Порядок выполнения эксперимента

 

Задание 1. Изучение установки для определения подвижности ионов

1. Ознакомьтесь со схемой установки для определения подвижности ионов по рис. 7.

2. Убедитесь, что вольтметр показывает напряжение постоянного тока 100 В.

Задание 2. Определение подвижности ионов

1. Налейте в сосуды 1 и 2 раствор электролита  до одинаковых уровней.

2. Положите на бортики сосудов стеклянную подложку.

3. Смочите раствором электролита  полоску фильтровальной бумаги и положите ее на стеклянную подложку так, чтобы концы полоски были погружены в электролит.

4. Смочите раствором электролита  полоску индикаторной бумаги и положите ее на полоску фильтровальной бумаги.

5. Замкните цепь.

6. Смочите нить раствором электролита .

7. Одновременно положите нить поперек полоски индикаторной бумаги и включите секундомер.

8. Через две минуты цепь разомкните.

9. Измерьте расстояние, на которое переместилась цветовая граница на индикаторной бумаге от нити ().

10. Измерьте расстояние () между электродами.

11. Определите подвижность ионов по формуле (7).

12. Вычислите предельную относительную

                                 (12)

и абсолютную

ошибки измерения.

где предельное значение шкалы вольтметра, класс точности вольтметра.

13. Заполните таблицу 1.

Таблица 1

 

14. Сделайте обобщающий вывод.

 

 

Тема: Геометрическая оптика. Рефрактометрия.

Лабораторная работа 7. Определение показателя преломления и концентрации растворов с помощью рефрактометра

Цель работы: 1.Изучить устройство и принцип действия рефрактометра.

2. Освоить методики определения показателя преломления жидкости и концентрации вещества в растворе с помощью рефрактометра

3. Закрепить навыки лабораторного эксперимента, обработки и анализа результатов.

Оборудование: 1. Рефрактометр.

2. Дистиллированная вода.

3. Растворы исследуемых веществ. различных концентраций.

4. Пипетка, вата.

 

Контрольные вопросы

1. Законы отражения и преломления света.

2. Абсолютный и относительный показатели преломления света.

3. Явления предельного преломления и полного внутреннего отражения.

4. Рефрактометр. Устройство, оптическая схема, назначение основных узлов.

5. Методика определения показателя преломления жидкости с помощью рефрактометра.

6.. Методика определения показателя преломления вещества в растворе с помощью рефрактометра.

7. Использование рефрактометра в медико-биологических исследованиях.

Литература

3. Медицинская и биологическая физика [Электронный ресурс]: учебник / Ремизов А.Н. - 4-е изд., испр. и перераб. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2013.

4.  Ливенцев Н.М. Курс физики: учебник. – 7-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2014,

5. Физика и биофизика. Руководство к практическим занятиям [Электронный ресурс]: учебное пособие / Антонов В.Ф., Черныш А.М., Козлова Е.К., Коржуев А.В. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015.

Теоретические сведения

 

Рефрактометры используют в химических исследованиях, медицине, фармации, пищевой промышленности. В медицине при помощи рефрактометра определяют концентрации белка и его фракций в крови, проводят анализы желудочного сока, мочи и других веществ. Рефрактометры применяются для определения чистоты воды по показателю преломления.

Принцип действия рефрактометра основан на законах оптики. Из опыта известно, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Однако, если луч света попадает на границу раздела двух различных прозрачных сред под некоторым углом , то он частично отражается под углом  (по закону отражения  частично проходит в другую среду, причем изменяет своё направление. Изменение направления луча света при переходе из одной среды в другую, называется преломлением или рефракцией света. Опытным путём установлены следующие законы преломления (рис.25):

Рисунок 25.

 

1. Луч падающий (1), луч преломленный (3) и перпендикуляр (), проведенный к границе раздела двух сред  в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

2. Отношение синусов углов падения и преломления для данных двух сред есть величина постоянная, называемая относительным показателем преломления второй среды по отношению к первой

Относительный показатель преломления не зависит от угла падения, определяется только оптическими свойствами граничных сред, может быть как больше, так и меньше единицы.

Показатель преломления вещества по отношению к вакууму называют абсолютным показателем преломления данного вещества.

