Предельные углы преломления и полного отражения.

При переходе света из среды с меньшим показателем преломления (оптически менее плотная среда) в среду с большим показателем преломления (оптически более плотная среда) угол падения луча больше угла преломления (рис. 2, а). Если луч падает на границу раздела сред наибольшим возможным углом i=p/2 (луч скользит вдоль границы раздела сред), то он будет преломляться под углом r_пр<p/2. Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления. Из закона преломления света следует:

откуда

sinr_пр=n₁ / n₂.

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения (рис. 2, б).

При некотором угле падения i луча угол преломления равен p/2, т.е. преломленный луч скользит вдоль границы раздела сред. При дальнейшем увеличении угла падения преломление не происходит, весь падающий свет отражается от границы раздела сред (полное отражение). Угол i называется предельным углом полного отражения и обозначается i_пр. Так как

то

sini_пр=n₂ / n₁.

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для данных сред зависят от их показателей преломления. Это нашло применение в приборах для измерения показателя преломления веществ – рефрактометрах, используемых при определении чистоты воды, концентрации общего белка сыворотки крови, для идентификации различных веществ т. д.

Устройство и принцип действия рефрактометра

В основу конструкции прибора положен метод определения показателя преломления исследуемого раствора по предельному углу преломления или предельному углу полного внутреннего отражения. Определение показателя преломления можно производить в проходящем (бесцветные и слабоокрашенные жидкости) или в отражённом свете (тёмные и сильноокрашенные жидкости)

Основной частью рефрактометра являются прямоугольные призмы 1 и 2, сделанные из одного и того же сорта стекла (рис.3, а). Призмы соприкасаются гипотенузными гранями, между которыми имеется зазор около 0,1 мм. Между призмами помещают каплю жидкости, показатель преломления которой требуется определить. Луч света от источника 3 направляется на боковую грань верхней призмы и, преломившись, попадает на гипотенузную грань АВ. Поверхность АВ матовая, поэтому свет рассеивается и, пройдя через исследуемую жидкость, падает на грань СD нижней призмы под различными углами от 0 до 90°. Если показатель преломления жидкости меньше показателя преломления стекла, то лучи света входят в призму 2 в пределах от 0 до r_пр. Пространство внутри этого угла будет освещенным, а вне его – темным. Таким образом, поле зрения, видимое в зрительную трубу, разделено на две части: темную и светлую.

Положение границы раздела света и тени определяется предельным углом преломления исследуемой жидкости.

Если исследуемая жидкость имеет большой показатель поглощения (мутная, окрашенная жидкость), то во избежание потерь энергии при прохождение света через жидкость измерения проводят в отраженном свете. Ход лучей в рефрактометре в этом случае показан на рис.3, б. Луч света от источника проходит через матовую боковую грань СМ нижней призмы 2. При этом свет рассеивается и падает на гипотенузную грань СD, соприкасающуюся с исследуемой жидкостью, под всевозможными углами от 0 до 90°. Если жидкость оптически менее плотная, чем стекло, из которого изготовлена призма, то лучи, падающие под углами большими i_пр, будут испытывать полное отражение и выходить через вторую боковую грань нижней призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, так же как и в первом случае, окажется разделенным на светлую и темную части. Положение границы раздела в данном случае определяется предельным углом полного отражения, также зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

С помощью этого прибора можно исследовать вещества, показатель преломления которых меньше показателя преломления стекла измерительных призм. Оптическая система рефрактометра изображена на рис.4.

В рефрактометре используется источник 3 белого света. Вследствие дисперсии при прохождении светом призм 1 и 2 граница света и тени оказывается окрашенной. Во избежание этого перед объективом зрительной трубы помещают компенсатор 4. Он состоит из двух одинаковых призм, каждая из которых склеена из трех призм, обладающих различным показателем преломления. Призмы подбирают так, чтобы монохроматический луч с длинной волны l=589,3 мкм (длина волны желтой линии натрия) не испытывал после прохождения компенсатора отклонения. Лучи с другими длинами волн отклоняются призмами в различных направлениях. Перемещая призмы компенсатора с помощью специальной рукоятки, добиваются того, чтобы граница света и темноты стала возможно более резкой.

Лучи света, пройдя компенсатор, попадают в объектив 6 зрительной трубы. Изображение границы раздела свет – тень рассматривается в окуляр 7 зрительной трубы. Одновременно в окуляр рассматривается шкала 8. Так как предельный угол преломления и предельный угол полного отражения зависят от показателя преломления жидкости, то на шкале рефрактометра сразу нанесены значения этого показателя преломления.

Оптическая система рефрактометра содержит также поворотную призму 5. Она позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно призмам 1 и 2, что делает наблюдение более удобным.

