оптически активными, а само явление –
вращением плоскости поляризации.
Оптическую активность проявляют некоторые кристаллы (кварц),
жидкости (скипидар, никотин), а также растворы ряда веществ в воде (на- пример, сахарозы, глюкозы, винокаменной, яблочной и миндальной ки- слот), растворы камфоры, стрихнина в спирте и т.п.
Вращение плоскости поляризации связывают с асимметрией строе- ния оптически активного вещества. Молекулы таких веществ не имеют центра или плоскости симметрии. К их числу относятся молекулы боль- шинства органических соединений. Среди оптически активных веществ встречаются такие, которые существуют в виде двух модификаций, яв- ляющихся зеркальным отражением друг друга, обладающих правым и ле- вым вращением плоскости поляризации; и есть такие, которые всегда вра- щают плоскость поляризации в одну сторону (сахар, нефть, белки, амино- кислоты, нуклеиновые кислоты и т.п.)
Вращение плоскости поляризации можно объяснить взаимодействи- ем электромагнитного поля с веществом в пределах одной молекулы. Рас- смотрим простейшую модель асимметричной молекулы в форме спирали.
Пусть на такую молекулу, диаметр витка которой равен а, падает плоско
26 поляризованная волна, световой вектор которой УЕЕ ориентирован вдоль оси у (рис.3). Электрическое поле волны вызывает в молекуле (в спирали) движение зарядов вдоль оси у, что приведет к появлению элек- трического поля УЕ в том же на- правлении у. Но если заряды мо- гут двигаться в спирали вдоль оси у, то неизбежно возникнет их движение и вдоль оси х, т.е. поя- вится небольшая составляющая поля xE вдоль х. Складывая /уЕ и Ех, получим результирующее поле Е, отклонен- ное на малый угол от первоначального направления. Угол поворота плоскости поляризации для оптически активных растворов прямо пропорционален концентрации С вещества. Это свойство используется для определения, например, концентрации сахара в произ- водственных растворах и биологических объектов (например, в крови и др.). Для водных растворов оптически активных веществ угол поворота светового вектора определяется концентрацией растворимого вещества С, длиной пути L, проходимой светом в растворе, и величиной удельного вра- щения [ ]. .сL (1) Удельное вращение обычно выражают величиной угла поворота све- тового вектора при прохождении светом раствора толщиной в 1 дециметр, при концентрации растворенного вещества, равной 1 г/см 3 . Его величина зависит от температуры и длины волны (обычно [ ] 1/ 2 ) проходящего света. Удельное вращение сахарозы для желтой линии составляет [ ] 66,5 град ·см 3 /(г .дм). Зная длину пути L в (1) и измеряя угол вращения раствора извест- ной концентрации, можно вычислить удельное вращение [ ]. Затем по из- меренный значениям и известному значению [ ] можно определить кон- центрацию исследуемого раствора. Определение угла вращения осуществ- ляется с помощью сахариметра и поляриметров. Рис.3. Асимметричная молекулавращает плоскость поляризации 27 1.2. П РИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛЯРИМЕТРАЕсли поляризатор и анализатор установлены так, что их направления поляризации перпендикулярны, то очевидно, свет после анализатора про- ходить не будет. Однако, если между ними поместить оптически активное вещество, то в монохроматическом свете наблюдается просветление поля вследствие некоторого поворота светового вектора Е (рис.4.). Вращая анализатор, это поле можно погасить. Угол поворота анали- затора и будет являться углом вращения . Измерение подобным обра- зом оказывается крайне приближенным, так как человеческий глаз не мо- жет точно отметить положение, в котором анализатор установлен на пол- ное затемнение поля зрения. Поэтому при измерениях применяются полу- теневые поляриметры, устанавливаемые не на темноту поля зрения, а на равное освещение двух половин поля зрения. Полутеневые поляриметры позволяют измерить поворот светового вектора с точностью до 0,01°. В полутеневом поляриметре поле зрения по вертикали разделе- но пополам (рис.4). Два поляриза- тора П 1 и П 2 