Обложка

Определение показателя преломления и средней дисперсии жидкостей рефрактометром ирф-22

Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 2.1

по дисциплине «Физика»

Владивосток

2013

Титул

Министерство образования и науки Российской Федерации

Дальневосточный федеральный университет

Школа естественных наук

Определение показателя преломления и средней дисперсии жидкостей рефрактометром ирф-22

Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 2.1

по дисциплине «Физика»

Владивосток

Дальневосточный федеральный университет

____________________________________________________________________________________________________________

Оборот титула

УДК 53 (о76.5)

ББК 22. 343

Э41

Составитель: О.В.Плотникова

Определение показателя преломления и средней дисперсии жидкостей рефрактометром ирф-22

Учебно-методическое пособие к лабораторной работе № 2.1

по дисциплине «Физика»

по дисциплине «Физика»/ Дальневосточный федеральный университет, Школа естественных наук [сост. О.В.Плотникова]. – Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2013. - с.

Пособие, подготовленное на кафедре общей физики Школы естественных наук ДВФУ, содержит краткий теоретический материал по теме «Показатель преломления» и инструктаж к выполнению лабораторной работы «Определение показателя преломления и средней дисперсии жидкостей рефрактометром ИРФ-22» по дисциплине «Физика».

Для студентов-бакалавров ДВФУ.

УДК 53 (о76.5)

ББК 22. 343

©ФГАОУ ВПО «ДВФУ», 2013

Цель работы: изучить явления преломления света, полного внутреннего отражения и дисперсии, ознакомиться с устройством рефрактометра и его применением, преимуществами рефрактометрического метода исследования, провести измерения показателя преломления жидкости с использованием рефрактометра и идентифицировать жидкость.

Краткая теория.

Рефрактометрический анализ основан на определении коэффициентов преломления веществ, по которым судят о характере веществ, их чистоте, содержании в растворах и т.д.

Рефрактометрический метод широко применяется при исследовании таких пищевых продуктов, как жиры, томатные продукты, варенье, джемы, напитки и др. Его используют для количественного определения жиров в различных продуктах, белка в молоке, влажности продуктов, содержания спирта в растворах и т.д. Преимущества этого метода состоят в том, что он не требует сложного и громоздкого оборудования, позволяет получить результат быстро и с достаточно высокой точностью.

Показатель преломления.

Рефракция – это преломление света, то есть изменение направления луча, которое имеет место при переходе его из одной среды в другую. При этом выполняется закон преломления света (рис.1):

Преломленный луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведенным к границе раздела сред в точке падения луча; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данных сред постоянно и называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой:

.

Рис. 1. Преломление света

Если вместо одной из сред имеется вакуум, то показатель преломления относительно вакуума называется абсолютным (задается в таблицах). Он показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше, чем в данном веществе:

, где с= скорость света в вакууме, .

Среда, у которой абсолютный показатель преломления больше, называется оптически более плотной. В оптически более плотной среде угол между лучом и перпендикуляром к границе раздела сред всегда больше, чем в менее плотной.

Если абсолютные показатели преломления для первой и второй сред соответственно n₁ и n₂, то относительный показатель преломления:

Отсюда получаем, что относительный показатель преломления показывает, во сколько раз скорость света в первой среде больше, чем во второй:

Явление полного внутреннего отражения.

Если направить свет из оптически более плотной среды в менее плотную, то может наступить момент, когда угол преломления станет равным 90°, то есть преломленный луч будет скользить по границе раздела сред. Если еще более увеличить угол падения, то луч не выйдет во вторую среду, а отразится обратно в первую. Такое явление называется полным внутренним отражением (рис.2).

Рис.2. Полное внутреннее отражение света

Угол падения луча, которому соответствует угол преломления, равный 90⁰, называется предельным углом полного внутреннего отражения. Его можно найти, используя закон преломления:

отсюда: .

Дисперсия света.

Показатель преломления зависит от природы и плотности вещества, от температуры и давления, а также от длины волны падающего света.

Зависимость показателя преломления от длины (частоты) световой волны, называется дисперсией. Так как белый свет является сложным, то при преломлении луча белого света может происходить разложение его в спектр.

Если с увеличением длины волны показатель преломления уменьшается ( <0), то дисперсия называется нормальной. В области поглощения может наблюдаться рост показателя преломления при увеличении длины волны ( >0) – аномальная дисперсия.