Обычно оптические свойства вещества характеризуются показателем преломления  относительно воздуха, который мало отличается от абсолютного показателя вакуума (). Среда, у которой абсолютный показатель больше, чем у другой среды, называется оптически более плотной.

Показатель преломления зависит от длины волны света. Его обычно относят к монохроматическому желтому излучению паров натрия (длина волны 589 нм).

Исходя из волновой природы света и учитывая принцип Гюйгенса, можно установить, что

,

где  абсолютный показатель преломления первой среды;

 абсолютный показатель преломления второй среды;

 скорость света в первой среде;

 скорость света во второй среде.

Из формулы (2) следует физический смысл относительного показателя преломления: относительный показатель преломления  показывает, во сколько раз скорость света во второй среде меньше, чем в первой.

Тогда абсолютный показатель преломления можно определить как

,                                                      (3)

где  скорость света в вакууме;  скорость света в среде.

В основе работы рефрактометра лежат явления предельного преломления и полного внутреннего отражения. Энергия, которую несёт падающий луч, распределяется между отражённым и преломленным лучами. При распространении света из среды оптически менее плотной (  величина отражённой энергии возрастает с увеличением угла падения , а величина световой энергии преломленного луча уменьшается. В этом случае угол преломления  меньше угла падения .

Рисунок 26.

 

Следовательно, при увеличении угла падения лучей (лучи 1,2) до  (луч 3) свет во второй среде будет распространяться только в пределах угла , называемого предельным углом преломления.

Величина предельного угла , учитывая формулы (1) и (2), определяется из условия:

следовательно,

Пространство внутри этого угла () будет освещенным, а вне его – темным. Это явление используют в рефрактометрах.

Если свет распространяется из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную (), то доля отражённой световой энергии также возрастает с увеличением угла падения. Однако, начиная с некоторого угла падения , вся световая энергия луча отражается от границы раздела, и свет не проходит из оптически более плотной среды () в оптически менее плотную среду (). Это явление носит название полного внутреннего отражения (рис. 3).

Рисунок 27.

 

В этом случае угол преломления  больше угла падения . Следовательно, свет преломляется (переходит в другую среду) в пределах угла , соответствующего углу преломления  (луч 2). Свет, падающий под большим углом, полностью отражается от границы раздела сред (луч3). Угол называется предельным углом полного отражения. Величина этого угла определяется, учитывая формулы (1) и (2), из условия

следовательно,

Нетрудно доказать, что вследствие обратимости хода лучей для двух данных сред предельный угол преломления равен предельному углу полного отражения.

Если среда с показателем преломления  (рис. 3) является воздухом, для которого , то формула примет вид

Предельные углы полного внутреннего отражения на границе с воздухом: для воды 49⁰, для стекла 34⁰ 40⁰, алмаза 24⁰.

Явление полного внутреннего отражения используется при устройстве поворотных призм (рис.28), применяемых в оптических приборах для

	поворота на 90° лучей, образующих изображение, или для получения обратного (перевернутого) изображения. Во всех этих случаях лучи падают на грань призмы под углом большем предельного. Полное
Рисунок 28

внутреннее отражение используется при устройстве гибких световодов (рис. 29), в которых свет, претерпевая многократное внутреннее отражение от стенок световода, распространяется вдоль криволинейной траектории. В настоящее время

	этот принцип используется при устройстве приборов с волоконной оптикой. В них гибкий световод состоит из пучка тонких стеклянных нитей, каждая из которых покрыта оболочкой вещества с меньшим показателем преломления. Такой световод может переносить свет от источника. или, например, изображение предмета на значительное расстояние.
Рисунок 29.

В медицине волоконная оптика используется в волоконных эндоскопах (приборы для осмотра полостей внутренних органов)

Явления предельного преломления и полного внутреннего отражения положены в основу конструкции приборов - рефрактометров, при помощи которых определяют показатели преломления жидкостей. Так как показатели преломления растворов зависят от концентрации веществ в растворах, то измеряя показатель преломления растворов, можно определить концентрацию данного вещества в исследуемом растворе. Для этого используют метод градуировочной кривой зависимости показателя преломления раствора от концентрации растворённого вещества в исследуемом растворе, . Для определения относительного

показателя преломления жидкостей используется рефрактометр.

Внешний вид рефрактометров РПЛ-3 и ИРФ-22 и оптическая схема изображены на рисунках 6, 7, 8, соответственно.