помощи рефрактометра

Цель работы: а) изучение законов преломления света; б) ознакомление с устройством и принципом работы рефрактометра; в) определение концентрации раствора соли с помощью рефлектометра.

Приборы и принадлежности: источник света, рефлектометр, набор растворов соли различной концентрации, дистиллированная вода.

Световые лучи, переходя из среды с большим показателем преломления (оптически более плотной) в среду с меньшим показателем преломления (оптически менее плотную), удаляются от перпендикуляра, восстановленного в точке падения луча к границе раздела сред (рис.4-1).

Как бы ни изменялся при этом угол падения i, угол преломления r в этом случае всегда остаются большим угла падения (r>i). При некотором угле падения i=i₀ угол преломления достигает наибольшего значения, т.е. 90˚. Преломленный луч при этом скользит вдоль поверхности, разделяющей среды.

Угол падения i₀, которому соответствует угол преломления r = 90˚, называется предельным углом падения. Все лучи, падающие из среды оптически более плотной под углом, большим предельного угла падения (i>i₀), в среду оптически менее плотную не войдут, т.е. будут полностью отражены (рис. 4-1). Это явление называется полным отражением.

Если же световые лучи переходят из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем (рис.4-2), то угол преломления всегда меньше угла падения (r<i). Угол преломления r₀, соответствующий углу падения i =90˚, называется предельным углом преломления.

Значения предельных углов падения и преломления зависят от относительного показателя преломления граничащих сред. Если луч падает предельным углом падения (рис.4-1), то закон преломления, записанный для этого случая, примет вид:

откуда.

(1)

Для луча (рис.4-2), угол падения которого i = 90˚, закон преломления будет иметь вид:

откуда.

(2)

Сравнивая (1) и (2), имеет sin i₀ = sin r₀. Это означает, что для данных двух сред предельные углы падения и преломления равны. Поэтому говорят просто о предельном угле для двух граничащих сред, величина которого будет тем больше, т.е. угол тем ближе к 90˚, чем меньше различаются показатели преломления сред, тем ближе отношение n₁/n₂ к единице. Если одна из граничащих сред – вакуум или воздух, тогда sin i₀ = sin r₀ = 1/ n, где n – абсолютный показатель преломления второй среды.

Зависимость предельного угла от относительного показателя преломления двух сред использована при устройстве рефрактометра.

Ход лучей в рефлектометре.

Рефлектометр типа РЛ-2 предназначен для определения показателя преломления жидкости в пределах 1,300-1,540, и определения содержания сухих веществ по сахарозе в продуктах пищевой промышленности.

Конструктивно прибор РЛ-2 оформлен следующим образом (рис.4-3): на массивном основании установлена колонка, несущая корпус прибора. К корпусу прибора крепится камера, состоящая из двух призм, заключенных в металлические оправы: верхняя 1 и нижняя 2. Нижняя призма жестко закреплена на корпусе, верхняя же соединена шарнирно с нижней и может поворачиваться относительно последней.

Тонкий слой исследуемого прозрачного раствора помещается между двумя слоями стекла – призмами, показатель преломления которых (n₁= 1,9) больше у раствора (рис. 4-4).

От источника света лучи направляются зеркалом 3 (рис. 4-3) через отверстие в оправе в призму АВС (в приборе РЛ-2 АВС – верхняя призма). Матовой гипотенузной поверхностью АС этой призмы свет рассеивается, поэтому призму АВС называют осветительной. Затем рассеянные световые лучи, пройдя через слой исследуемой жидкости, падают на гипотенузную поверхность А₁С₁ призмы А₁В₁С₁, которую называют анализаторной. При этом углы падения лучей на поверхность А₁С₁ могут принимать значения от 0˚ до 90˚, а углы преломления при переходе в призму А₁В₁С₁ – от 0˚ до r₀, где r₀ – предельный угол преломления сред раствор-стекло, границей раздела которых служит поверхность А₁С₁. Наибольший угол преломления r₀, при этом будут иметь те лучи, угол падения которых на поверхность А₁С₁ будет равен 90˚.

Пройдя сквозь анализаторную призму и преломившись на ее поверхности В₁С₁, световые лучи проходят затем через компенсаторную призму (комп.), зрительную трубу 3 (рис.4-4) и попадают в глаз наблюдателя.

Направления лучей в световом потоке, выходящем из анализаторной призмы А₁В₁С₁, оказываются ограниченными. Наиболее отклоненными вправо окажутся те лучи, угол преломления которых на поверхности А₁С₁ был равен r₀. Так как лучей, угол преломления которых на этой поверхности были бы больше предельного (т.е. r₀) быть не может, то при фокусировании часть поля зрения зрительной трубы, соответствующая этим лучам, окажется затемненной. При этом границу светотени образуют лучи, угол падения которых на поверхность А₁С₁ был равен 90˚ и угол преломления - r₀.

Если изменить концентрацию раствора, то значение предельного угла тоже измениться вследствие изменения относительного показателя преломления системы раствор-стекло. Это приведет к соответствующему смещению границы светотени, можно судить об изменении показателя преломления раствора, а, следовательно, также и о концентрации раствора.

Порядок выполнения работы.

1.Расположить источник света и рефрактометр так, чтобы световые лучи, отразившись от зеркальца, освещали входное окно камеры.

2.Открыв камеру, протереть поверхности призм в камере мягкой чистой тряпочкой, сначала смоченной в воде, затем сухой.

3.Проверить нулевую точку прибора. Для чего пипеткой на поверхность нижней призмы капнуть 1-2 капли дистиллированной воды. Закрыть камеру.

4.Повернуть рукоятку 4 так, чтобы в поле зрения отсчетного окуляра находилась граница светотени. Сфокусировать окуляр на отчетливое видение делений шкалы и визирной линии.

5.Поворачивая рукоятку, установить ее так, чтобы штриховая визирная линия совместилась с границей светотени. При правильной установке нуля прибора граница светотени в этом случае должна быть совмещена с делением 1,333 левой шкалы, соответствующей показателю преломления дистиллированной воды.

6.После проверки нуля, открыв камеру, протереть насухо поверхность призм. Нанести на поверхность нижней призмы 1-2 капли раствора известной концентрации.

7.Перемещать окуляр вдоль шкалы и установить его так, чтобы визирная штриховая линия совместилась с границей светотени.

8.По шкале показателей преломления отсчитать то деление шкалы которое совместится с границей светотени.

9.Аналогично произвести измерения показателей преломления для других растворов известной, а также раствора неизвестной концентрации.

Значения концентраций раствора с в % и соответствующих им показателей преломления п записать в таблицу.

Таблица 4-1.

10.По полученным результатам построить график зависимости показателя преломления раствора от его концентрации, n=f (c).

11.По графику найти концентрацию с_х, исследуемого раствора.

Контрольные вопросы.

1.Сформулируйте законы преломления света.

2.Каков физический смысл абсолютного и относительного показателя преломления?

3.Какова зависимость показателя преломления от электрических и магнитных свойств среды?

4.В чем состоит и при каких условиях наблюдается явление полного (внутреннего) отражения?

5.Что называется предельным углом полного отражения?

6.Какова зависимость предельного угла полного отражения от показателя преломления вещества?

7.Для чего предназначен рефрактометр?

8.Постройте ход лучей в рефрактометре.

9.Объясните, почему положение светотени в рефрактометре зависит от концентрации раствора.

Литература.

В.В Шайдер. ПО света в простых опытах; Наука, 1986 с. 102

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: