Цель:
1) определение концентрации раствора сахара в воде;
2) установление зависимости угла вращения плоскости поляризации от
толщины слоя;
3) установление зависимости угла вращения плоскости поляризации от
длины волны проходящего света.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ
Видимый свет представляет собой электромагнитные волны, т.е. от источ-ника света распространяется меняющееся в пространстве и во времени электро-магнитное поле. Плоская электромагнитная волна может быть охарактеризована тремя векторами: скоростью распространения волны , напряженностью элек-трического поля и напряженностью магнитного поля .
Векторы напряженности электрического и магнитного полей в электромаг-нитной волне колеблются во взаимно-перпендикулярных плоскостях и перпен-дикулярно направлению распространения электромагнитной волны (рис. 1), т.е. электромагнитная волна является поперечной.
В естественном свете, идущем, например, от открытой нагретой поверхно-сти светящегося тела, присутствуют электромагнитные волны, испущенные огромным количеством атомов. Плоскость колебаний светового вектора (плос-кость, проходящая через векторы и ), в этих волнах ориентирована совер-шенно случайно, т.е. все возможные ориентации для него равновероятны. Такой свет называют неполяризованным. Неполяризованный свет можно представлять в виде суммы двух плоско поляризованных волн одинаковой интенсивности со взаимно перпендикулярными плоскостями колебания вектора . Свет, в кото-ром плоскость колебаний является постоянной, называется плоско поляризо-ванным или линейно поляризованным.
Плоско поляризованный свет можно получить с помощью приборов, называемых поляризаторами. Плоскостью поляризатора называют плоскость, в которой поляризован естественный свет после прохождения поляризатора.
Оптически активными называют вещества, способные вызывать вращение плоскости поляризации проходящей через них плоско поляризованной волны. К их числу относятся кристаллы (кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин), растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты).
После прохождения светом в веществе расстояния l плоскость колебания поернется на угол φ относительно первоначального направления.
В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе l и концентрации активного вещества c:
где [α] – удельная постоянная вращения вещества.
В зависимости от направления вращения плоскости поляризации все опти-чески активные вещества подразделяются на правовращающие и левовращаю-щие.
Угол поворота плоскости поляризации пределяется с помощью сахари-метра (поляриметра).
РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ
Углы поворота плоскости поляризации раствором с неизвестной сХ и из-вестной сЕ концентрацией (2)
где l – длина кюветы c раствором.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Таблица результатов измерений
lD = 20 см
lX = lE= 10 см
сE = 10%
1. Определение концентрации неизвестного раствора сахара
Из формул (1) и (2) имеем
Вычислим случайные погрешности прямых измерений углов φХ и φЕ.
– коэффициент Стьюдента, зависящий от доверительной вероятности Р и числа произведённых измерений n.
Р = 0,9, n = 10,
Вычислим погрешность неизвестной концентрации сХ.
3.2. Определение зависимости угла поворота плоскости поляризации от толщины слоя вещества, проходимого светом
Необходимо проверить справедливость равенства:
Угол поворота плоскости поляризации увеличивается с увеличением тол-щины слоя вещества (длины кюветы).
3.3. Определение зависимости угла поворота плоскости поляризации от длины волны
Вычислим случайную погрешность прямых измерений угла φС.
Р = 0,9, n = 5,
При замене светофильтра угол поворота плоскости поляризации изменился от
ВЫВОД
В результате проведенных измерений и вычислений была определена кон-центрация раствора сахара в воде Установлено, что угол по-ворота плоскости поляризации прямо пропорционален длине вращающего слоя и зависит от длины волны проходящего света.
Ответы на контрольные вопросы
1. Какой свет (излучение) называется плоско поляризованным (линейно поляризо-ванным)? Что называется плоскостью поляризации светового луча?
Свет, в котором вектор колеблется в определённой плоскости (а его ко-нец, если смотреть с конца вектора скорости, описывает прямую линию), назы-вается плоско поляризованным (или линейно поляризованным).
Плоскость, проходящая через направление колебаний электрического век-тора линейно поляризованной световой волны и направление распространения этой волны, называется плоскостью поляризации.
2. Какие формы поляризации может иметь поляризованный свет?
Поляризованный свет может быть линейно поляризованным, эллиптически поляризованным, поляризованным по кругу (частный случай эллиптически по-ляризованного света).
Рис. Тректория конца светового вектора (вектора ) волны,
поляризованной а) – линейно, б) – по кругу, в) – эллиптически
3. Что такое оптическая анизотропия?
Оптическая анизотропия – явление зависимости свойств среды от направления в кристалле. В частности, от направления в кристалле может зави-сеть скорость распространения света и показатель преломления, что является следствием анизотропии электрических свойств – относительной диэлектриче-ской проницаемости и поляризуемости вещества.
4. Какие вещества являются оптически активными?
Оптически активными называют вещества, способные вызывать вращение плоскости поляризации проходящей через них плоско поляризованной волны. К таким веществам относятся некоторые кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин) и растворы оптически актив-ных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кис-лоты).
Оптическая активность обуславливается асимметрией молекул вещества.
В зависимости от направления вращения плоскости поляризации все опти-чески активные вещества подразделяются на право- и левовращающие. Если смотреть навстречу лучу, то в правовращающих веществах плоскость поляриза-ции будет поворачиваться по часовой стрелке, левовращающих – против.
5. С помощью каких устройств и оптических явлений можно преобразо-вать естественный (неполяризованный) свет в плоско поляризованный?
Преобразование естественного (неполяризованного) света в плоско поля-ризованный возможно
1) при двойном лучепреломлении света;
2) при отражении и преломлении света на границе раздела двух диэлек-триков;
3) при прохождении света через некоторые кристаллы, обладающие свой-ством дихроизма.
Устройство, преобразующее естественный (неполяризованный) свет в плоско поляризованный, называется поляризатором.
Поляризаторы, основанные на свойстве дихроизма, называются полярои-дами.
6. Какие основные оптические элементы содержит сахариметр (поляри-метр)?
Их назначение.
Сахариметр состоит из двух поляризаторов (Р – поляризатор, А – анали-затор), между которыми помещается кювета К с исследуемым веществом.
Поляризатор Р преобразует естественный (неполяризованный) свет в плос-ко поляризованный. При прохождении плоско поляризованного света через кю-вету с оптически активным веществом плоскость поляризации поворачивается на некоторый угол. Пропускание анализатора А меняется в соответствии с законом Малюса при изменении угла между плоскостью поляризации анализатора и плоскостью поляризации падающего на него света. Вращая анализатор, можно определить угол поворота плоскости поляризации.
7. Сформулируйте закон Малюса.
Интенсивность линейно поляризованного света после прохождения его че-рез анализатор пропорциональна исходной интенсивности и квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации падающего света и анализатора.
– соответственно интенсивности света, падающего на анализатор и вышедшего из него.