Лабораторные работы по физике Лекции и конспекты по физике Лекции по термодинамике Электростатика Механика, термодинамика Кинематика, гидродинамика

Лабораторные работы по физике

Лабораторная работа № 5-7

Определение концентрации растворов при помощи поляриметра

Цель работы: ознакомление с вращением плоскости колебаний света в оптически активных веществах и практическим применением данного явления для определения концентрации растворов.

Оборудование: поляриметр СМ, трубки с раствором сахара, линейка.

Введение

При прохождении плоскополяризованного света через некоторые вещества плоскость колебаний поворачивается, что обусловлено особым строением молекул – отсутствием в них зеркальной симметрии. Такие вещества называются оптически активными. Примером оптически активной среды является, например, водный раствор сахара. Оптической активностью обладают и некоторые кристаллы, например кварц. Его активность связана с асимметрией строения кристаллической решетки.

Угол φ, на который поворачивается плоскость колебаний в оптически активных растворах, прямо пропорционален толщине слоя раствора и концентрации вещества

 , (1)

где L – толщина слоя, дм; C – концентрация, г/см3; α0 – коэффициент, называемый удельным вращением растворённого вещества (постоянная вращения), град∙см3/(дм∙г). Постоянная вращения зависит от длины волны падающего света и температуры раствора. У сахарных растворов при T = = 20оC для желтых лучей λ = 0,589 нм, α0 = 66,46 град∙см3/(дм∙г).

В общем случае величину α0 надо определить экспериментально, зная величины C и L и измеряя угол поворота φ:

 . (2)

Зная величины α0 и L, измеряя угол поворота φ для раствора с неизвестной концентрацией, можно вычислить:

 . (3)

Приборы, служащие для количественного исследования вращения плоскости колебаний, называются поляриметрами. В данной работе пользуются одним из наиболее точных приборов – полутеневым поляриметром типа СМ. Световой пучок в этом приборе, пройдя поляризатор, своей средней частью проходит через кварцевую пластину и анализатор, а двумя крайними частями – только через анализатор. Кварцевая пластина поворачивает плоскость колебаний на небольшой угол Δφ = 5 – 7o от плоскости пропускания поляризатора PP до плоскости KK (см. рисунок).

Интенсивности света (и, следовательно, освещённости соответствующих частей поля зрения прибора) пропорциональны квадратам проекций Ep – амплитуды светового вектора, прошедшего только через поляризатор, Ек – то же для светового вектора, прошедшего через кварц (средняя часть поля зрения) на плоскость пропускания анализатора АА.

Нетрудно увидеть, что здесь возможны лишь два положения анализатора, при которых проекции амплитуд векторов Ep и Ек равны и освещённости частей поля зрения одинаковы: 1) когда плоскость пропускания анализатора АА совпадает с биссектрисой угла Δφ (все три части поля зрения одинаково ярко освещены); 2) когда плоскость анализатора АА перпендикулярна биссектрисе угла Δφ (все три части поля зрения одинаково затемнены). Второе положение может быть зафиксировано точнее, так как чувствительность глаза намного выше при меньшей освещённости. Поэтому поляриметр следует настраивать на равное затемнение, что соответствует почти полному скрещиванию поляризатора и анализатора (86 – 870). Это положение анализатора называется нулевой точкой.

Трубка с исследуемым раствором помещается между поляризатором с кварцевой пластиной и анализатором. Если исследуемое вещество оптически активно, то оно поворачивает плоскость колебаний всех лучей, идущих и через кварц, и мимо него, на определенный угол φ. Интенсивности частей поля зрения становятся различными. Но можно снова добиться одинакового затемнения тройного поля зрения поворотом анализатора на тот же угол φ, который измеряется по шкале анализатора.

Головка анализатора состоит из неподвижного лимба, двух вращающихся с помощью фракциона нониусов и зрительной трубы (окуляра). На лимбе нанесено 360 делений. Нониусы имеют 20 делений (цена деления нониуса 0,050). Для учета эксцентриситета круга при больших углах вращения необходимо пользоваться двумя нониусами и результатом измерения считать среднее значение показаний двух нониусов. Окуляр фокусируется перемещением муфты вдоль оси прибора. В раковинах окуляра находятся две лупы, которые дают увеличенные изображения нониусов.

