ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13
Определение показателя преломления жидкости с помощью рефрактометра
Цель работы:
изучить устройство и принцип действия рефрактометра, научиться применять прибор на практике для определения показателя преломления и концентрации, определить показатель преломления исследуемой жидкости и концентрацию неизвестного раствора этилового спирта в воде по графику зависимости показателя преломления этого раствора от его концентрации.
I. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ
Рефрактометр, набор спиртовых растворов, вата для протирки призм.
II. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
а) Изучить теоретический материал по конспекту лекций и учебникам [Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, с. 415, 418, 422 – 439, 474 - 476; Кириллов С.К. Физика для врача, с. 8 – 14, 22 – 25, б) Изучить содержание лабораторной работы.
в) Подготовить конспект и бланк отчета по лабораторной работе. г) Подготовить ответы на вопросы к лабораторной работе:
1.Интерференция света. Условия интерференции света. Когерентные источники света.
2.Устройство и принцип действия интерферометра Майкельсона.
3.Дифракция света. Дифракционная решётка. Формула дифракционной решётки.
4.Основы рентгеноструктурного анализа. Формула Вульфа-Брегга.
5.Понятие о голографии и её применение в биологии и медицине.
6.Преломление света на границе раздела двух сред. Предельный угол преломления. Связь показателя среды с предельным углом преломления.
7.Что такое абсолютный и относительный показатели преломления? Их связь со скоростями света. Основной закон преломления.
8.Полное внутреннее отражение света от границы раздела двух сред. Предельный угол полного внутреннего отражения (ответ поясните рисунком).
9.Устройство рефрактометра. Принцип действия рефрактометра. Почему
грань осветительной призмы рефрактометра сделана матовой?
10.От чего зависит величина светового сектора в измерительной призме рефрактометра? Какие показатели можно определить с помощью рефрактометра?
11.Как определить показатель преломления прозрачной жидкости? Для каких жидкостей нельзя определить показатель преломления рефрактометрическим способом?
12.Почему граница тёмного и светлого поля в рефрактометре бывает окрашенной? Как устраняется это явление?
13.Волоконная оптика и её использование в медицине.
14.Устройство и принцип действия интерференционного микроскопа.
III. ТЕОРИЯ МЕТОДА, ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И СПОСОБА ИЗМЕРЕНИЯ
При переходе света из первой среды во вторую происходит явление преломления света – направление луча изменяется. При этом выполняется закон преломления, состоящий из двух частей:
1)луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восстановленный к границе раздела двух сред, лежат в одной плоскости;
2)отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, называемая относительным показателем преломления 1-ой среды относительно 2-ой, равная отношению скорости света V1 в первой среде к скорости света V2 во второй среде:
|
sin |
const n2 ,1 |
|
V1 |
, (1), |
|
||||
|
sin |
V2 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
n2 |
, |
(2) |
|
|
|
|
|
|
sin |
|
|
|
||||
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
где n1 и n2 – абсолютные показатели преломления |
первой и второй сред |
|||||||||
соответственно. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для определения показателя преломления могут быть использованы приборы, называемые рефрактометрами. А так как показатель преломления среды зависит от её химического состава, а для растворов – от концентрации, то показатель преломления вещества является важной константой, характеризующее данное вещество или данный раствор.
Рефрактометры широко применяются в медицине для определения белков в плазме и сыворотке крови, при исследовании желудочного сока и мочи.
В основу рефрактометрического метода положено следующее. При переходе луча света из среды оптически менее плотной в среду оптически более плотную угол преломления меньше угла падения. Если угол падения α равен 90 0, то угол преломления β равен предельному углу преломления.
Из формулы (1) видно, что sinпред. = n1/n2 (2).
Из формулы (2) следует, что sinпред. зависит от относительного показателя преломления сред. Если, при постоянстве второй среды, мы будем менять первую среду и, значит будем менять абсолютный показатель преломления первой среды, то большему абсолютному показателю преломления первой среды будет
84
соответствовать больший предельный угол преломления, т.е. величина предельного угла преломления пропорциональна абсолютному показателю преломления первой среды.
На измерении этого угла и основан принцип действия рефрактометра.
Главной частью любого рефрактометра являются две призмы из вещества с большим показателем преломления, чем исследуемая жидкость, и обращённых друг к другу гипотенузными гранями. Одна из этих призм называется измерительной, другая – осветительной. Нижняя грань осветительной призмы сделана матовой для того, чтобы проходящий через неё луч света освещал жидкость во всех направлениях, в том числе и для создания угла падения 900, которому соответствует предельный угол преломления пред.. Попадая после исследуемой жидкости, которая наносится между этими призмами, в измерительную призму, лучи света образуют освещённый сектор. Величина этого сектора равна 2 пред. (см. рис.) и растёт с увеличением абсолютного показателя преломления исследуемой жидкости.
При прохождении света через измерительную призму происходит не только преломление, но и разложение (дисперсия) света. Поэтому граница светлого и тёмного секторов окрашивается в различные цвета и размывается. Для устранения этого недостатка в рефрактометре служит дисперсионный компенсатор, устраняющий окраску границы и делающей её резкой.
85
Внешний вид
призмы
окуляр
дисперсионный
компенсатор
86