лаба 5 рефрактометр, теория

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ показателя преломления жидкости методом рефрактометрии

Рефрактометры нашли широкое применение в медико-биологических исследованиях. Разработаны методики рефрактометрического определения содержания белка в сыворотке крови, основанные на зависимости показателя преломления раствора от концентрации растворенного вещества.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Изучить рефрактрометрический метод определения показателя преломления жидкости.

2. Исследовать зависимость показателя преломления раствора от его концентрации [ n=f(C)].

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Рефракция. Законы рефракции.

2. Физический смысл показателя преломления.

3. Явление полного внутреннего отражения и его применение в медицине.

4. Условие определения предельного угла полного внутреннего отражения.

5. Рефрактометр. Устройство и принцип работы

ЛИТЕРАТУРА

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл.21, с. 403 - 405.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.10. с. 103 - 106.

4. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 57-62.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

При переходе световой волны из одной среды в другую происходит изменение скорости распространения и длины волны (частота колебаний остается без изменений). Если лучи света падают на границу раздела сред под некоторым углом α, то направление их во второй среде изменяется и равно β.

Угол α, образованный лучом падающим и перпендикуляром, восстановленным в точке падения к поверхности раздела сред, называется углом падения луча (рис. 1). Угол β, образованный лучом преломления и перпендикуляром в точке падения, называется углом преломления (рис. 1).

Рис. 1

Явление преломления светового луча на границе раздела двух сред, называется рефракцией.

Взаимное геометрическое расположение лучей падающего и преломленного определяется законами преломления:

1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к границе раздела в точке падения.

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных 2-х сред, равная отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой среды.

где n_1,2 –относительный показатель преломления

где v–скорость света в среде.

Если свет переходит из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления, то при максимальном угле падения α = 90⁰ свет во второй среде будет распространяться только в пределах угла β_пр, который называется предельным углом преломления (рис.2).

Рис. 2

Явление, при котором луч идет из среды более плотной в менее плотную под углом больше предельного, называется полным внутренним отражением. Предельным углом полного внутреннего отражения называется такой угол падения, которому соответствует угол преломления, равный 90° (рис.3).

Рис. 3

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

Основной частью рефрактометра являются две прямоугольные призмы, сделанные из одного и того же сорта стекла. Призмы соприкасаются гипотенузными гранями.

Между призмами помещают каплю жидкости, показатель преломления которой требуется определить.

Луч света от источника направляется на матовую грань призмы, где свет рассеивается и из призмы (оптически более плотной среды) выходит под различными углами в жидкость (оптически менее плотную среду). Лучи, падающие на жидкость под углом больше предельного, испытывают полное отражение и выходят через вторую боковую грань призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, окажется разделенным на светлую и темную части.

Положение границы раздела определяется предельным углом полного отражения.

Устройство рефрактометра УРЛ.

Конструктивно прибор состоит из двух основных частей: верхней – корпуса, нижней – основания.

К корпусу прибора крепятся камеры: верхняя и нижняя. Нижняя камера, заключающая в себе измерительную призму, жестко закреплена на корпусе. Верхняя же камера, заключающая в себе осветительную призму , соединена с нижней и может поворачиваться относительно ее. Нижняя и верхняя части камеры имеют окна. На штуцере нижней камеры подвижно укреплен осветитель, свет от которого может быть направлен в одно из окон камер.

На оси прибора укреплены:

- рукоятка с окуляром и настроечным механизмом, облегчающим совмещение границы светотени с перекрестием сетки;

- лимб дисперсии для устранения окрашенности границы светотени, наблюдаемой в окуляр;

- механизм наведения, находящийся внутри корпуса, который вместе с рукояткой может поворачиваться на оси вдоль шкалы.

На передней стенке основания расположен выключатель для включения осветителя.

На боковой стенке расположен шнур с вилкой для подводки питания от сети.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Какой угол называется углом падения?

2. Какой угол называется углом преломления?

3. Сформулируйте закон преломления.

