Граничні кути заломлення і повного відображення

При переході світла з середовища з меншим показником заломлення (оптично менш щільне середовище) в середу з великим показником заломлення (оптично більш щільне середовище) кут падіння променя більше кута заломлення (рис. 2, а). Якщо промінь падає на межу поділу середовищ найбільшим можливим кутом i = p / 2 (промінь ковзає вздовж кордону розділу середовищ), то він буде переломлюватися під кутом Rпр

Якщо світло переходить з оптично більш щільного середовища в оптично менш щільну, то кут заломлення більше кута падіння (рис. 2, б).

При деякому куті падіння i променя кут заломлення дорівнює p / 2. тобто переломлений промінь ковзає вздовж кордону розділу середовищ. При подальшому збільшенні кута падіння заломлення не відбувається, весь падаюче світло відбивається від кордону розділу середовищ (повне відображення). Кут i називається граничним кутом повного відображення і позначається iпр. Так як

Таким чином, граничний кут заломлення і граничний кут повного відображення для даних середовищ залежать від їх показників заломлення. Це знайшло застосування в приладах для вимірювання показника заломлення речовин - рефрактометр. використовуваних при визначенні чистоти води, концентрації загального білка сироватки крові, для ідентифікації різних речовин т. д.

Пристрій і принцип дії рефрактометра

В основу конструкції приладу покладено метод визначення показника заломлення досліджуваного розчину по граничному куту заломлення або граничному куту повного внутрішнього відображення. Визначення показника заломлення можна виробляти в поточному (безбарвні і слабоокрашенниє рідини) або у відбитому світлі (темні і сільноокрашенние рідини)

Основною частиною рефрактометра є прямокутні призми 1 і 2, зроблені з одного і того ж сорту скла (рис.3, а). Призми стикаються гипотенузной межі, між якими є зазор близько 0,1 мм. Між призмами поміщають краплю рідини, показник заломлення якої потрібно визначити. Промінь світла від джерела 3 направляється на бічну грань верхній призми і, поламав, потрапляє на гипотенузной межі АВ. Поверхня АВ матова, тому світло розсіюється і, пройшовши через досліджувану рідину, падає на грань СD нижньої призми під різними кутами від 0 до 90 °. Якщо показник заломлення рідини менше показника заломлення скла, то промені світла входять в призму 2 в межах від 0 до Rпр. Простір усередині цього кута буде освітленим, а поза ним - темним. Таким чином, поле зору, видиме в зорову трубу, розділене на дві частини: темну і світлу.

Положення кордону розділу світла і тіні визначається граничним кутом заломлення досліджуваної рідини.

Якщо досліджувана рідина має великий показник поглинання (каламутна, забарвлена ​​рідина), то щоб уникнути втрат енергії при проходження світла через рідину вимірювання проводять у відбитому світлі. Хід променів в рефрактометрі в цьому випадку показаний на рис.3, б. Промінь світла від джерела проходить через матову бічну грань СМ нижньої призми 2. При цьому світло розсіюється і падає на гипотенузной межі СD, стикається з досліджуваної рідиною, під різними кутами від 0 до 90 °. Якщо рідина оптично менш щільна, ніж скло, з якого виготовлена ​​призма, то промені, які падають під кутами великими iпр. будуть відчувати повне відображення і виходити через другу бічну грань нижньої призми в зорову трубу. Поле зору, видиме в зорову трубу, так само як і в першому випадку, виявиться розділеним на світлу і темну частини. Положення кордону розділу в даному випадку визначається граничним кутом повного відображення, також залежать від показника заломлення досліджуваної рідини.

За допомогою цього приладу можна досліджувати речовини, показник заломлення яких менше показника заломлення скла вимірювальних призм. Оптична система рефрактометра зображена на рис.4.

У рефрактометрі використовується джерело 3 білого світла. Внаслідок дисперсії при проходженні світлом призм 1 і 2 межа світла і тіні виявляється пофарбованої. Щоб уникнути цього перед об'єктивом зорової труби поміщають компенсатор 4. Він складається з двох однакових призм, кожна з яких склеєна з трьох призм, що володіють різним показником заломлення. Призми підбирають так, щоб монохроматический промінь з довжиною хвилі l = 589,3 мкм (довжина хвилі жовтої лінії натрію) не відчував після проходження компенсатора відхилення. Промені з іншими довжинами хвиль відхиляються призмами в різних напрямках. Переміщаючи призми компенсатора за допомогою спеціальної рукоятки, домагаються того, щоб кордон світла і темряви стала максимально різкої.

Промені світла, пройшовши компенсатор, потрапляють в об'єктив 6 зорової труби. Зображення кордону розділу світло - тінь розглядається в окуляр 7 зорової труби. Одночасно в окуляр розглядається шкала 8. Так як граничний кут заломлення і граничний кут повного відображення залежать від показника заломлення рідини, то на шкалі рефрактометра відразу нанесені значення цього показника заломлення.

