Изучение вращения плоскости поляризации

ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить явление поляризации света и вращение плоскости поляризации плоско поляризованного света в оптически активных веществах.

1.2. Изучить назначение, устройство и принцип действия полутеневого поляриметра.

1.3. Определить удельное вращение для раствора сахара в воде.

1.4. Измерить концентрацию сахара в растворе.

1.5. Определить постоянную Верде для воды.

 

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Естественный и поляризованный свет.

В ряде оптических явлений свет можно рассматривать как электромагнитую волну или совонупность электромагнитных волн. Электромагнитная волна представляет собой процесс распространения в пространстве переменных электрических и магнитных полей. Любая электромагнитная волна поперечна: векторы электрической напряженности E и магнитной напряженности H взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости v распространения волны. Векторы E и H изменяются синхронно и их величины связаны соотношением

где ε, μ – диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, ε₀, μ₀ - соответственно электрическая и магнитная постоянные.

Следовательно, для описания световой электромагнитной волны достаточно знать поведение лишь одного из векторов. Обычно все рассуждения ведутся относительно светового вектора – вектора напряженности электрического поля E (это обусловлено тем, что при действии света на вещество электрическая составляющая поля волны оказывает существенно сильнее воздействует на электроны в атомах по сравнению с магнитной составляющей).

Свет от обычного источника представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, в течение некоторого времени наблюдения характеризуется всевозможными равновероятными колебаниями светового вектора (Рис.1а). Свет, в котором ориентация вектора E изменяется со временем случайным образом, будем называть естественным (неполяризованным).

МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ УДЕЛЬНОГО ВРАЩЕНИЯ РАСТВОРА САХАРА.

 

Описание лабораторной установки.

 

 

Рис.7. Внешний вид поляриметра (Сахариметр СУ-4):

 

1 — окуляр; 2 — измерительная головка; 3 — механизм установки нониуса; 5—кюветное отделение; 6 — траверса; 7—оправа поляризатора;
8—поворотная обойма; 9—осветительный узел; 10 — регулировочный винт; 11—винт заземления; 12 — вилка разъема; 13— вставка плавкая;
14—крышка; 15—кнопка; 16—ручка потенциометра 17—стойка;
18—основание; 19 — рукоятка клинового компенсатора (анализатора);
20—зрительная труба

 

3.3. Методика определения удельного вращения раствора сахара.

Подготовка сахариметра к работе.

а) Включите кнопкой 15 осветитель.

б) Установите окуляр зрительной трубы 20 на максимальную резкость изображения вертикальной линии раздела полей сравнения.

в) Установите окуляр 1 на максимальную резкость изображения штрихов и цифр шкалы и нониуса (неподвижная часть).

Порядок выполнения работы

 

а) Закройте крышку кюветного отделения без установки в нее кюветы.

б) Окуляром 20 (Рис.7) добейтесь максимальной резкости изображения вертикальной линии раздела полей сравнения.

в) Уравняйте яркость полей сравнения вращением рукоятки клинового компенсатора (анализатора) 19 (Рис. 7). При этом возможны два варианта :
 1) когда оба поля яркие и 2) когда оба поля сравнения темные. Для получения правильных (более точных) результатов измерений следует уравнивать яркости полей в темной области, т.е. когда поля уравнены при минимальных яркостях (Рис. 6- а).

г) Отсчет показаний при помощи нониуса поясняется на Рис 8. Значения углов снимайте с точностью 0.05° S.

д) В целях повышения точности измерений повторите эту операцию не менее 3-х раз, чтобы в дальнейшем получить среднеарифметическое значение j₀. Результаты измерений запишите в таблицу 1.

е) Поместите кювету с раствором известной концентрации Сn и длиной d в кюветное отделение. ( Значения Сn и d обозначены на кювете).

ж) Установите ее, вращая вокруг оси, в такое положение, чтобы линия раздела полей сравнения делила поле зрения на две равные части

з) Установите зрительную трубу на максимальную резкость изображения вертикальной линии раздела полей сравнения.

и) Измерьте j_n, как указано в пунктах в-д. Результат измерений запишите в таблицу 1.

к) Поместите кювету с раствором неизвестной концентрации Сх и длиной d в кюветное отделение. Измерьтеj_x, как указано выше.

Номер опыта	φ0, град	φn, град.	φx, град.	Cn, г/см3	d, см.	Сx±ΔСх, г/см3	α ±Δ a, град см2/г
1
2
3

Таблица 1.

 

л) Полученные результаты измерений введите в  компьютер.

В компьютере определяются значения Сх и a, а также погрешности измерения ΔСх и Δa.. При этом используются следующие расчетные формулы: (град-см2/г);  (г/см3);                               (7)

 

л) Выведенные на монитор результаты вычислений занесите в таблицу 1.

 

 

Примеры отсчёта показаний по нониусу

 

Рис.8-а.