Порядок выполнения работы

1. Убедиться, что трубка с раствором сахара вынута из поляриметра. Включить осветитель в сеть переменного тока.

2. Закрыть шторку поляриметра, фокусировать зрительную трубку и вращением анализатора добиться равномерного затемнения тройного поля зрения.

3. Записать показания одного определенного нониуса. Если нуль нониуса оказался смещенным относительно нуля лимба по часовой стрелке, то поправке приписывают знак плюс, если против – минус. Если показания другого нониуса отличны от записанных, то надо снять показания обоих нониусов, а при расчете пользоваться их средним арифметическим.

4. Сделав отсчет на лимбе, повернуть анализатор в сторону и повторить пп. 2 и 3 не менее пяти раз, после чего найти среднее положение нулевой точки анализатора на лимбе.

5. Поместить в прибор трубку с раствором известной концентрации и закрыть шторку.

6. Фокусировать трубку (если фокусировка нарушена), установить равномерную затемненность поля зрения и записать показания лимба и нониуса (или двух, см. п. 3).

7. Повторить п. 6 не менее пяти раз, каждый раз отводя анализатор в сторону и приводя его обратно в положение, при котором поле зрения поляриметра будет равномерно затемнено. Взяв среднее из приведенных отсчетов, найти угол φ, на который была повернута плоскость колебаний светового вектора.

8. Из полученных результатов по формуле (2) вычислить удельное вращение сахара.

9. Выполнить пп. 5 – 7 для трубки с раствором неизвестной концентрации.

10. Из полученных результатов по формуле (3) вычислить процентное содержание сахара в растворе с неизвестной концентрацией.

Контрольные вопросы

1. Чем объясняется вращение плоскости колебаний светового вектора в оптически активных веществах?

2. Почему в используемом поляриметре наблюдается тройное поле зрения?

3. Какой способ уравнивания световых полей применяется в поляриметре СМ?

4. От чего зависит угол поворота плоскости колебаний светового вектора?

5. Почему не используется в данном методе установка на одинаково яркую освещенность тройного поля зрения?

Список рекомендуемой литературы

Савельев И.В. Курс общей физики: В 3 т. Т. 2. – М.: Наука, 1978. – 480 с.

Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. – 948 с.

Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высш. шк., 1990. – 478 с.

Модель абсолютно черного тела позволяет экспериментально изучать распределение энергии в спектре этого излучения. Для этого необходимо стенки полости (рис.1.1) поддерживать при некоторой постоянной температуре и исследовать излучение через малое отверстие. Разлагая это излучение в спектр, и измеряя интенсивность различных участков спектра, например, с помощью термопары можно получить экспериментальные кривые распределения энергии в спектре абсолютно черного тела. Результаты таких опытов при различных температурах представлены на рис. 1.2.

Подпись:  
Рис. 1.2
Из рис.1.2 видно, что излучение абсолютно черного тела имеет сплошной (непрерывный) характер. Энергетическая светимость (площадь, охватываемая кривой) резко возрастает с увеличением температуры, а максимум испускательной способности сдвигается в сторону более коротких длин волн. Анализ экспериментальных данных и теоретические расчеты, выполненные на основе классических представлений термо- и электродинамики, позволяют получить законы излучения абсолютно черного тела.

 

 

 

 

Закон Стефана — Больцмана

Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры

 (1.6)

Величина σ называется постоянной Стефана - Больцмана, ее экспериментальное значение

σ = 5,67· 10-8 Вт / м2К4 .

С учетом (6) энергия, испускаемая за время t абсолютно черным телом с излучающей поверхности S при постоянной температуре Т, определяется выражением:

 (1.7)

Если абсолютно черное тело окружено средой с температурой Т0 то, оно будет не только излучать, но и поглощать энергию, излучаемую самой средой. В этом случае мощность, теряемая вследствие излучения c единицы площади, выражается формулой

 (1.8)

К реальным телам закон Стефана - Больцмана не применим, так как наблюдения дают более сложную зависимость R(T). Для серого тела

 (1.9)

где α - коэффициент теплового излучения серого тела.


Физика выполнение лабораторных работ. Лекции и конспекты