Лаба46

Подготовил студент 2 курса 215 группы

Старыгин Никита

Лабораторная работа № 46

Оптическая активность. Поляриметрия.

I. Цели и задачи работы

1. Изучение и проверка экспериментально установленных законов Малюса и Био;

2. Теоретическое и практическое изучение устройства и принципа работы полутеневого поляризатора;

3. Изучение явления вращения плоскости поляризации в оптически активной среде: кристаллическом кварце.

II. Описание экспериментальной установки

Работа выполняется на установке, представленной на рисунке 1:

Рисунок 1

На ней буквами отмечены следующие элементы:

1. S - источник света;

2. L₂ – собирающая линза

3. A – анализатор

4. P – поляризатор

5. ФЭ – фотоэлемент

6. М – мультиметр

7. S₂ – источник питания

8. S₁ – ручка, регулирующая направление источника света

9. L₁ – конденсор

III. Процедура проведения эксперимента

1. Проверка закона Малюса проводится на установке, оптическая схема которой изображена на рисунке 2.

Рисунок 2.

Сам закон Малюса гласит:

I=I₀cos²φ,

значит для его проверки необходимо измерить зависимость интенсивности прошедшего через анализатор света I от угла поворота анализатора φ. Для этого нужно установить лампу (S) так, чтобы луч свет, выходящий из нее, был параллелен оптическому рельсу и проходил через оптическое центры поляризатора (Р) и анализатора (А). Затем нужно добиться максимального значения фототока через мультиметр (М) и измерить значения отсчета анализатора φ₀ и интенсивности тока I₀. После чего, изменяя значения отсчета анализатора φ от 0⁰ до 90⁰ и от 0⁰ до -90⁰, получить значения I и исследовать полученную зависимость.

2. В поляриметре применяется принцип уравнивания яркостей разделенного пополам поля зрения вблизи полного затемнения. Вид поля зрения представлен на рисунке 3.

Рисунок 3.

Если же между анализатором и поляризатором находится какое-то вещество, то равенство яркостей полей сравнения нарушится, уравнивание яркости производится путем вращения анализатора. Схема поляриметра представлена на рисунке 4. Разность двух отсчетов анализатора Δφ=φ₁-φ₀, соответствующих полутеневому равенству яркостей полей сравнения с оптически активными веществами и без них определяется угол поляризации данными веществами. Чтобы определить нулевой отсчет анализатора φ₀ нужно уравнять яркость полей сравнения, путем вращения анализатора. Положение плоскости пропускания AA анализатора соответствует отсчету φ₀ по шкале анализатора.

Рисунок 4.

3. Для определения углов поворота плоскости поляризации для разных сортов кварца нужно поместить левовращающий и правоврающий кварц между поляризатором и анализатором, а в держателе слайдов установить попеременно зеленый, жёлтый и красный светофильтры. Поворачивая анализатор, добиться равенства яркости полей сравнения и измерить отсчеты для каждого светофильтра и кусков кварца.

IV. Процедура обработки экспериментальных данных

1. Нужно вычислить I_ср для каждого угла φ, построить график зависимости f_экс(φ)=I_ср/I_ср0, на этом же графике построить теоретическую кривую f_теор(φ)=cos²φ

2. Определить среднее значение нулевого отсчета φ_ср0

3. Вычислить среднее значения отсчетов анализатора для разных типов кварца и разных светофильтров. Определить углы поворота для левовращающего φ_л и правовращающего φ_п типов кварца. Проверить справедливость формулы φ=αd, для этого сравнить две величины: K_{экс =} и K_{теор =}

V. Основные формулы

I=I₀cos²φ – закон Малюса

I – интенсивность света, мА

φ – угол отсчета анализатора, градусы

φ=[α]d – закон Био

[α] – удельное вращение, град/мм

d – толщина слоя вещества, мм

K_{экс =} и K_{теор =} - безразмерные коэффициенты для проверки верности закона Био.

ΔК_теор – погрешность при определении K_теор.

Для других величин при определении их среднего значения используется общая формула:

X_ср =

А при определении погрешности:

ΔX=ΔX_отс + ΔX_изм

ΔX_отс =

VI. Полученные данные и их обработка

Таблица 1. Значения I, Iср и φ для проверки закона Малюса
φ		I, mA(±0,1mA)		I, mA(±0,1mA)		I, mA(±0,1mA)		Iср, mA	±ΔIср, mA
0<φ<90
	I серия измерений		II серия измерений		III серия измерений		Среднее значение		Погрешность
0	3,8		4,1		4,1		4,0		0,2
10	3,6		4,0		4,0		3,9		0,2
20	3,3		3,6		3,6		3,5		0,2
30	2,8		3,0		3,0		2,9		0,2
40	2,2		2,3		2,3		2,3		0,1
50	1,6		1,6		1,8		1,7		0,2
60	0,9		1,1		1,0		1,0		0,2
70	0,5		0,6		0,5		0,5		0,1
80	0,3		0,2		0,2		0,2		0,1
90	0,2		0,1		0,1		0,1		0,1
-90<φ<0
0		4,1		4,1		4,1		4,1	0,1
-10		3,9		4,0		4,0		4,0	0,1
-20		3,8		3,8		3,8		3,8	0,1
-30		3,3		3,3		3,3		3,3	0,1
-40		2,3		2,6		2,7		2,5	0,2
-50		2,0		1,9		2,0		2,0	0,1
-60		1,3		1,3		1,3		1,3	0,1
-70		0,8		0,7		0,7		0,7	0,1
-80		0,4		0,3		0,3		0,3	0,1
-90		0,2		0,1		0,1		0,1	0,1

На основе таблицы I построим график зависимости f_экс(φ)=I_ср/I_ср0 и на нем же зависимость f_теор(φ)=cos²φ

Таблица II. Нулевой отсчет, φ(±1,0)

15,0

18,0

20,0

22,0

φ_ср0 = (18,6±2,6)⁰ – среднее значение нулевого отсчета

Таблица III. Значения отсчетов поляризатора, анализатора для правовращающего кварца с d=2.4 мм
Светофильтр	Отсчет φ1, градусы(±1)	Анализатор φ, градусы(±1)	φср, градусы
красный	43	47	54±7
	40	50
	35	55
	27	63
желтый	54	36	42±6
	50	40
	48	42
	40	50
зеленый	56	34	34±6
	58	32
	55	35
	53	37

Таблица IV. Значения отсчетов поляризатора, анализатора для левовращающего кварца с d=1.5 мм
Светофильтр	Отсчет φ1, градусы(±1)	Анализатор φ, градусы(±1)	φср, градусы
красный	37	53	51±7
	42	48
	39	51
	40	50
желтый	45	45	36±6
	55	35
	57	33
	60	30
зеленый	65	25	28±5
	60	30
	58	32
	66	24

Проверим справедливость формулы φ=αd, найдя величины K_{экс =} и K_{теор =} :

K_теор = 1.60

Красный:

K_экс = 1,05 ± 0,17

Желтый:

K_экс = 1.17 ± 0,10

Зеленый:

K_экс = 1.21 ± 0,20

VI. Вывод

В ходе лабораторной работы был подтвержден закон Малюса, что видно на графики I. Также был изучен принцип работы поляриметра и определен нулевой отсчет, при определении углов поворота плоскости поляризации кварца из-за неточности проведения измерений получился большой разброс данных и, как следствие, не получилось подтвердить закон Био, экспериментальные и теоретические значения не совпали даже в пределах погрешности.