Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологическо. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике красноярск 2004

• Название: Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике красноярск 2004
• Анкор: Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике.doc
• Дата: 30.01.2017
• Размер: 10.98 Mb.
• Имя файла: Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологическо.doc
• Тип: Руководство; #1280
• Категория: Физика
• страница: 10 из 24

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Какой свет называется естественным? Поляризованным? Частично поляризованным?
   
2. 
   Что такое плоскость колебаний электромагнитной волны, плоскость поляризации света?
   
3. 
   Перечислите способы получения поляризованного света.
   
4. 
   При каком условии при отражении от диэлектрика свет полностью поляризуется?
   
5. 
   Чем объясняется явление двойного лучепреломления в кристаллах?
   
6. 
   Начертите ход лучей в двоякопреломляющем кристалле. Какие лучи при этом образуются? Почему они получили такое название?
   
7. 
   Какое направление в кристалле называется оптической осью кристалла?
   
8. 
   Что называется главной плоскостью кристалла?
   
9. 
   Какое явление называется дихроизмом? Где данное явление используется?
   
10. 
    Объясните ход лучей в призме Николя?
    
11. 
    Что называется поляризатором? Анализатором?
    
12. 
    Какой закон лежит в основе поляриметрии?
    
13. 
    Какие вещества называются оптически активными?
    
14. 
    По какой формуле можно определить концентрацию оптически активных веществ?
    
15. 
    От чего зависит угол поворота плоскости поляризации оптически активными веществами?
    
16. 
    Какие вещества называются правовращающими? левовращающими?
    
17. 
    Начертите и объясните оптическую схему поляриметра – сахариметра.
    
18. 
    Какой метод называется спектрополяриметрией? На каком законе он основан?
    
19. 
    Объясните устройство поляризационного микроскопа? Что он позволяет исследовать?
    
20. 
    Где применяется поляризованный свет в медико-биологических исследованиях?
    

ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Агапов Б.Т., Максютин Г.В., Островерхов П.И. Лабораторный практикум по физике. – М.: Высшая школа, 1982. – С. 208-217.
   
2. 
   Ливенцев Н.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1978. –Т.1.- С.80-81, 135-140, 169- 172.- Т.1.- С.242-248.
   
3. 
   Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1987. - С. 439- 447.
   
4. 
   Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. - С. 447- 456.
   
5. 
   Эссаулова И.А., Блохина М.Е., Гонцов Л.Д. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. – М.: Высшая школа, 1987. - С. 214- 220.
   

Лабораторная работа № 8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ С ПОМОЩЬЮ РЕФРАКТОМЕТРА
Цель работы:

1. 
   Ознакомиться с принципом работы рефрактометра.
   
2. 
   Исследовать зависимость показателя преломления раствора от его концентрации.
   
3. 
   Определить концентрацию неизвестного раствора.
   

Оборудование:

рефрактометр, набор растворов различной концентрации, пипетка.
Значение метода

Основные направления использования рефракции света в медико-биологических исследованиях в медицине:

• 
  Выполнение количественных измерений показателя преломления исследуемых веществ – рефрактометрия: рефрактометр применяется для быстрого определения концентрации водных, спиртовых, эфирных и других растворов по показателю преломления (в медицине эти приборы используются для определения общего количества белка в крови и его отдельных фракций при анализе желудочного сока, мочи и др. веществ);
  
• 
  Передача световых потоков с помощью волоконных световодов к пациенту;
  
• 
  Освещение труднодоступных участков при выполнении манипуляций (например, при интубировании больных для осуществления искусственного дыхания во время операции);
  
• 
  Внутрисосудистое облучение крови лазерным светом при лечении больных с инфарктом миокарда, внутрилегочное облучение ультрафиолетом при лечении туберкулеза;
  
• 
  Передача изображения внутренних органов (волоконная эндоскопия): при визуальной диагностике состояния тканей внутренних органов путем введения эндоскопа (фиброгастроскопия); через кожный разрез (лапароскопия); при взятии биопсийного материала на выбранных участках; при проведении лечения лазерным облучением определенных участков внутренних органов.
  

Теоретическая часть
Световая волна, достигая поверхности раздела двух сред, возбуждает в атомах, ионах, молекулах вещества вынужденные колебания электронов с частотой, равной частоте приходящей волны, эти колебания когерентны как между собой, так и с падающей волной. В результате наложения первичной и вторичной волн (рис. 1) образуется отраженная волна Ф_отр и преломленная волна Ф_пр, распространяющаяся во второй среде. Явление преломления света называется рефракцией.


Рис. 1. Распространение светового потока на границе раздела двух сред.

Преломление луча света при переходе из одной среды в другую обусловлено изменением скорости световой волны. Скорость света будет максимальной в условиях вакуума (υ_max=с=300000 км/с).

Чем выше плотность среды, тем меньше скорость света в ней. Абсолютный показатель преломления среды n_абс показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем скорость света в данной среде.

. (1)

Наряду с абсолютным показателем преломления в качестве характеристики оптической плотности сред используется относительный показатель преломления, равный отношению абсолютных показателей преломления исследуемых сред:

, (2)

где - абсолютный показатель преломления первой среды,

- абсолютный показатель преломления второй среды.

Ход лучей на рис. 1 иллюстрирует следующие законы преломления света:

1. 
   Луч, падающий на границу раздела двух сред, перпендикуляр к поверхности в точке падения луча и преломленный луч лежат в одной плоскости.
   
2. 
   Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β лучей для данных двух сред есть величина постоянная, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:
   

. (3)

Среды с большим показателем преломления называются оптически более плотными.