Чтобы учесть дисперсию, показатели преломления при измерениях обозначают с использованием дополнительных индексов:

n_D соответствует желтой линии натрия, линии D (λ=0,589мкм),

n_C соответствует красной линии водорода, линии С (λ=0,656мкм),

n_F соответствует синей линии водорода, линии F (λ=0,486мкм).

При рефрактометрических измерениях используют монохроматический свет.

Рефрактометр ИРФ-22.

РЕФРАКТОМЕТР ИРФ–22 применяется для быстрого определения показателя преломления жидкостей, значения которого лежат в области от 1,3 до 1,7 (рис.3).

7-9 5-6 2 3

INCLUDEPICTURE "https://im3-tub-ru.yandex.net/i?id=58abdf9edd5f947ed781ad0e93eb7c6f&n=33&h=190&w=245" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://im3-tub-ru.yandex.net/i?id=58abdf9edd5f947ed781ad0e93eb7c6f&n=33&h=190&w=245" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://im3-tub-ru.yandex.net/i?id=58abdf9edd5f947ed781ad0e93eb7c6f&n=33&h=190&w=245" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://im3-tub-ru.yandex.net/i?id=58abdf9edd5f947ed781ad0e93eb7c6f&n=33&h=190&w=245" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://im3-tub-ru.yandex.net/i?id=58abdf9edd5f947ed781ad0e93eb7c6f&n=33&h=190&w=245" \* MERGEFORMATINET

Рис. 3. Рефрактометр ИРФ-22.

Световой поток от внешнего источника падает на двойную призму, изготовленную из тяжелого стекла n=1,7 (рис.4).

α_пр.

Рис.4. Ход луча через призму рефрактометра

Грань АВ верхней призмы матовая и служит для освещения рассеянным светом исследуемой жидкости, помещенной в зазоре между призмами. Свет, рассеянный гранью АВ, проходит через слой жидкости в зазоре и падает на грань СD нижней призмы под углами от 0 до 90 градусов. Скользящий луч, угол падения которого 90⁰ преломляется под углом α_пр., называемым предельным.

Показатель преломления жидкости связан с предельным углом формулой: n=Nsinα_пр.

где N – показатель преломления стекла, из которого сделана призма. Из рис.4 также видно, что скользящий луч выйдет из призмы под углом α_пр.. Все лучи, угол падения которых меньше 90⁰, выйдут из призмы правее предельного. Это значит, что левее предельного луча света нет. Если на лучи, вышедшие из призмы направить зрительную трубу, то поле зрения ее будет светлым только с одной стороны. Граница раздела светлого и темного соответствует положению предельного луча. Зная положения границы раздела полей, можно определить показатель преломления жидкости.

Так как призма освещается белым светом, то вследствие дисперсии граница раздела оказывается окрашенной. Для устранения окраски в оптическую часть зрительной трубы между измерительной призмой и объективом трубы введен компенсатор, состоящий из двух призм прямого зрения, могущих вращаться в противоположных направлениях. Призмы компенсатора вращают винтом, расположенным на корпусе прибора справа от наблюдателя, до полного устранения окраски границы раздела.

Вместе с призмами вращается барабан со шкалой, по которой можно при наличии специальных таблиц определить дисперсию исследуемой жидкости, т.е. разность показателей преломления для линий λ_C и λ_F водорода (n_F – n_C).

Оптическая схема прибора изображена на рис.5. Свет от внешнего источника направляется в осветительную призму 2, проходит исследуемое вещество 5, измерительную призму 3 и попадает в измерительную систему. Здесь он проходит через компенсатор 5-6.

Рис.5. Оптическая схема рефрактометра ИРФ-22.

Затем проходит через пластинку с крестом 7, призму полного отражения 8 и через окуляр 9 попадает в глаз наблюдателя.

Шкала освещается при помощи зеркала, помещенного с левой стороны прибора, и проектируется системой линз в фокальную плоскость окуляра так, что в поле зрения окуляра одновременно видны граница светотени, перекрестье в окуляре и шкала с визиром. По шкале отсчитывается непосредственно значение показателя преломления для желтого света (λ_D=0,589мкм).

Измерительная и осветительная призмы закреплены в оправах двух литых полушарий с окошками. Для нахождения границы раздела и совмещения ее с перекрестьем штрихов измерительную головку (обе призмы) можно вращать вокруг горизонтальной оси с помощью винта, находящегося с левой стороны корпуса прибора.