пропускают свет со- ответственно в левой и правой по- ловине поля в направлениях коле- бания вектора Е, составляющих между собой малый угол (около 2°, подробнее см. [4]). Если анализатор в отсутст- вие активного вещества располагается так, что его направление поляриза- ции А перпендикулярно вертикали (рис.4), то обе половины поля зрения будут одинаково и слабо освещены (так как П 1 и П 2 почти перпендикуляр- ны к А) (дадут полутень). Активное вещество повернет световые векторы против часовой стрелки (рис.4б), либо по часовой стрелке (рис.4в), что за- висит от свойства вещества. Из рисунка ясно, как это отразится на поле зрения. Поляриметры, используемые для определения концентрации раство- ра сахара (сахарозы, глюкозы и др.), называют сахариметрами.В нашем практикуме измерения проводятся с помощью сахариметра. 2. ОПИСАНИЕ САХАРИМЕТРАСхематически устройство сахариметра показано на рис.5. В сахари- метре исследуемый раствор сахара (сахарозы, глюкозы или фруктозы) на- ливают в трубки стандартной длины 1 или 2 дм. Эти трубки помещают в камеру прибора М. Источником света является лампа накаливания, свет от Рис.4. Поле зрения полутеневого поляриметра
28
нее проходит через поляризатор и желтый светофильтр ( на рис. 5 они не видны), затем поляризованный монохроматический свет проходит через трубки с раствором сахара и анализатор.
Рис.5. Сахариметр
При измерениях вращая рукоятку кремальерной передачи R (рис.5),
добиваются полной однородности обеих половин зрения сахариметрара,
наблюдая его в окуляр L
1
Для снятия показаний пользуются вторым окуляром L
2
. В поле зре- ния окуляра L
2
(рис.6) видны две шкалы : основная (нижняя) и добавочная
– нониус (верхняя). Цена деления основной шкалы один градус, цена деле- ния нониуса – 0,05 градуса.
При вращении передачи R (рис.5) нижняя шкала движется относи- тельно верхней. Для снятия замера (когда уже добились одинаковой осве- щенности обеих половин) число целых градусов определяем по нижней шкале против нулевой риски нониуса, а десятые и сотые доли градуса оп- ределяем по нониусной шкале: какой из штрихов нониуса совпадает с лю- бым делением нижней шкалы – столько будет десятых и сотых.
ПРИМЕЧАНИЕ. Сахариметр проградуирован в так называемых гра- дусах сахарной шкалы (
S), они применяются в пищевой промышленно- сти. Для перевода углов в обычные градусы круговой шкала показания прибора следует умножать на 0,35.
Рис.6. Основная и нониусная шкалы сахариметра
29 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ1. Установка прибора на нуль ( вблизи полного затемнения поля зрения) Поместить в камеру прибора (М) поляриметрическую трубку с нуле- вой концентрацией раствора. Вращая рукоятку R (рис.5) добиваются пол- ной однородности обеих половин зрения сахариметрара, наблюдая его в окуляр L 1 . При этом нулевые деления шкалы и нониуса, видимые в верх- нем окуляре L 2 , должны совпасть. Если этого нет, то следует определить отклонение прибора от его нуля и в последующие измерения вводить най- денную поправку (рис.6). Если нулевой штрих нониуса при установке на равенство освещен- ности оказался относительно нулевого штриха лимба смешенным по часо- вой стрелке, то поправке на "0" приписывается знак "+"; если против часо- вой стрелки - знак "-". Определение нуля прибора oi , произвести 5 раз. 2. Измерение зависимости угла вращения плоскости поляризации от концентрации С раствора сахара. Поместить заполненную раствором известной концентрации актив- ного вещества трубку в камеру прибора (М) и измерить угол поворота плоскости поляризации с точностью до 0,05°. Замеры углов повторить для каждой трубки 3-5 раз. Найти среднее значение 3. Опыт повторить с остальными трубками, одна из которых запол- нена раствором неизвестной концентрации. Результаты опыта свести в таб- лицу 1. Таблица 1. Результаты измерений№ труб ки С, г/cм 3 i, S , S Угол вращения )(,i0 35 0 , град. 10020,0530,1040,1550,2060,257Сх
30
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1. Вычислить углы вращения и занести их в таблицу1.