4. Что называется относительным (абсолютным) показателем преломления?

5. Какая характеристика световой волны не изменяется при переходеволны 6. из одной среды в другую?

7. Что является причиной изменения направления распространения световой волны при переходе из одной среды в другую?

8. В чем заключается явление полного внутреннего отражения? При каких условиях оно наблюдается

9. Дайте понятие предельного угла полного внутреннего отражения.

10. Из чего состоит оптическая система действия рефрактометра?

11.Что такое волоконная оптика. Применение волоконной оптики в медицине?

12. С какой целью используется рефрактометр в медицине?

ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Рефрактометр, стеклянная палочка с оплавленным концом, водные растворы сахара, водные растворы NaCI известных концентраций, раствор NaCI неизвестной концентрации, дистиллированная вода.

Схема работы:

Последовательность действий	Способ выполнения задания
1. Проверка установки нуль-пункта рефрактометра.	Проверку и установку на нуль – пункта необходимо проводить по дистиллированной воде и при температуре 20 ±0,1^о С. 1.Откройте верхнюю камеру и промойте дистиллированной водой поверхности измерительной и осветительной призм и насухо протрите тканью. 2. Оплавленным концом стеклянной палочки нанести на плоскость измерительной призмы одну-две капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю камеру. 3.Смещая осветитель, луч света направьте в окно верхней камеры. 4. Перемещая рукоятку с окуляром вдоль шкалы вверх и вниз, ввести в поле зрения границу светотени. 5. Установите вращением гайки окуляра по глазу наблюдателя резкость границы светотени, штрихов шкалы и перекрестия сетки. 6.Устраните окрашенность границы светотени вращением рукоятки дисперсионного компенсатора. 7. Поворотом рычага осветителя и вращением осветителя на оси, получите максимально контрастную границу светотени. 8. Границу светотени, перемещая рукоятку, подведите к центру перекрестия сетки. Если при совмещении с центром перекрестия сетки она прошла через отметку шкалы nж=1,33299 и 0% шкалы сухих веществ, нуль-пункт установлен правильно. 9. Установку нуль-пункта проверьте два-три раза путем смещения рукоятки границы светотени и повторной подводкой ее к перекрестию сетки.
2. Измерение показателя преломления и концентрации водных растворов сахара.	1. На нижнюю призму поочередно нанесите растворы сахара различной концентрации. 2. Совместите визир с границей свет-тень и определите по левой шкале показатели преломления исследуемых растворов (nж). Для каждого раствора измерение показателя преломления проведите три раза. Найдите среднее значение nср. Одновременно с определением nж по правой шкале определите концентрацию (С) сахара в растворах. Результаты занесите в таблицу 1. Таблица 1
	Растворы различной концентрации	Раствор №1	Раствор №2	Раствор №3
	Водные растворы сахара	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =
	Концентрация сахара, определенная по прибору.	С1 = С2 = С3 = Сср =	С1 = С2 = С3 = Сср =	С1 = С2 = С3 = Сср =
3. Исследование зависимости показателя преломления раствора от его концентрации.	1. Определите аналогичным способом показатели преломления трех водных растворов NaCI известных концентраций (5%, 10%, 15%) и одного с неизвестной концентрацией. 2. Для каждого раствора измерения показателя преломления проведите три раза. Найдите среднее значение nср. Результаты измерений занесите в таблицу 2. 3. Постройте график зависимости n =f(C) и по нему определите концентрацию NaCI исследуемого раствора Сх и внесите результат в таблицу 2 . 2. Проанализируйте полученные результаты и сформулируйте выводы. Таблица2
	5% раствор NaCI	10% раствор NaCI	15% раствор NaCI	Раствор NaCI неизвестной концентрации
	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =	n1 = n2 = n3 = nср =
					Сх=
Примечание. После проведения измерений необходимо открыть верхнюю камеру, промыть, досуха вытереть плоскости верхней и нижней камер и плавно опустить верхнюю камеру прибора. Прибор выключить.