Nazwisko i imię:

Zespół:

Data:

Ćwiczenie 74: Polarymetr

Cel ćwiczenia:

Zbadanie aktywności optycznej roztworu cukru. Zbadanie zależności kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji w roztworze cukru od jego stężenia. Wyznaczenie skręcenia właściwego wodnego roztworu cukru. Wyznaczenie stężenia nieznanego roztworu cukru na podstawie znalezionej zależności kąta skręcenia od stężenia.

Literatura:

[1] Zięba A. (red), Pracownia Fizyczna Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej; SU1648,

AGH. Kraków 2002 (ew. wydania wcześniejsze).

[2] Szczeniowski S. Fizyka doświadczalna, cz. 4 Optyka, Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa 1980.

[3] Halliday D. Resnick R. Walker J. Podstawy fizyki t. IV. Wydawnictwo Naukowe

PWN, Warszawa 2003.

Zagadnienia do opracowania

Ocena i podpis:

1. Polaryzacja światła (liniowa, kołowa, eliptyczna)

2. Sposoby otrzymywania światła spolaryzowanego liniowo

3. Ośrodek aktywny optycznie

4. Przykłady substancji aktywnych optycznie

5. Rola płytki Laurenta w polarymetrze

6. Zjawisko skręcenia płaszczyzny polaryzacji

7. Jakościowe wyjaśnienie zjawiska skręcenia płaszczyzny polaryzacji

8. Wykorzystanie zjawiska polaryzacji (w oparciu o [3])

Ocena z odpowiedzi

1. Opracowanie ćwiczenia

Opracuj i opisz zagadnienia nr		i
						podpis

Niektóre użyteczne wzory i stale fizyczne

Niektóre spośród substancji wykazują aktywność optyczną. Substancje te skręcają płaszczyznę polaryzacji światła przechodzącego przez nie. Taką aktywność optyczną wykazują niektóre kryształy, ciecze, oraz roztwory niektórych substancji, między innymi roztwory cukru.

Aktywne optycznie będą substancje, których cząsteczki nie wykazują symetrii względem prostej. Sacharoza produkowana przez organizmy żywe jest złożona jedynie z cząsteczek jednego rodzaju, nie występują cząsteczki będące ich odbiciem zwierciadlanym. Roztwór cukru będzie więc skręcał płaszczyznę polaryzacji.

Rysunek 74-1: Cząsteczka sacharozy

W przypadku roztworów kąt skręcenia a jest proporcjonalny do długości drogi jaką przebywa światło w tym roztworze l oraz do jego stężenia C:

=
·C · l (1)

Zależność kąta skręcenia (1) wynika z ilości napotkanych cząsteczek substancji aktywnej przez wiązkę światła. Im więcej cząsteczek napotka wiązka, tym bardziej płaszczyzna polaryzacji jest skręcana.

Współczynnik
zależy od rodzaju rozpuszczonej substancji, rodzaju rozpusz­czalnika, długości fali światła. Nazywany jest on skręceniem właściwym.

Skręcenie właściwe substancji aktywnej optycznie jest definiowane jako kąt. o który obracana jest płaszczyzna polaryzacji światła sodowego (linii D o długości fali λ = 589.3 nm) przez słup cieczy o długości 10 cm, na 1 g substancji rozpuszczonej w 1 cm³, będącej w temperaturze 20^°C. Jeśli pomiary wykonywane są w temperaturze
, rożnej niz 20 ^°C, aby uzyskać skręcenie właściwe należy wprowadzić poprawkę zgodnie z wyrażeniem:

Wzór (2) jest słuszny jedynie dla sacharozy.

Skręcenie właściwe dla roztworu wodnego cukru wynosi:
=(65,3 ± 1,3)°

Przyrządy służące do pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji nazywane są polarymetrami. Zjawisko skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez roztwory cukru jest wykorzystywane w przemyśle do wyznaczania stężeń tych roztworów

Układ pomiarowy:

W ćwiczeniu mierzony jest kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez roztwór cukru. Do tego celu wykorzystuje się polarymetr, którego schemat znajduje się na rysunku 74-2. Światło z lampy sodowej jest polaryzowane przez polaryzator. Aby znaleźć nowe położenie płaszczyzny polaryzacji, które zostało zmienione przez badaną substancję, światło spolaryzowane liniowo i monochromatyczne obserwujemy po przejściu przez analizator. Ruchomy analizator połączony jest ze skalą polarymetru. W celu zwiększenia dokładności pomiarów, zastosowano płytkę Laurenta, która skręca płaszczyznę polaryzacji o mały kąt. Analizator należy ustawić tak. aby całe pole widzenia miało jednakową jasność. W ćwiczeniu dokonujemy pomiaru kąta o jaki obrócony jest analizator. Jest to pomiar względny, dlatego należy najpierw ustalić położenie zerowe polarymetru przepuszczając światło przez kuwetę wypełnioną wodą destylowaną.