В общей фокальной плоскости объектива и окуляра зрительной трубы помещают стеклянную пластинку, на которую нанесена визирная линия (или крест, образованный тонкими нитями). Перемещением зрительной трубы добиваются совпадения визирной линии с границей свет-тень и по шкале определяют показатель преломления исследуемой жидкости. В некоторых современных рефрактометрах зрительная труба укрепляется неподвижно, а система измерительных призм может поворачиваться.

Конструкция прибора (рис.5) имеет корпус16, колонку 15 и основание 14. К корпусу прибора крепятся камеры верхняя 3 и нижняя 19. Нижняя камера с измерительной призмой жестко закреплена на корпусе, верхняя же камера с осветительной призмой соединена шарниром 2 с нижней камерой и может перемещаться относительно нижней.

В нижней камере находятся окна, которые закрываются пробкой 9 и ширмой 12 (на правой части рис.5 показаны камеры рефрактометра с тыльной стороны).

Нанижней камере подвижно укреплен осветитель 1, свет от которого можно направить в одно из окон камеры. Осветитель устанавливают таким образом, чтобы свет был направлен в окно верхней камеры при работе в проходящем свете или в окно нижней камеры при работе в отраженном свете.

Для контроля температуры служит термометр, укрепленный на штуцере 8 верхней камеры. На передней крышке корпуса прибора размещены шкалы 5 и рукоятка 6 с окуляром 7. На оси рукоятки 6 находится шкала 17 с винтом 18 для поворота призмы прямого зрения. Винт фиксирует шкалу в установленном положении (когда устранен спектр на границе светотени). На корпусе прибора находится пробка 4, которая закрывает отверстие, предназначенное для ввода ключа и установки нуль-пункта. В штепсельной вилке 13 размещен понижающий трансформатор. Винт, находящийся на корпусе прибора со стороны камеры, служит для регулировки плавности хода рукоятки 6 вдоль шкалы. К прибору придается светофильтр 11.

 

Ход выполнения работы:

Упражнение 1. Подготовка прибора к работе

а) расположите источник света так, чтобы наблюдения проводились в проходящем свете;

б) откиньте верхнюю призму рефрактометра и промойте, затем досуха протрите салфеткой плоскости призм и пипеткой нанесите на нижнюю призму 2-3 капли дистиллированной воды. Опустите верхнюю призму;

в) фокусируя окуляр, получите резкие изображения поля зрения, визира и шкалы;

г) перемещая зрительную трубу, получите в поле зрения границу свет-тень. Линия раздела должна быть резкой и без цветной окраски. Последнее достигается поворотом рукоятки компенсатора;

д) совместить визир с границей раздела свет-тень. При правильной настройке рефрактометра показание шкалы при этом должно соответствовать показателю преломления воды n =1,333 при 20°С;

Упражнение2.Исследование зависимости показателя преломления раствора NaCl от концентрации

а) измерьте показатели преломления n раствора NaCl различной концентрации С. Для этого на нижнюю призму нанесите поочередно растворы различной концентрации и, совмещая визир с границей раздела свет-тень, определите по шкале показатели преломления растворов. Для каждого раствора измерение показателя преломления производите три раза и найдите среднее значение <n>;

б) результаты измерений занесите в табл. №2.

Таблица №2

С, %	n1	n2	n3	<n>

 

в) постройте график зависимости показателя преломления от концентрации <n> = f(C);

г) измерьте показатель преломления n_x раствора неизвестной концентрации. Определите по графику концентрацию С_x этого раствора;

д) найдите по графику погрешность DС_x измерения концентрации раствора;

 

По результатам выполненной работы записать вывод:

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

 

 

 

 

Подпись преподавателя:___________________________________________________

 

 

« »______________201_г.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

 

ТЕМА: Поляризация света. Измерение угла вращения плоскости

поляризации света растворами оптически активных веществ при помощи поляриметра

 

Значение темы в системе знаний врача:Закон поляризации света лежит в основе работы поляриметра. Этот прибор используется в медико-биологических исследованиях для определения концентрации различных веществ в биологических жидкостях (плазма крови, моча), что имеет важное практическое значение.

Цель работы: изучение принципа работы поляриметра, определение удельного вращения растворов сахара, определение концентрации сахара в растворе.

 

Приборы и принадлежности: поляриметр, растворы сахарозы различной концентрации.

 

Студент должен знать:

· Уравнение электромагнитной волны.

· Понятие естественного и поляризованного света.

· Закон Малюса.

· Явление вращения плоскости поляризации оптически активными веществами.

· Устройство и принцип действия поляриметра.

· Применение поляриметра в медицине.

 

Студент должен уметь:

· Определять нулевой отсчёт без трубки для растворов и находить абсолютную погрешность измерения .

· Определять по поляриметру угол вращения плоскости поляризации света.

· Строить градуировочный график и по графику определять неизвестную концентрацию раствора сахарозы.