методички для заочников / Рефрактометрия_ЭМС_утверж

В.Т.Казуб, Н.Н. Семёнова, С.В. Воронина

РЕФРАКТОМЕТРИЯ

2

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«Пятигорская государственная фармацевтическая академия»

КАФЕДРА ФИЗИКИ И МАТЕМАТИКИ

В.Т. Казуб, Н.Н. Семёнова, С.В. Воронина

РЕФРАКТОМЕТРИЯ

Методическое пособие к лабораторным занятиям

по физике для студентов очного отделения

Пятигорск 2013

3

УДК 543.452 (078)

ББК 22.3 я 73

К 14

Рецензент: к. ф.-м. н., доцент кафедры информатики и математики ГОУ ВПО Пятигорского филиала Российского государственного торгово-экономического университета Болгова Ю. А.

В.Т. Казуб, Н.Н. Семѐнова, С.В. Воронина. Методическое пособие к лабораторным занятиям по физике для студентов очного отделения/ В.Т. Казуб, Н.Н. Семѐнова, С.В. Воронина. – Пятигорск: Пятигорская ГФА, 2013. – 40 с.

Методическое пособие составлено в соответствии с программой по физике для студентов фармацевтических вузов и содержит теоретический материал по теме «Рефрактометрия», раздел, посвященный практическому использованию этого явления в науке и технике, а также описание некоторых моделей рефрактометров и практические задания к лабораторным работам.

Методическое пособие содержит список рекомендованной литературы.

Рекомендовано к внутривузовскому изданию Председатель ЭМС В.В. Гацан Протокол № _____ от «__» _________2013 г.

УДК 543.452 (078) ББК 22.3 я73

© Пятигорская государственная фармацевтическая академия, 2013

4

РЕФРАКТОМЕТРИЯ

Актуальность. Рефрактометрия широко распространена в самых различ-

ных областях химии, в фармацевтическом, биохимическом анализе, анализе пищевых продуктов и т.д. Основное преимущество рефрактометрического ме-

тода - показатель преломления можно измерить с очень высокой точностью,

небольшой затратой времени, располагая малым количеством вещества.

Основные сведения из теории

Основу геометрической оптики составляют четыре закона оптических яв-

лений:

1.Закон прямолинейного распространения света гласит, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно.

2.Закон независимости световых лучей, заключающийся в том, что при пе-

ресечении световые лучи не возмущают друг друга.

3.Закон отражения света.

4.Закон преломления света.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также пер-

пендикуляр (нормаль) к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отра-

жения β равен углу падения α (рис. 1).

Рис. 1. Отражение светового луча от границы раздела

5

При прохождении света через границу раздела двух прозрачных сред па-

дающий луч разделяется на два – отражѐнный и преломлѐнный, рис. 2.

Рис. 2. Прохождение света через границу раздела двух прозрачных сред.- угол падения, - угол отражения, - угол преломления.

Закон преломления формулируется следующим образом: преломлѐнный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и нормалью, восстановленной в точке падения. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных веществ:

sin n21 , sin

Величина n21 называется относительным показателем преломления второ-

го вещества по отношению к первому. Если через n12 обозначить относитель-

ный показатель преломления первого вещества относительно второго, то легко показать, что

n12 n1 .

21

Отсюда вытекает закон обратимости (или взаимности) световых лучей:

если навстречу лучу, претерпевшему ряд отражений и преломлений, пустить другой луч, то он пойдѐт по тому же пути, что и первый луч, но в обратном порядке.

Показатель преломления вещества по отношению к пустоте называется

абсолютным показателем преломления (или просто показателем преломления)

6

данного вещества. Вещество с большим показателем преломления называется

оптически более плотным.

Относительный показатель преломления двух веществ равен отношению

их абсолютных показателей преломления:

n21 n2 .

n1

Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. И, следовательно, изменения направления распространения света на границе раздела сред. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ1 к скорости их распространения во второй среде υ2 . Тогда, с учетом этого, закон преломления звучит: падаю-

щий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к границе раздела сред, проведенным в точке падения; при чѐм отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скорости света в первой среде к скорости света во второй среде и может быть записан:

	sin		c1		n2	n21
	sin		c2		n1

Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсо-

лютным показателем преломления. Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света в вакууме с (с 3108м/с) к скорости света υ в среде: n=c/υ. Показатель преломления величина безразмерная. Абсолютный показа-

тель преломления вакуума равен 1. В геометрической оптике показатель пре-

ломления воздуха принимают равным единице, а его точное значение n=1,000274 (при нормальном давлении и температуре 20С), для дистиллиро-

ванной воды—1,333.