 

На Рис.8-а. показано положение нониуса и шкалы, соответствующее отсчету + 11.85° S  (нуль нониуса расположен правее нуля шкалы на 11 полных делений, а в правой части нониуса деления шкалы и нониуса совпадают на значении 0.85^о).

 

 

 

Рис.8-б.

 

На Рис.8-б. показано положение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету
 - 3.25° S (нуль нониуса расположен левее нуля шкалы на 3 полных деления и в левой части нониуса с одним из делений шкалы совмещается его пятое деление, т.е. 0.25^о).

 

 

Примечание. В сахариметре применена международная сахарная шкала.
100° S этой шкалы соответствуют 34.62° угловым градусам (коэффициент пересчета К = 0.3462).

 

 

4. Методика выполнения работы по определению постоянной Верде воды.

Порядок выполнения работы

4.2.1. Поместите в кюветное отделение поляриметра кювету с дистиллированной водой, заключенную в соленоид
(длина соленоида d = 0.19 м, число витков n = 50000, μ₀ = 4π·10^-7Гн/м). Установите окуляр зрительной трубы 20 (Рис.7) на максимальную резкость изображения вертикальной линии раздела полей сравнения.

4.2.2. Кодовый переключатель "mA" блока Б5-49 установите в положение "600"mA.

4.2.3. Включите тумблер "Вкл.". На блоке загорятся лампочки "Сеть", "Режим стабилизации тока" и один из индикаторов полярности выходного напряжения (+  или –).

4.2.4. После нажатия кнопки "Вкл. измерения" на 10 секунд загорится индикатор времени измерения 3 (Рис.9), сопровождаемый звуковым сигналом. В это время через соленоид протекает ток. Снимите отсчет угла поворота плоскости поляризации, т.е. в течение 8-10 секунд уравняйте яркость полей сравнения вращением рукоятки клинового компенсатора (анализатора) 19
(Рис. 7). Для получения правильных результатов  уравнивайте яркости полей в темной области, т.е. когда оба поля будут минимально яркими (Рис. 6-г).

Запишите результат в табл.2..Через 10 секунд индикатор гаснет (звук прекращается), напряжение с выходных клемм блока Б5-49 отключится. Через 6 секунд загорится индикатор другой полярности, что означает готовность блока питания Б5-49 к следующему циклу измерений при обратной полярности выходного напряжения. Кнопку "Вкл. измерения" можно нажимать только в том случае, если горит один из индикаторов полярности выходного напряжения.

Таблица 2

Iсол, mA	±φ, град.	В, Тл.	R,
600
–600
500
–500
400
–400
300
–300
200
–200

 

 

4.2.5. После автоматического отключения выходного напряжения блока питания (после прекращения звукового сигнала) установите переключателем "mА" новое значение тока соленоида. Уменьшайте ток каждый раз на 100 mА. Повторите измерения углов поворота плоскости поляризации для обеих полярностей выходного тока в соответствии с таблицей 2.

4.2.6. Полученные результаты измерений введите в компьютер.

 

 

Компьютером выполняются следующие действия:

· По формуле В=μ0·n·I (где n = 50000 витков, μ0 = 4π·10-7Гн/м) рассчитывается индукция магнитного поля (В), соответствующая каждому значению тока электромагнита (I). · Строится (но не выводится) график зависимости угла поворота плоскости поляризации света от индукции магнитного поля j= f (В). · Исходя из графика и по формуле R = φ/B·d (где d = 0.19 м ─ длина соленоида), определяется постоянная Верде (R).

 

4.2.8. Выведенные на монитор результаты вычислений внесите в таблицу 2.

4.2.9. Постройте график j = f (В).

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

5.1. Какой свет является естественным, частично поляризованным, полностью поляризованным?

5.2. Что такое линейно поляризованный свет и плоскость поляризации?

5.3. Что такое свет, поляризованный по кругу, как его можно описать математически?

5.4. Какие вещества называют оптически активными?

5.5. Как формулируется закон Малюса?

5.6. Каково устройство и принцип действия полутеневого поляриметра?

5.7. Объясните вращение плоскости поляризации света по теории Френеля.

5.8. В чем состоит эффект Фарадея и как можно объяснить его возникновение?

 

 

ЛИТЕРАТУРА

6.1. Зисман А.Г. Тодес О.М. Курс общей физики, т.3, с.109.

6.2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.2, с.428-451, 458-461.

6.3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс общей физики, ч.3, с.146 -148.

6.4. Матвеев А.Н. Оптика, с.37-40,с.281-284.

6.5. Бутиков Е.И. Оптика, с.102-116.

 

[1] Анализатор представляет собой поляризатор, который служит для анализа степени поляризации уже поляризованного света.

 

 

ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить явление поляризации света и вращение плоскости поляризации плоско поляризованного света в оптически активных веществах.

1.2. Изучить назначение, устройство и принцип действия полутеневого поляриметра.

1.3. Определить удельное вращение для раствора сахара в воде.

1.4. Измерить концентрацию сахара в растворе.

1.5. Определить постоянную Верде для воды.

 

ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА