Описание экспериментальной установки

Установка для определения концентрации сахара в водном растворе представлена на рисунке 4:

Установка состоит из: источника света (лампа накаливания)-1, поляризатораа-2, изготовленного из поляроидной пленки, кварцевой пластинки-3 , зрительной трубы-4, трубки с исследуемым раствором или жидкостью-5, системы анализатора, которая состоит из неподвижного лимба-6, вращающегося фрикциона -7, анализатора -8, ручки настройки резкости -9.

В круговом поляриметре применен принцип выравнивания контрастов полей зрения, которые имеют место в поляриметре без трубки 5 и с трубкой 5, содержащей исследуемый раствор или жидкость.

В общем случае при вращении анализатора в поляриметре можно наблюдать три основных (наиболее контрастных) поля зрения:

1. Если оптические оси поляризатора и анализатора параллельны, то та площадь поля зрения, которая освещается световыми волнами, прошедшими через кварцевую пластинку, будет наиболее темной, в то время, как площадь, освещаемая световыми волнами, которые не проходили через кварцевую пластинку - наиболее светлой, т.е. освещенность данной площади будет максимальной (рис.5а).

2. Если оптические оси поляризатора и анализатора перпендикулярны, то площадь поля зрения, которая освещается световыми волнами, прошедшими через кварцевую пластинку, будет характеризоваться максимальной освещенностью, в то время как площадь освещаемая, световыми волнами, которые не проходили через кварцевую, пластинку - наиболее темной, т.е. освещенность данной площади будет минимальной (рис.5б).

3. Если угол между оптическим осями поляризатора и анализатора составляет 45⁰, то все поле зрения будет освещено равномерно, причем освещенность в данном случае составит величину приблизительно равную 0.7 от максимально возможной (рис.5в).

Три наиболее контрастных поля зрения (рис.5(а-в)) в поляриметре можно наблюдать путем вращения фрикциона 7 (рис.4) по или против часовой стрелки, в результате чего также будет вращаться анализатор. Каждое из указанных полей зрения характеризуется определенным положением нониуса I или II на шкале лимба (в градусах). Таким образом, настроив поляриметр без трубки с исследуемым раствором сахара на какое-либо одно из тpёx указанных выше полей зрения, мы можем по нониусу I или II определить его положение в градусах a_0I или a_0II. Здесь a_0I - положение данного поля зрения по нониусу I, a_0II положение данного поля зрения по нониусу II. При введении в поляриметр трубки с раствором сахара контрастность поля зрения изменяется (ухудшается). Изменение контрастности происходит в результате вращения сахарным раствором плоскости поляризации, т.е. при прохождении э/м волной в растворе определённого пути плоскость поляризации поворачивается на определенный угол a. Для того, чтобы определить a, нужно путем вращения фрикциона 7 повернуть анализатор так, чтобы восстановить поле зрения (и его контрастность), которое наблюдалось в поляриметре до введения в него трубки с исследуемым раствором сахара. При этом положение нониуса I составит a_1I, а положение нониуса II - a_1II. Т.о. искомый угол поворота плоскости поляризации a будет равен:

 или . (2)

Выполнение работы

1. Путем вращения фрикциона 7 настроить поляриметр (без трубки с исследуемым раствором) на одно из полей зрения, приведенных на рис.5(а-в).

2. Определить a_0I или a_0II.

3. Ввести в трубу поляриметра трубку с исследуемым раствором. Вращая фрикцион 7 настроить на изображение в поле зрения и определить a_1I или a_1II.

4. По формуле (1) вычислим угол вращения плоскости поляризации a, и затем из формулы  найдём концентрацию С сахара в растворе (в данном эксперименте). Для водного раствора сахара константу удельного вращения a₀, считать равной 0.08⁰ л/(г см) или 0.08⁰ см²/г. a₀ определяется при комнатной температуре. Источник света - лампа накаливай. Длина трубки составляет 20 см.

5.Для получения точного результата последовательность действий необходимо выполнить не менее 8-10 раз и произвести усреднение концентрации С по числу измерений.

6. Полученные результаты занести в таблицу 1.

Таблица 1

7. Перечисленную в пунктах 1-5 последовательность действий повторите для других полей зрения и вычислите среднюю концентрацию на основе измерений, выполненных для каждого из трех полей зрения.

Большое число измерений обусловлено необходимостью, которая заключается в том, что настройка человеком поляриметра на выбранное поле зрения производится очень грубо, поскольку человеческий глаз обладает определенной "погрешностью". Например, погрешность отдельного измерения, в некоторых случаях, может составлять приблизительно 30 %. Известно, что с увеличением числа измерений ошибка убывает как , где N-число измерений. Т.о, проделав 30 измерений, Вы уменьшите ошибку приблизительно в 5,5 раз.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой свет называется плоскополяризованным?

2. Для каких целей в данной работе используются поляроиды?

3. Какой угол должен быть между оптическими осями поляризатора и анализатора, чтобы в окуляре было видно:

а) поле зрения, изображенное на рис.5(а)?

б) поле зрения, изображенное на рис.5(б)?

в) поле зрения, изображенное на рис.5(в)?

4. В каких единицах выражается размерность постоянной удельного вращения?

5. От каких физических параметров зависит константа удельного вращения?

ЛИТЕРАТУРА

1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т.3. Оптика. М.: Наука, 1985.- 752с.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М.: Наука, 1988.- 496 c.

3. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Феймановские лекции по физике. Т.3-4. Излучение. Волны. Кванты. М.: Мир, 1977.- 496 с.

4. Крауфорд Ф. Берклеевский курс физики. Волны. М.: Наука, 1984.-512с.