. Многие особенности микроядра RiDE.C определяет базовый протокол обмена данными между задачами RiDE.
77373. Язык программирования RiDE.L 18 KB
  Традиционно используемые в HPC языки с архитектурой классических компиляторов: C, C++, FORTRAN, Pascal – не позволяют справляться с этой сложностью настолько хорошо, насколько позволяют более поздние языки: Haskell, JavaScript, Oz, Ruby. Но программы, написанные на таких языках недостаточно эффективны во время исполнения
77374. Распределенная виртуальная сцена в онлайн-визуализации 30.5 KB
  Визуализация результатов вычислений для большого числа задач выполняется с помощью трехмерной графики. Для отображения результатов счета часто применяются стандартные графические пакеты, такие как ParaView или Open Data Explorer. При этом существует необходимость получать представление и о ходе выполнения программы и состоянии обрабатываемых данных.
77375. Изучение социальной тревожности у различных групп пользователей сети Интернет 391 KB
  Провести теоретический анализ работ, посвященных социальной тревожности и проблемам, связанным с использованием сети Интернет и онлайн-игр. Выделить и описать группы пользователей сети Интернет и виды сетевой активности. Выявить факторы, связанные с проявлением высокой социальной тревожности. Подобрать методически инструментарий, позволяющий определить уровень социальной тревожности. Провести анализ различий в проявлении социальной тревожности между респондентами из различных групп.
77376. О подсистеме истории в среде научной визуализации SharpEye 48.5 KB
  Обсуждаются пути реализации подсистемы редактируемой истории в возможности которой должны входить функции отката и повтора манипуляций проделанных пользователем сохранение и восстановлении подобранного вида сцены. Ключевые слова: научная визуализация система визуализации подключаемые внешние модули редактируемая истории откат повтор действий Введение В течение последних лет авторы разрабатывают среду ShrpEye конструктор систем научной визуализации [34]. Соответственно система должна предоставлять пользователю функционал...
77377. Функциональные возможности среды-конструктора систем научной визуализации SharpEye 38.5 KB
  Существующие системы научной визуализации можно разделить на три группы: универсальные системы (VIZIT, ParaView), системы, специализированные для некоторого класса задач (IVS3D, Venus, VolVis); и системы, специализированные для конкретной задачи. Недостатки первых двух групп – сложность в освоении, неизменность встроенных алгоритмов представления или высокая сложность их модификации.
77378. СИСТЕМА СОБЫТИЙНО-УПРАВЛЯЕМОЙ ТРАНСЛЯЦИИ LiME 34.5 KB
  Но архитектура мультиклеточных процессоров кроме повышения эффективности исполнения кода обладает рядом других важных и необходимых на практике возможностей таких как продолжение исполнения программы даже при выходе из строя части исполнительных устройств и группировка функциональные устройства более оптимальным для каждой конкретной задачи образом отключая при этом в целях экономии энергии устройства которые не используются и некоторые другие. В этой разработке самой первой из самых трудоёмких задач следует решить задачу по переводу...
77379. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ БОЛЬШИХ И СВЕРХБОЛЬШИХ ОБЪЁМНЫХ ДАННЫХ 30.5 KB
  Методы визуализации больших объёмных данных активно развиваются в том числе благодаря новым аппаратным средствам. В данной работе рассматриваются различные подходы к визуализации объёмных данных как с программной так и с аппаратной стороны актуальные на сегодняшний день. Также рассматривается специфика представления объёмных данных в памяти видеокарты и следующие из этого особенности и ограничения распределение задачи визуализации между GPU и CPU...
77380. Создание грид-сервисов для автоматизированной интеграции инженерных пакетов и интерактивных средств визуализации 38.5 KB
  Использование технологий Грид для обеспечения серьезных научных вычислений в интересах промышленности требует поддержки современных инженерных (Computer-Aided Engineering – CAE) пакетов. Инженерные пакеты, по сути, являются средами решения задач математической физики