WYDZIAŁ INŻYNIERII GLIWICE 16.10.`97
ŚRODOWISKA I ENERGETYKI
SPRAWOZDANIE
„SKRĘCENIE PŁASZCZYZNY POLARYZACJI ŚWIATŁA”.
Katarzyna Świt
Agnieszka Żanowska
Barbara Małyszewicz
POLARYZACJA ŚWIATŁA
Polaryzacja jest zjawiskiem charakterystycznym dla fal poprzecznych i polega na uporządkowaniu kierunków drgań. Polaryzacja fal może wystąpić w wielu przypadkach, np. przy braku symetrii osiowej w źródle, podczas przechodzenia przez ośrodek anizotropowy przy załamaniu i odbiciu na granicy dwóch ośrodków itp. W celu stwierdzenia polaryzacji należałoby zmierzyć wielkości przesunięć w różnych kierunkach prostopadłych do kierunku rozchodzenia się fali.
Miarą stopnia polaryzacji jest stosunek gęstości strumienia energii składowej spolaryzowanej do gęstości strumienia całej fali. W przypadku fal niespójnych (fale nie są dokładnie monochromatyczne lub różnica faz zmienia się w czasie) w wyniku nałożenia otrzymamy falę niespolaryzowaną.
W źródłach rzeczywistych np. żarówkach, w 1 sekundzie zachodzi olbrzymia liczba emisji fal. Wszystkie efekty polaryzacyjne uśredniają się w czasie i obserwacja polaryzacji jest niemożliwa. A więc światło jest niespolaryzowane tylko wtedy, gdy nie możemy stwierdzić, czy jest spolaryzowane czy też nie.
Badanie zależności kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji od stężenia wodnego roztworu cukru.
Jeśli pomiędzy analizatorem i polaryzatorem wstawimy substancję aktywną optycznie, to natężenie światła będzie różne od zera. Aby ponownie ustawić zerową wartość natężenia światła za analizatorem, należy skręcić nim o pewien kąt. Mamy więc do czynienia ze skręceniem płaszczyzny polaryzacji przez tę substancję. Takie właściwości posiada m.in.: kwarc, siarczek rtęci oraz sole wapnia, strontu i ołowiu.
Zjawisko skręcenia płaszczyzny polaryzacji zachodzi w cieczach czynnych optycznie (np. terpentyna, nikotyna) oraz w roztworach niektórych ciał w cieczach optycznie nie aktywnych (np. w wodzie, benzenie, alkoholu etylowym). Większość związków organicznych, których roztwory skręcają płaszczyznę polaryzacji, zawiera tzw. Asymetryczne atomy węgla. Takie cechy posiadają cukry, np. sacharoza. Zgodnie z prawem Biota kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji zależy od długości drogi optycznej l i stężenia roztworu c:
= l c
- właściwa zdolność skręcania charakterystyczna dla danej substancji i zależna od rodzaju rozpuszczalnika.
Do badania kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji stosuje się polarymetry, a przystosowane specjalnie do mierzenia stężenia roztworu cukru - sacharymetry.
Polarymetr składa się z dwóch zasadniczych części: polaryzatora i analizatora.
Analizator można obracać wokół osi poziomej. Kąt o jaki został obrócony analizator można odczytać na skali kątowej umieszczonej na tarczy.
Przebieg ćwiczenia
Stanowisko pomiarowe:
- rura plastikowa
- polaryzator
- filtr
- waga
- mieszadełko magnetyczne
- żarówka
- cukier
mocujemy rurę z wodą w statywie, na drodze światła i sprawdzamy czy woda nie skręca płaszczyzny polaryzacji
ważymy kostkę cukru i rozpuszczamy w wodzie
odczytujemy kąt skręcenia filtra patrząc przez czerwoną a następnie niebieską szybkę
pomiar kąta powtarzamy zwiększając stężenie roztworu cukru
Masa cukru [g] |
filtr czerwony[o] |
filtr niebieski [o] |
4.5 |
7 |
10 |
8.9 |
12 |
18 |
13.4 |
17 |
26 |
17.9 |
22 |
34 |
22.3 |
27 |
42 |
do punktów pomiarowych osobno dla światła niebieskiego i czerwonego dopasowujemy proste metodą regresji, do obliczeń włączamy punkt = 0 , m = 0 i wykonujemy wykresy.
Z wykresu regresji otrzymujemy:
- dla barwy czerwonej - dla barwy niebieskiej
a=1.184+ 0.037 [0/g] a=1.856+ 0.036 [0/g]
b= 0.94+ 0.49 b= 0.93+ 0.49
Wielkością która ma znaczenie dla określenia stopnia skręcenia płaszczyzny polaryzacji przez cukier zawarty w roztworze jest masa cukru na jednostkę powierzchni przekroju, przez który przechodzi światło. Wynika stąd, że otrzymany współczynnik a należy pomnożyć przez pole przekroju poprzecznego słupa wody, otrzymujemy stąd nowy współczynnik a1 oraz przeliczamy błąd współczynnika a otrzymanego z regresji na błąd a1.
Średnica rurki, w której znajdował się roztwór wynosi 2.5 + 0.005[cm].
Pole przekroju poprzecznego s=d2 /4=4.9 [cm2]
Błąd tej wartości liczymy ze wzoru na błąd pochodnej iloczynu:
s== 0.078 [cm2]
Po zaokrągleniu błędów otrzymujemy:
s=4.9+ 0.0198 [cm2]
Z obliczeń i regresji (a1=s x a) wynika, że:
- dla barwy czerwonej -dla barwy niebieskiej
a1=5.801 [0x cm2/g] a1=9.094 [0x cm2/g]
a1 =
a1=0.203 [0x cm2/g] a1=0.228 [0x cm2/g]
Wnioski
Na podstawie powyższego ćwiczenia możemy sprawdzić jak zmienia się kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji pod wpływem zmian zawartości cukru w wodzie. Ze wzrostem stężenia cukru w wodzie liniowo wzrasta kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Możemy również porównać wyniki jakie otrzymaliśmy dla barwy czerwonej i niebieskiej. Łatwo zauważyć, że dla barwy czerwonej kąt skręcenia jest mniejszy niż dla niebieskiej. Możliwe jest występowanie niedokładności przy przeprowadzaniu pomiarów.
Na błędy otrzymanych wyników wpływ miały między innymi:
- niemożność dokładnego ustalenia kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji (trudno ustalić kiedy następuje max. zaciemnienie),
- niedokładność pomiaru masy cukru,
- niedokładność pomiaru średnicy rurki.