Рис. 2. Преломление света при переходе из менее плотной среды в более плотную (n₁< n₂); а – для отдельных лучей; б – для

потока лучей с углами падения от 0 до 90⁰.
Если свет переходит из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную (рис. 2), то угол преломления меньше угла падения (луч 2 – 2, 3 – 3). При увеличении угла падения до 90⁰ (луч 4 – 4) свет во второй среде будет распространяться только в пределах угла β_пр, называемого предельным углом преломления.

Предельный угол преломления можно определить из условия:

, (4)

т. к. sin 90⁰ = 1, то . (5)

Если луч переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную (рис. 3), то угол преломления больше угла падения. С увеличением угла падения преломленный луч все ближе подходит к границе раздела сред и при α_пр скользит по ней (луч 3 – 3). Это явление называется полным внутренним отражением, а угол падения α_пр – предельным углом полного внутреннего отражения.


Рис. 3. Преломление света при переходе из более плотной среды в менее плотную (n₁> n₂); а – для отдельных лучей; б – для для потока лучей с углами падения от 0 до 90⁰.
Этот угол можно найти из условия:

, (6)

т.к. sin 90⁰ = 1, то . (7)

Для двух данных сред вследствие обратимости хода лучей предельный угол преломления первой среды равен предельному углу отражения второй среды.

На явлении полного внутреннего отражения основана широко используемая в медицине волоконная оптика. Волоконной оптикой называют раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по световодам. Свет, падая внутрь прозрачного волокна, окруженного веществом с меньшим показателем преломления, многократно отражается и распространяется вдоль этого волокна.

Для передачи изображения волокна формируют в пучки в строгой последовательности (порядок расположения волокон на входе и выходе световода должен быть одинаковым). Принцип получения изображения заключается в том, что каждое волокно передает только фрагмент (светлую или темную точку на торце стекловолокна) всей картины. Полное изображение «собирается» на торце пучка из таких точек, как мозаика. Поэтому четкость изображения будет тем выше, чем меньше диаметр световодов, входящих в волоконный эндоскоп.
ПРИНЦИП РАБОТЫ РЕФРАКТОМЕТРА
Для определения оптической плотности веществ используют рефрактометр. Основным элементом прибора являются две прямоугольные стеклянные призмы (n = 1,7), расположенные основаниями друг к другу на расстоянии 0,1 мм (рис. 4). Пространство между призмами заполняется исследуемой жидкостью.


Рис. 4. Ход лучей в рефрактометре в проходящем (а) и отраженном (б) свете.

Призма АВС называется осветительной, а призма DEF – измерительной. Измерения могут быть выполнены как в проходящем, так и в отраженном свете. В первом случае в приборе реализуется ход лучей, указанный ранее на рис. 2б. Лучи от источника света падают (рис. 4а) на грань АВ призмы АВС, преломляются и попадают на матовую поверхность АС, на которой происходит диффузное рассеяние светового потока. Вследствие этого лучи войдут в жидкость и достигнут грани DE под различными углами (от 0 до 90⁰). Преломляясь на грани DE, лучи внутри призмы DEF проходят только по направлениям, лежащим внутри предельного угла β_пр. На грани EF эти лучи преломляются и выходят под некоторым углом β в зрительную трубу Т. Объектив зрительной трубы фокусирует параллельные лучи, идущие от различных точек предмета грани EF под разными углами. Поэтому, если ось зрительной трубы установлена по направлению лучей, ограничивающих предельный угол преломления, то поле зрения в фокальной плоскости объектива разделяется на светлую и темную области. В этом случае выполняется условие:

, (8)

где α_max = 90⁰; β_пр – предельный угол преломления света в жидкости;

n_ст – показатель преломления стекла призмы; n_ж – показатель преломления исследуемой жидкости.

Так как sin 90⁰ = 1, то из уравнения (8) следует:

n_ж = n_ст·sinβ_пр . (9)

При исследовании показателя преломления в отраженном свете в рефрактометре создается ход лучей, указанный ранее на рис. 3б. Лучи от источника света направляют (рис. 4б) на матовую поверхность DF призмы. В результате диффузного рассеяния лучи входят в призму DEF под разными углами (от 0 до 90⁰). Так как лучи, достигшие грани DE, переходят из оптически более плотной среды (стекло) в оптически менее плотную (жидкость), то лучи, у которых угол падения больше предельного, претерпят полное отражение. Лучи, направление которых соответствует величине предельного угла полного отражения, и определяют границу света и тени. В этом случае выполняется условие:

, (10)

т.к. sin 90⁰ = 1, то из уравнения (10) следует:

n_ж = n_ст·sinα_пр . (11)
Таким образом, в обоих случаях (уравнения (9), (11)) между показателями преломления жидкости и величиной предельного угла имеется строгое соответствие. Положение границы раздела света и тени определяется величиной предельного угла, а, следовательно, и величиной показателя преломления жидкости. Поэтому в поле зрения зрительной трубы на шкале рефрактометра нанесены не значения угла, а значения показателя преломления. Показатели преломления прозрачных жидкостей удобно определять в проходящем свете, а интенсивно окрашенных или мутных жидкостей – в отраженном свете.

Отметим, что при прохождении света на границе различных сред наблюдается разложение белого света на монохроматические волны. Это явление называется дисперсией света и обусловлено зависимостью показателя преломления вещества от частоты (длины) световой волны. В результате граница между освещенной и темной частями поля зрения будет спектрально окрашенной. Для получения резкой границы света и тени в рефрактометре применяется компенсатор дисперсии, представляющий собой призму, выделяющую только желтые лучи, соответствующие середине видимого спектрального диапазона.

Так как показатель преломления жидкости зависит от концентрации растворенного вещества, то, построив калибровочный график, можно по известному показателю преломления определить неизвестную концентрацию раствора данного вещества.