 |
Порядок выполнения работы.
|
|
|
|
1. Включить блок питания 7 осветителя в сеть 220 В.
2. Расположить осветитель 1, поляризатор 2, диафрагму 3 на оптической скамье так, чтобы их центры находились на одной прямой (световое пятно должно находиться в пределах диафрагмы).
3. Затем необходимо совместить плоскости колебания поляризованного луча с плоскостью падения, т.е. ориентировать ее горизонтально.
3.1. Для этого вращением гониометрического столика 4 блик, отраженный от передней грани призмы 5, направить на диафрагму 3 и отсчитать показание гониометра a0, которое будет служить нулевым отсчетом.
3.2. Далее необходимо повернуть гониометрический столик на угол ~50° (относительно a0) и наблюдать на экране 6 блик, отраженный от передней грани призмы.
3.3. Вращая кольцо поляризатора 2, добиться наибольшего погашения отраженного луча на экране. Освещенность будет наименьшей, если плоскость поляризатора будет совпадать с плоскостью падения, т.е. расположена горизонтально.
4. Поворачивая гониометрический столик 4, добиться полного погашения отраженного луча на экране. Зарегистрировать угол поворота a.
5. Вычислить угол Брюстера aБр по формуле 
и определить показатель преломления вещества призмы n по формуле 
. Полученные результаты занести в табл. 2.
Таблица 2
| № п/п | a0, град | a, град | aБр, град | n | 
|
6. Повторить измерения n согласно пунктам 3-6 три раза. Произвести оценку ошибок полученных результатов по следующей схеме:
6.1. Вычислить среднее арифметическое значение n:
6.2. Найти остаточные ошибки отдельных измерений:
6.3. Вычислить среднюю квадратичную ошибку среднего значения:
6.4. При заданной доверительной вероятности d = 0,95 по таблице Стьюдента найти коэффициент Стьюдента для трех измерений, td.
|
|
|
6.5. Оценить границы доверительного интервала результата измерений:
6.6. Вычислить относительную погрешность результата измерений:
6.7. Окончательный результат записать в виде
при d = 0,95.
6.8. Сравнить полученное значение с табличным nТ =
Контрольные вопросы.
5. Что называется естественным и поляризованным светом?
6. Способы получения поляризованного света.
7. Каков характер поляризации отраженного и преломленного лучей, возникающих при падении естественного света на поверхность диэлектрика?
8. Какие колебания вектора Е относительно плоскости падения преобладают в а) отраженном, б) преломленном лучах?
9. При каком угле падения естественного света на поверхность диэлектрика отраженный луч полностью поляризован?
10. Чему равна интенсивность отраженного и преломленного лучей, если падающий под углом Брюстера свет имеет колебания вектора Е а) в плоскости падения, б) перпендикулярно плоскости падения?
Лабораторная работа 3082
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРНОГО РАСТВОРА
УНИВЕРСАЛЬНЫМ САХАРИМЕТРОМ СУ-2
Цель работы – изучить метод измерения концентрации раствора сахара по углу поворота плоскости поляризации света.
Формула (7) из раздела 4 лежит в основе весьма точного метода определения концентрации растворов оптически активных веществ, например, сахара. Этот метод широко используется в пищевой промышленности, в частности, в сахароварении и виноделии.
Приборы, предназначенные для определения угла поворота плоскости поляризации, называются поляриметрами. Поляриметры, используемые для определения концентрации сахара в растворе, называются сахариметрами.
Принцип действия поляриметра можно объяснить с помощью рис. 17.
Два скрещенных поляризатора П и А не пропускают света. Если между ними поместить трубку с раствором сахара, то плоскость поляризации луча, вышедшего из поляризатора П, после прохождения через раствор, повернется на некоторый угол j. В результате интенсивность света на выходе анализатора А будет отлична от нуля. Поворачивая анализатор на угол j в направлении, обратном повороту плоскости поляризации, можно вновь добиться нулевой интенсивности света на выходе анализатора. Тогда измерив угол поворота анализатора j, и зная удельное вращение [ а ], по формуле (7) можно определить, в принципе, концентрацию c раствора.
|
|
|
В сахариметре СУ-2 поворот плоскости поляризации луча оптически активным раствором компенсируют не анализатором, а с помощью специального кварцевого компенсатора, расположенного перед анализатором.
 |
Основными частями сахариметра СУ-2 (рис. 18) являются узел измерительной головки 1 и осветительный узел 2, соединенные между собой траверсой 3, на которой укреплена камера 4 для поляриметрических трубок 5. С лицевой стороны измерительной головки прибора имеются лупа в оправе 6 для отсчета показаний по шкале и зрительная труба 7 поля зрения. С тыльной стороны измерительной головки находится узел нониуса 8. Рукоятка 9 кремальерной (винтовой) передачи служит для перемещения подвижного кварцевого клина и связанной с ним шкалы. Осветительный узел имеет передвигающуюся рамку, в которой находится стеклянный светофильтр, матовое стекло и патрон с лампочкой. Лампочка подключается через понижающий трансформатор 10 в сеть переменного тока 220 В.