Оптична система рефрактометра містить також поворотну призму 5. Вона дозволяє розташувати вісь зорової труби перпендикулярно призмам 1 і 2, що робить спостереження більш зручним.

У загальній фокальній площині об'єктива і окуляра зорової труби поміщають скляну пластинку, на яку нанесена візирна лінія (або хрест, утворений тонкими нитками). Переміщенням зорової труби домагаються збігу візирної лінії з кордоном світло-тінь і за шкалою визначають показник заломлення досліджуваної рідини. У деяких сучасних рефрактометрі зорова труба зміцнюється нерухомо, а система вимірювальних призм може повертатися.

Конструкція приладу (рис.5) має корпус16, колонку 15 і підстава 14. До корпусу приладу кріпляться камери зверху 3 і нижня 19. Нижня камера з вимірювальної призмою жорстко закріплена на корпусі, верхня ж камера з освітлювальної призмою з'єднана шарніром 2 з нижньою камерою і може переміщатися щодо нижньої.

У нижній камері перебувають вікна, які закриваються пробкою 9 і ширмою 12 (на правій частині рис.5 показані камери рефрактометра з тильного боку).

Наніжней камері рухомо укріплений освітлювач 1, світло від якого можна направити в одне з вікон камери. Освітлювач встановлюють таким чином, щоб світло було направлено в вікно верхньої камери при роботі в світлі або в вікно нижньої камери при роботі в відбитому світлі.

Для контролю температури служить термометр, укріплений на штуцері 8 верхньої камери. На передній кришці корпусу приладу розміщені шкали 5 і рукоятка 6 з окуляром 7. На осі рукоятки 6 знаходиться шкала 17 з гвинтом 18 для повороту призми прямого зору. Гвинт фіксує шкалу в установленому положенні (коли усунутий спектр на кордоні світлотіні). На корпусі приладу знаходиться пробка 4, яка закриває отвір, призначене для введення ключа і установки нуль-пункту. В розетки живлення має бути 13 розміщений понижуючий трансформатор. Гвинт, що знаходиться на корпусі приладу з боку камери, служить для регулювання плавності ходу рукоятки 6 уздовж шкали. До приладу надається світлофільтр 11.

Хід виконання роботи:

Вправа 1. Підготовка приладу до роботи

а) розташуйте джерело світла так, щоб спостереження проводилися в світлі;

б) відкиньте верхню призму рефрактометра і промийте, потім насухо протріть серветкою площині призм і піпеткою нанесіть на нижню призму 2-3 краплі дистильованої води. Опустіть верхню призму;

в) фокусуючи окуляр, отримаєте різкі зображення поля зору, візира та шкали;

г) переміщує зорову трубу, отримаєте в поле зору кордон світло-тінь. Лінія поділу повинна бути різкою і без кольорового забарвлення. Останнє досягається поворотом рукоятки компенсатора;

д) поєднати візир з межею поділу світло-тінь. При правильному налаштуванні рефрактометра показання шкали при цьому має відповідати показнику заломлення води n = 1,333 при 20 ° С;

Упражненіе2.Ісследованіе залежності показника заломлення розчину NaCl від концентрації

а) виміряйте показники заломлення n розчину NaCl різної концентрації С. Для цього на нижню призму нанесіть по черзі розчини різної концентрації і, поєднуючи візир з межею поділу світло-тінь, визначте за шкалою показники заломлення розчинів. Для кожного розчину вимір показника заломлення робите три рази і знайдіть середнє значення ;

б) результати вимірювань занесіть в табл. №2.

в) побудуйте графік залежності показника заломлення від концентрації = F (C);

г) виміряйте показник заломлення nx розчину невідомої концентрації. Визначте за графіком концентрацію Сx цього розчину;

д) знайдіть за графіком похибка DСx вимірювання концентрації розчину;

За результатами виконаної роботи записати висновок:

Лабораторна робота № 5

ТЕМА: Поляризація світла. Вимірювання кута обертання площини

поляризації світла розчинами оптично активних речовин за допомогою поляриметра

Значення теми в системі знань лікаря: Закон поляризації світла лежить в основі роботи поляриметра. Цей прилад використовується в медико-біологічних дослідженнях для визначення концентрації різних речовин в біологічних рідинах (плазма крові, сеча), що має важливе практичне значення.

Мета роботи: вивчення принципу роботи поляриметра, визначення питомої обертання розчинів цукру, визначення концентрації цукру в розчині.

Прилади й приналежності: поляриметр, розчини сахарози різної концентрації.

Студент повинен знати:

· Рівняння електромагнітної хвилі.

· Поняття природного і поляризованого світла.

· Явище обертання площини поляризації оптично активними речовинами.

· Пристрій і принцип дії поляриметра.

· Застосування поляриметра в медицині.

Студент повинен вміти:

Визначати нульовий відлік без трубки для розчинів і знаходити абсолютну похибка вимірювання.

Визначати по поляриметрії кут обертання площини поляризації світла.

· Будувати градуйований графік і за графіком визначати невідому концентрацію розчину сахарози.