Файл: ФИЗИКА Методические указания к комплексу лабораторных работ по физике для студентов-заочников(механика, молекулярная физика, электричество и магнетизм, колебания и волны, оптика).pdf

2.Как происходит дифракция на одной щели

3.Как перераспределяется поток световых волн на дифракционной ре-

шетке

4.Как изменяется дифракционная картина от многих щелей по сравнению с дифракцией от одной щели

5.Каким образом можно определить длину световой волны с помощью

дифракционной решетки

Список рекомендуемой литературы

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

2.Ландсберг Г.С. Оптика. – М.: Наука, 1976. – 928 с.

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

97

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).

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

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 повора-

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 одина-

98

ково 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.

99

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 концентра-

ции.

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 зре-

ния?

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

4.От чего зависит угол поворота плоскости колебаний светового век-

тора?

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

Список рекомендуемой литературы

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

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

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

100

Лабораторная работа № 5-8

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА МАЛЮСА

Цель работы: изучение явления поляризации света, проверка закона Малюса.

Оборудование: полупроводниковый лазер, блок питания, поляроид с лимбом, фотодиод, микроамперметр.

Введение

Свет представляет собой электромагнитные волны, в которых напря-

чайное, и потому в результирующей волне колебания различных направлений представлены с равной вероятностью. Таким образом, естественный

ра E , а следовательно, и вектора H проходят только в одной неподвиж-

ной плоскости, называют плоско- (линейно) поляризованным. Плоскость, в которой колеблется вектор E , называется плоскостью поляризации.

101

Устройство для получения полностью или частично поляризованного оптического излучения называется поляризатором. Поляризатор свободно пропускает колебания, параллельные плоскости, называемой плоскостью поляризатора, и задерживает колебания, перпендикулярные этой плоскости.

Если плоскополяризованный свет с амплитудой электрического вектора E 0 падает на анализатор (это поляризатор, используемый для анализа поляризованного света), то анализатор пропустит только составляющую E║ = E0 cos φ (рис. 3), параллельную плоскости поляризатора. Отношение интенсивности прошедшего J к интенсивности падающего J0 света

J EII2 .

J0 E02

Напомним, что интенсивность света в данной точке пространства равна среднему по времени потоку энергии через единицу площади перпендику-

ность прошедшего через поляризатор поляризованного света пропорциональна квадрату косинуса угла между плоскостями поляризации и поляризатора.

Описание установки

Схема установки показана на рис. 4. Излучение полупроводникового лазера 3 (с блоком питания 1) проходит через поляроид 2, который может вращаться относительно лазерного луча вместе с лимбом 5, где имеется угловая шкала в градусах (примечание: поляроид, поляризационный прибор, пропускающий световые волны, поляризованные в определенной плоскости – плоскости поляризатора). Далее световой луч попадает на фо-

102