Skręcanie płaszczyzny polaryzacji
Wiele substancji (ciał stałych, cieczy, roztworów, gazów) wykazuje pewną ciekawą właściwość. Mianowicie, wiązka światła spolaryzowanego po przejściu przez te substancje ulega skręceniu w prawo lub w lewo od początkowego ułożenia płaszczyzny polaryzacji. W każdym przypadku istotna jest barwa światła, więc gdy chcemy otrzymać wyniki porównywalne, to musimy stosować światło o sprecyzowanej barwie.W naszym przypadku będą to barwy czerwona i niebieska.
II. Przebieg ćwiczenia.
W pracowni fizycznej mamy dostępny polarymetr, ustalanie kąta płaszczyzny polaryzacji polega na poruszaniu analizatorem w celu znalezienia pozycji, w której światło przechodzące przez instrument ma najmniejsze natężenia. Z tego wynika,że płaszczyzna polaryzacji światła wpadającego w analizator jest prostopadła do płaszczyzny polaryzacji samego filtru. Pierwszym krokiem przed rozpoczęciem pomiarów właściwych jest znalezienie kąta zerowego polarymetru.
W tym celu starannie płuczemy rurkę wchodzącą w skład polarymetru,
aby oczyścić ją z wszelkich osadów, które mogły w niej osiąść, a po wypełnieniu wodą mieć wpływ na wyniki. Na początku rurkę wypełniamy wodą nie zawierającą cukru i odczytujemy kąt wskazywany przez analizator (w momencie, gdy występuje zanik światła). Znaleźliśmy kąt zerowy polarymetru. Po przeprowadzaniu wielokrotnych pomiarów zarówno dla światła czerwonego jaki i dla niebieskiego uzyskaliśmy wynik, taki że analizator jest wyskalowany prawidłowo tzn. wskazuje kąt skręcania płaszczyzny wspomnianego wyżej układu jako zero stopni - rzecz jasna w granicach błędu pomiaru. W wyniku czego, mierzone wartości kątów będą odczytywane bezpośrednio ze skali bez dodatkowych operacji arytmetycznych.
Po ustaleniu powyższych faktów, przystępujemy do preparowania roztworu wodnego cukru. W tym celu skalujemy wagę, a następnie ważymy masę pojedynczej kostki cukru, którą mamy zamiar rozpuścić. Dalej przelewamy zawartość rurki do zlewki (podobnie jak rurka spektrometru starannie wypłukanej, aby uniknąć wprowadzenia do roztworu zbędnych substancji, mogących zakłócić pomiar) i przy pomocy mieszadełka magnetycznego rozpuszczamy zważoną kostkę cukru w zlewce, aż do momentu uzyskania klarownego roztworu. Następnie przelewamy go
z powrotem do rurki wchodzącej w skład spektrometru. Obie operacje przelewania należy dokonywać bardzo uważnie, aby nie dopuścić do wylania się roztworu, gdyż każda utrata powoduje zmianę rzeczywistej zawartości cukru w roztworze (maleje masa roztworu; przy dodawaniu do roztworu następnych kostek cukru uzyskamy większe stężenie procentowe cukru w wodzie).
Następnie mocujemy rurkę w statywie spektrometru i przeprowadzamy kolejne pomiary kątów skręcania płaszczyzny polaryzacji. Pomiary przeprowadzane są dla obu zastosowanych filtrów barwnych (czerwonego i niebieskiego) i dla każdego filtru dwukrotnie po uprzednim skasowaniu wyników poprzedniego pomiaru. Po każdej serii pomiarów zwiększamy zawartość cukru w roztworze w sposób opisany powyżeji przystępujemy do kolejnej serii pomiarów, aż do wyczerpania dostępnych kostek cukru. W ten sposób otrzymujemy tak dokładne jak tylko możliwe wyniki, które dalej poddawane są obróbce matematycznej.
IV. Opracowanie wyników
Lp. |
masa [g] |
filtr czerwony |
filtr niebieski |
1, |
4,7 |
7 |
11 |
2, |
9,1 |
12 |
21 |
3, |
13,6 |
17 |
27 |
4, |
18,1 |
22 |
34 |
5, |
22,8 |
27 |
40 |
Po otrzymaniu wyników i podstawienia ich w programie wyliczającym regresje i błąd otrzymaliśmy:
DLA FILTRU CZERWONEGO DLA FILTRU NIEBIESKIEGO
y=ax+b y=ax=b
a=1,1060+-0,0075 a=1,569+-0,1
b=1,89+-0,11 b=5,2+-1,5
r=1 r=0,994
Błąd: 0,027 Błąd:0,1917
Średnica rury polarymetru wynosiła 24,6 ±0,1 mm .
Masa wody 250 ml około 250 g.
Obliczamy nowy współczynnik a1 poprzez pomnożenie wspólczynnika a przez pole przekróju poprzecznego słupa wody.
Otrzymujemy wyniki:
a1 =0,027 - dla filtru czerwonego
a1 =0,038 - dla filtru niebieskiego
V. Wnioski i uwagi.
Z powodu braku możliwości regulacji natężenia światła przesyłanego do polarymetru w przypadku zastosowania filtru niebieskiego, utrudnione zostaje ustalenie pozycji analizatora, gdzie zaciemnienie jest maksymalne. Otrzymuje się zamiast pojedynczej pozycji przedział kątów, co dodatkowo wpływa na niedokładność pomiaru, dlatego należy się spodziewać, że błąd w przypadku filtru niebieskiego jest większy, niż czerwonego.
Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie odrobinę silniejszego źródła światła bądź przeprowadzanie całości pomiarów w ciemni. Największym błędem opatrzone są pomiary kątów skręcenia płaszczyzny polaryzacji mierzone z użyciem niebieskiego filtra barwnego, ponieważ dla dużego stężenia roztworu odczytane kilka razy kąty (przez dwie osoby) miały bardzo duży rozrzut (rzędu 10°).
W przypadku światła czerwonego wykres kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji od masy cukru nie przechodzi przez zero, co spowodowane może być użyciem w doświadczeniu wody niedestylowanej, która mogła z powodu zanieczyszczeń skręcać płaszczyznę polaryzacji o pewien niewielki kąt.