W skład zestawu pomiarowego wchodzą kuwety z przygotowanymi roztworami o znanych stężeniach.

Rysunek 74-2: Schemat budowy polarymetru, 1. Źródło światła, 2. Polaryzator, 3. Płytka Laurenta, 4. Kuweta z badaną substancja, 5. Analizator

2. Wykonanie ćwiczenia:

1. Wyznaczenie położenia zerowego polarymetru.

Wypełnij kuwetę wodą destylowaną (nie zapomnij wymyć dokładnie kuwetę!) Zmierz kąt położenia analizatora 10 razy. Za kąt ten należy uznać kąt, przy którym pole widzenia jest jednakowo zaciemnione. W pozycji tej przy niewielkich poruszeniach śruby w jedną i w drugą stronę obraz wygląda jak na rysunku 74-3 (a) i (b). Między tymi położeniami śruby znajdujemy takie położenie, kiedy pasek płytki Laurenta jest zupełnie niewidoczny.

(a) (b)

Rysunek "4-3. Widok płytki Laurenta w polarymetrze

2. Przegotowanie roztworu cukru o znanym stężeniu

Aby przygotować roztwór cukru należy odważyć żądaną ilość cukru na wadze szalkowej oraz odmierzyć odpowiednią ilość wody destylowanej przy użyciu kolby miarowej. Wyznacz stężenie otrzymanego roztworu.

3. Dokonanie pomiaru kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji dla wykonanego roztworu.

Wypełnij czystą kuwetę otrzymanym roztworem. Zanotuj długość wykorzystywanej kuwety.

Zmierz kąt położenia analizatora 10 razy, przy którym pole widzenia jest jednakowo zaciemnione (tak jak przy wyznaczaniu położenia zerowego, punkt 1.).

4. Przygotowanie roztworu o mniejszym stężeniu (rozcieńczenie wcześniej przygotowanego roztworu).

Uwaga! Aby przygotować roztwór o stężeniu dwa razy mniejszym należy dolać taką masę wody jaką ma cały rozcieńczany roztwór.

5. Pomiar kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji (tak jak w punkcie 3.).

6. Wykonanie pomiarów dla roztworów o coraz mniejszym stężeniu (powtórzenie czynności z punktów 4. i 5.).

Wariant ćwiczenia (wyznaczenie stężenia roztworu cukru na podstawie pomiaru kąta skręcenia):

7. Wykonaj pomiary- skręcenia dla roztworu o nieznanym stężeniu

3. Wyniki pomiarów:

Tabela 1. Wyznaczanie kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji

masa cukru: ms [g] =			Położenie zerowe polarymetru
objętość wody: VH2O [cm^3] =
długość kuwety: l [cm] =
stężenie roztworu: C [g/cm^3] =
		i	0i	i	i	i	i	i	i	i
		1
		2
		3
		4
		5
		6
		7
		8
		9
		10
	sr ° 
Kąt skręcenia na jednostkę długości =
Temperatura roztworu =

4. Opracowanie wyników pomiarów:

1. Oblicz wartość średnią położenie zerowego polarymetru:

Otrzymaną wartość wpisz do tabeli.

2. Wylicz niepewność wyznaczenia położenia zerowego polarymetru. Jest nią błąd średni kwadratowy
wyliczony na podstawie wzoru:

Otrzymaną wartość wpisz do tabeli

3. Wylicz stężenia badanych roztworów oraz określ ich niepewność. Otrzymane wartości wpisz do tabeli

4. Wyznacz średnią wartość kąta skręcenia oraz jej niepewność dla badanych roztworów (pamiętaj, że jest to pomiar względny i przy wyliczaniu niepewności należy uwzględnić również niepewność wyznaczenia położenia zerowego polarymetru). Otrzymane wartości wpisz do tabeli

5. Wyznacz kąt skręcenia na jednostkę długości (φ) oraz jego niepewność. Otrzymane wartości wpisz do tabeli.

6. Wykonaj wykres zależności kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji na jednostkę długości od stężenia roztworu.

7. Czy otrzymana zależność jest liniowa? Określ, czy kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji jest proporcjonalny do stężenia roztworu.

8. Wyznacz prostą regresji dla otrzymanej zależności. Otrzymane wartości dopasowanych współczynników:

a = b =

9. Wylicz skręcenie właściwe roztworu cukru oraz jego niepewność. Zwroc uwagę, ze
skręcenie właściwe jest mierzone dla słupa roztworu o długości 10 cm. (jeśli temperatura
w jakich przeprowadzano pomiary rożni się od 20°C wylicz skręcenie właściwe stosując
odpowiednią poprawkę, wzór (2))

=

Wariant ćwiczenia:

10. Na podstawie otrzymanej zależności liniowej wylicz stężenie procentowe nieznanego roztworu cukru oraz błąd jego wyznaczenia.

Wnioski:

Uwagi prowadzącego:

Ocena z opracowania wyników:
	ocena			podpis

5. Załączniki: dodatkowe wykresy, obliczenia, ewentualna poprawa

---