 |
Оптическая схема сахариметра СУ-2 приведена на рис. 19. Свет от осветительной лампы 1 проходит через матовое стекло 3 предназначенное для рассеивания света. Вместо матового стекла может быть введен светофильтр 2. Далее световой поток проходит через конденсорную линзу 4 и попадает на поляризатор 5. За поляризатором 5 установлена бикварцевая пластинка 6, формирующая поле зрения прибора. Далее располагается поляриметрическая трубка 7 с исследуемым раствором. Затем следует блок кварцевых клиньев 8, образующих кварцевый компенсатор. Поворот плоскости поляризации контролируется анализатором 9. Зрительная труба 10 сфокусирована на выходную грань поляризатора 5. При помощи зрительной трубы можно рассмотреть линию раздела поля зрения прибора, создаваемого бикварцем 6.
|
|
|
Свет от осветительной лампы 1 используется также для освещения шкалы 11 и нониуса 12. Для отсчета показаний шкалы используется лупа 13.
Подвижный кварцевый клин 8 служит для компенсации поворота плоскости поляризации луча оптически активным раствором. Перемещение клина осуществляется вращением рукоятки кремальерной (винтовой) передачи. При этом одновременно вращается шкала 11 с нониусом 12, фиксирующая перемещение кварцевого клина. Шкала градуирована в угловых градусах, определяющих поворот плоскости поляризации исследуемым раствором.
Бикварц 6 состоит из двух пластинок право- и левовращающего кварца, вырезанных перпендикулярно оптической оси и склеенных между собой по линии раздела поля зрения. Плоскость поляризации света, вышедшего из поляризатора, поворачивается одной частью бикварца влево, другой частью - вправо на такой же угол. Если поляризатор и анализатор параллельны (или скрещены), а компенсатор 8 установлен на нуль, то в отсутствие оптически активного вещества обе половины поля зрения будут освещены (затемнены) одинаково. Если в камеру прибора поместить оптически активный раствор, то плоскости поляризации обоих лучей повернутся в одну сторону на одинаковый угол j. Симметрия расположения плоскостей поляризации по отношению к анализатору нарушится, и обе половины поля зрения будут освещены по-разному. Для восстановления симметрии обе плоскости поляризации поворачивают с помощью компенсатора в обратную сторону на такой же угол j, вводя кварцевый клин 8,. Поворот плоскости поляризации на угол j компенсатором фиксируется по восстановлению одинаковой освещенности обеих половин поля зрения. Значение угла отсчитывается по шкале 11.
Отсчет показаний прибора. Перед началом работы прибор необходимо установить на нуль. Вращая рукоятку кремальерной (винтовой) передачи добиваются полной однородности освещения обеих половин поля зрения (рис. 20б). Нулевые деления шкалы и нониуса при этом должны совпадать (рис. 21).
|
|
|
При помещении поляриметрической трубки с исследуемым раствором однородность освещенности половин поля зрения нарушается (рис. 20а). Повторив те же операции, добиваются однородности поля зрения и производят отсчет показаний прибора.
 |
Отсчет следует производить с точностью до 0,1 доли градуса по двум шкалам. Целые значения отсчитываются по нижней основной шкале, одно деление шкалы соответствует 1 градусу. Отсчет в градусах равен количеству полных делений на основной шкале, отсекаемых нулевой отметкой нониуса. Десятые доли градуса отсчитываются по верхней шкале нониуса. Для этого определяют, какое деление нониуса, одно из десяти, совпадает с каким-либо делением основной шкалы. Это деление нониуса и определяет число десятых долей градуса. Причем, если нуль нониуса находится правее нуля основной шкалы - отсчет имеет знак “+”, если левее, то знак “-”. На рис. 22 показано наложение шкалы и нониуса, соответствующее отсчету +11,3°.
Порядок выполнения работы:
1. Включить сахариметр через понижающий трансформатор 10 в сеть с напряжением 220 В.
2. Перемещением муфты зрительной трубы 7 установить окуляр на резкое изображение линии раздела поля зрения.
3. Вращением рукоятки 9 добиться однородного затемнения обеих половин поля зрения.
4. Перемещая лупу 6 добиться четкого изображения шкалы. Нулевые деления шкалы и нониуса при этом могут не совпадать, как приведено на рис.. В этом случае необходимо снять нулевой отсчет a 0.
5. Поместить в камеру сахариметра трубку с 2% раствором сахара. Однородность освещения половин поля зрения при этом нарушится. Вращением рукоятки 9 вновь добиться однородного освещения обеих половин поля зрения. Снять показание прибора a, которое будет соответствовать углу поворота плоскости поляризации данным раствором.