Средý с меньшим абсолютным показателем преломления называют опти-

чески менее плотной.

Из закона обратимости хода световых лучей видно, что при переходе све-

та из оптически более плотной среды в оптически менее плотную луч удаляется от нормали к поверхности (рис. 3, а). Увеличение угла падения сопровождает-

ся более быстрым ростом угла преломления . По достижению углом прелом-

7

ления значения 900 световой пучок перестаѐт распространяться в веществе 1 и

сохраняется только отражѐнный луч (рис. 3, б). Вся энергия падающего свето-

вого пучка передаѐтся отражѐнному. Явление носит название полного внутрен-

него отражения или рефракции. Угол падения, при котором наступает полное внутреннее отражение называется предельным углом.

Рис. 3. Переход светового пучка из вещества оптически более плотного в оптически менее плотное

Учитывая, что при 900	sin 1, n		sin	,		arcsin	1	arcsin n .
					пред
	21		sin				21
							n12

Последняя зависимость лежит в основе работы прибора, называемого

рефрактометр. В этом приборе измеряется предельный угол αпред, но шкала уже проградуирована в долях относительного показателя преломления изучае-

мого вещества относительно вакуума.

В последнее время явление полного отражения нашло оригинальное тех-

ническое применение. Речь идет о волоконной оптике, сущность которой со-

стоит в следующем. Стеклянная нить покрывается слоем оптически менее плотного вещества. Луч света, падающий на торец такой нити, проходит через всю нить (испытывая многократные полные отражения от ее боковой поверх-

ности) и выходит через другой ее торец независимо от того, каким образом изо-

гнута нить (рис. 4). Жгут, составленный из множества таких нитей, образует светопровод, позволяющий как угодно искривлять путь светового пучка. Если

8

перед торцом светопровода поместить освещенный объект, то на другом торце светопровода проявится точное его изображение. Причем сам светопровод мо-

жет быть произвольным образом изогнут, даже завязан в узел. Светопроводы используются для изготовления гибких перископов (зондов), с помощью кото-

рых можно рассматривать объекты и выполнять манипуляции (при выполнении лапароскопических операций), недоступные непосредственному наблюдению

(например, внутренней поверхности цилиндра автомобильного двигателя,

внутренности желудка, кишечника и т. п.).

Рис. 4. Распространение света в стекловолокне

Во многих оптических приборах (поляриметр, рефрактометр, спектрометр и др.) для преломления света используются стеклянные призмы. На рис. 5 показан ход луча монохроматического света в призме. После двукратного преломления

(на левой и на правой гранях призмы) луч оказывается отклоненным от первона-

чального направления на угол , называемый углом отклонения. Угол , заклю-

ченный между

Рис. 5. Преломление света в трехгранной призме

9

преломляющими гранями, носит название преломляющего угла призмы. Угол от-

клонения зависит от преломляющего угла и показателя преломления приз-

мы п. Эта зависимость легко устанавливается для призмы с малым преломляю-

щим углом (тонкой призмы) в случаях малого угла падения . Связь между преломляющим углом призмы и углом отклонения выражается соотношением

(n 1) .

Дисперсия света

Значение показателя преломления среды определяется в основном свойст-

вами этой среды; однако в некоторой мере оно зависит еще от длины волны

(или от частоты) света, так как световые волны различной длины распространя-

ются в данной среде с различной скоростью. Поэтому одна и та же среда по-

разному преломляет различные монохроматические лучи.

Зависимость показателя преломления среды от длины волны света носит название дисперсии света. В более широком смысле дисперсией света называют разложение света в спектр, происходящее при его преломлении, интерференции или дифракции.

Дисперсия называется нормальной, если показатель преломления возрас-

тает с уменьшением длины световой волны. В противном случае дисперсия на-

зывается аномальной. Бесцветные прозрачные среды (т. е. среды, слабо погло-

щающие свет) обладают нормальной дисперсией; они наиболее сильно прелом-

ляют фиолетовые (коротковолновые) лучи. У окрашенных сред может иметь место аномальная дисперсия.

Благодаря дисперсии луч белого света, проходящий через преломляющую среду, оказывается разложенным на различные монохроматические лучи. По-

падая на экран, эти лучи образуют дисперсионный спектр — совокупность раз-

ноцветных полос. Наиболее отчетливо дисперсионный спектр обнаруживается при преломлении света в веществе, имеющем клинообразную форму, например

10