1. На миллиметровой бумаге построить зависимость угла поворота
плоскости поляризации от концентрации С активного вещества.
2. По графику найти неизвестную концентрацию.
3. По графику определить удельное вращение, используя то обстоя- тельство, что угловой коэффициент усредненной прямой численно равен значению [
]. Поэтому
,
)
(
1 2
1 2
c
c
L
где значения С
1
и С
2
удобно выбрать наименьшим и наибольшим соответ- ственно. Очевидно, наименьшее значение С
1
=
= 0.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.
Что представляет из себя свет?. Что называют световым вектором?
2.
Какой свет называют поляризованным?
3.
Какие виды поляризации света вы знаете?
4.
Объясните причины того, что естественный свет неполяризован?
5.
С помощью чего поляризуется естественный свет?
6.
Что такое анализатор?
7.
Как устроена призма Николя?
8.
Какие вещества называют оптически активными?
9. Какой зависимостью связан угол вращения с концентрацией вещества?
10. Каков смысл удельного вращения [
], и от чего он зависит?
11. Как устроен полутеневой поляриметр?
12. Как определяется нуль прибора и угол вращения
?
13. Как экспериментально определить неизвестную концентрацию раствора?
14. Предложите иной способ, позволяющий получить поляризованный свет
(без использования поляризационных призм).
15. Постройте классификацию видов поляризованного света на основании способов их получения.
6. Литература
1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие для студентов втузов.- М. Высш. шк., 2008.-720с.
2. Трофимова Т.И. Курс физики, М.: Высшая школа, 2000.- 542 с.
3.Лабораторный практикум по физике. /Под ред. К. А. Барсукова и
Ю. И. Уханова. М.: Высшая школа, 1988.- 351 с.
4. Физический практикум. Электричество и оптика, ред.В.И. Иверо- нова, М.: ВШ, 1968.- 428 с.
31 ОГЛАВЛЕНИЕЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5-2ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТАПРИ НАБЛЮДЕНИИ КОЛЕЦ НЬЮТОНА..............................................................................31. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ .................................................................................. 3 1.1 Явление интерференции ............................................................................... 31.2. Кольца Ньютона ......................................................................................... 72. О ПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ............................................................ 10 3. П ОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ......................................................................... 11 4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ................................................ 11 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ........................................................................... 12 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5-3ИССЛЕДОВАНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НАОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ ........................................................131. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ................................................................................ 13 2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ ............................................................................. 19 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ............................................................ 20 4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ................................................ 23 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ........................................................................... 23 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5-5ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВПРИ ПОМОЩИ САХАРИМЕТРА ..........................................................................................241. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ................................................................................ 24 1.1 Вращение плоскости поляризации света оптическиактивными веществами........................................................................... 241.2. Принцип действия поляриметра .............................................................. 272. ОПИСАНИЕ САХАРИМЕТРА........................................................................ 27 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ............................................................ 29 4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ................................................ 30 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ........................................................................... 30 6. Л ИТЕРАТУРА ........................................................................................................ 30
32
Методические указания к лабораторным работам по физике
(раздел ВОЛНОВАЯ ОПТИКА, часть 1)
для студентов всех технических специальностей
Составители: Т.Н. Строганова, к.ф-м.н., доцент
О.С. Агеева, к.т.н., доцент
Редакторы: Тамара Николаевна Строганова, к.ф-м.н., доцент
Ольга Сергеевна Агеева, к.т.н., доцент
Подписано в печать 24.12.2012. Формат 60х90 1/16. Усл. печ. л. 2.
Тираж 45 экз. Заказ № 2490.
Библиотечно - издательский комплекс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет».
625000, Тюмень, ул. Володарского, 38.
Типография библиотечно - издательского комплекса.
625039, Тюмень, ул. Киевская, 52.
| 
Скачать 234.79 Kb.