6. Определить угол поворота плоскости поляризации остальными растворами. Результаты измерений занести в табл. 3.
Таблица 3
| Концентрация раствора с, % | х | ||||
| Показания прибора a |
7. По данным таблицы построить градуировочный график зависимости угла поворота плоскости поляризации a от концентрации с раствора и определить по нему концентрацию x раствора неизвестной концентрации.
Контрольные вопросы
1. Что называется естественным и поляризованным светом?
2. Способы получения поляризованного света.
3. Оптически активные вещества.
4. От чего зависит угол поворота плоскости поляризации света оптически активными веществами?
5. Поляриметры и их применение. Принцип действия универсального сахариметра.
6. В чем заключается метод определения концентрации раствора сахара, используемый в данной работе?
|
|
|
Лабораторная работа 308а
ИЗУЧЕНИЕ ЭФФЕКТА ФАРАДЕЯ
Цель работы - изучить явление вращения плоскости поляризации света при его прохождении через вещество, на которое наложено магнитное поле.
Все вещества по способности вращать плоскость поляризации делятся на оптически активные и неактивные. Вещества, не обладающие естественной способностью вращать плоскость поляризации, приобретают такую способность под влиянием магнитного поля. Это явление, называемое эффектом Фарадея, наблюдается только при распространении света вдоль направления магнитного поля (точнее – вдоль вектора намагниченности).
Угол поворота j плоскости поляризации пропорционален пути l, проходимому светом в веществе и напряженности магнитного поля H:
(9)
Коэффициент V называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением. Постоянная Верде зависит от длины волны l падающего света
, (10)
где А и В – постоянные, зависящие от свойств вещества и температуры.
Направление вращения определяется по отношению к направлению магнитного поля. Вещества, поворачивающие плоскость поляризации вправо относительно направления силовых линий магнитного поля, называются правовращающими или положительными. Соответственно, вещества, поворачивающие плоскость поляризации влево, называются левовращающими или отрицательными. Причем знак угла вращения j не зависит от направления луча. Следовательно, если, отразив луч зеркалом, заставить его пройти через намагниченное вещество еще раз в обратном направлении, то поворот плоскости поляризации удвоится.
Вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит атомов вещества, вследствие чего скорость вторичных электромагнитных волн с различным направлением круговой поляризации становится неодинаковой, в результате плоскость поляризации поворачивается. В данной работе в качестве вещества, поворачивающего плоскость поляризации под воздействием магнитного поля, используется дистиллированная вода.
Описание прибора
 |
Для наблюдения эффекта Фарадея используется поляриметр 1 типа СУ-2, принцип действия и оптическая схема которого описаны в работе 308. Поляриметр включается в сеть 220 В через понижающий трансформатор 7 (рис. 23). В камеру 3 поляриметра помещается поляриметрическая трубка 2 с намотанным на нее соленоидом, заполнена дистиллированной водой. При пропускании тока через соленоид создается продольное магнитное поле, под действием которого происходит вращение плоскости поляризации света, проходящего через дистиллированную воду. Блок питания 4 соленоида включается в сеть 220 В. Сила тока, проходящего через соленоид, регулируется вращением рукоятки 6 и регистрируется амперметром 5.
Порядок выполнения работы
1. Включить трансформатор 7 и блок питания 4 соленоида в сеть 220 В.
2. Перед началом измерений необходимо определить нулевое показание поляриметра j0, следуя указаниям работы 308 на с.
3. Включить тумблер «Сеть» блока питания 4 соленоида.
4. Измерить угол поворота плоскости поляризации j при различных значениях силы тока I соленоида, приведенных в табл. 4. Процедура измерения угла поворота j подробно описана в работе 308, с. Она сводится к выравниванию освещенности поля зрения в зрительной трубе 8 (рис. 23). Измерения при относительно больших токах (2,5 и 3 А) следует произвести быстро, чтобы избежать перегрева соленоида.
5. По окончании измерений довести показание амперметра 5 с помощью рукоятки 6 до нулевого значения. Выключить тумблеры.
6. Для заданных величин силы тока I определить соответствующие значения напряженности H магнитного поля с помощью градуировочного графика, закрепленного на рабочем столе. Данные измерений занести в табл. 4.
Таблица 4
| I, A | 0,5 | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | |
| H, A/м | |||||||
| j, град |
7. Построить график j (H)зависимости угла поворота j плоскости поляризации от напряженности магнитного поля H.
8. С помощью графика определить постоянную Верде V (см. формулу (9)). Длина трубки с раствором l = 0,40 м.
Контрольные вопросы
1. Дать определение естественного и поляризованного света. 2. Способы получения поляризованного света.
2. Эффект Фарадея.
3. Физический смысл постоянной Верде.
4. Принцип действия поляриметра.
5. Объяснить полученные результаты.
Лабораторная работа 309
|
|
|
