FIZYKA

Polaryzacja światła.

Badanie zależności kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji od stężenia wodnego roztworu cukru

Wydział: Górnictwo i Geologia

Kierunek: Inżynieria Bezpieczeństwa

Rok akademicki 2008/2009

Grupa III

Sekcja 5

Agnieszka Saba

Małgorzata Żak

1. Wstęp teoretyczny

Światło to fala elektromagnetyczna, która polega na rozchodzeniu się zmian pola elektrycznego i magnetycznego. Wektory tych pól są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się. Jest to więc fala poprzeczna. Do określania orientacji fali elektromagnetycznej bierze się kierunek drgań pola elektrycznego. Nazywany jest on kierunkiem polaryzacji. Jeżeli drgania pola elektrycznego są w jednym kierunku to taką falę nazywamy spolaryzowaną liniowo (światło może być jeszcze spolaryzowane kołowo lub eliptycznie), jeśli drgania są w różnych kierunkach to niespolaryzowaną. Urządzenia służące do polaryzacji światła nazywamy polaryzatorami. Wykorzystują one jeden z trzech podstawowych sposobów polaryzacji światła.

Najpopularniejszymi polaryzatorami są używane przez fotografów polaroidy, specjalnie w tym celu wykonane płytki z polimerów. Pod dobrym mikroskopem można zobaczyć, że polaroid zbudowany jest z długich włókien tworzących szczeliny, przez które może przecisnąć się tylko światło o odpowiednim kierunku drgań. polaryzator przepuszcza tylko te fale, które mają kierunek drgań pola elektromagnetycznego zbliżony do kierunku wyznaczanego przez szczeliny polaryzatora, pozostałe fale są zatrzymywane.

Naturalnymi polaryzatorami występującymi w przyrodzie są tak zwane kryształy dwójłomne, np. kalcyt (szpat islandzki), turmalin lub mika. Promień światła padający na taki kryształ ulega podwójnemu załamaniu i rozdziela się na dwa promienie, załamujące się pod różnymi kątami zwane promieniem zwyczajnym i nadzwyczajnym. Obydwa te promienie są spolaryzowane, ale w płaszczyznach do siebie prostopadłych.

Światło ulega także polaryzacji (na ogół częściowej) przy odbiciu od powierzchni przezroczystych izolatorów, na przykład szkła lub wody. Całkowita polaryzacja światła odbitego zachodzi dla określonego kąta padania, zwanego kątem Brewstera. Jest to taki kąt padania, przy którym promień załamany tworzy z promieniem odbitym kąt 90°. Można wykazać, że tangens kąta Brewstera jest równy współczynnikowi załamania materiału substancji odbijającej. Dla szkła kąt ten wynosi około 55°. Przy całkowitej polaryzacji w świetle odbitym drgania pola elektrycznego odbywają się w płaszczyźnie prostopadłej do rysunku. Promień załamany jest również częściowo spolaryzowany, ale nigdy całkowicie.

Przejście światła spolaryzowanego przez polaryzator, który pełni rolę analizatora polaryzacji, to część energii niesiona przez falę zostaje pochłonięta w materiale tego polaryzatora, a fala przechodząca jest spolaryzowana zgodnie z jego kierunkiem polaryzacji. Drugi polaryzator może więc zmienić kierunek polaryzacji

Przejście światła spolaryzowanego przez polaryzator, który pełni rolę analizatora

Skręcanie płaszczyzny polaryzacji prze ośrodek optycznie czynny, analizator należy obrócić o pewien kąt, by oglądane pole było znowu jasne

światła, które nań pada. Jeżeli płaszczyzny polaryzacji są takie same, to efekt jest taki jak dla jednego polaryzatora. Drugi polaryzator więc może odgrywać rolę analizatora. Obracając go, możemy sprawdzić, czy padające na niego światło było spolaryzowane i w jakiej płaszczyźnie (światło przechodzi lub zostaje pochłonięte). Jeżeli analizator zostanie ustawiony prostopadle do polaryzatora to światło dalej nie przejdzie. Ilość światła, które przechodzi przez analizator ustawiony pod dowolnym kątem do polaryzatora, podaje prawo Malusa.

Zastosowania polaryzacji związane są z faktem, że wiele substancji organicznych to materiały "optycznie czynne". Światło spolaryzowane, przechodząc przez roztwór takiej substancji, nie ulega znaczącemu osłabieniu, ale kierunek polaryzacji zmienia się. Efekt ten nazywamy skręceniem płaszczyzny polaryzacji. Taki efekt powoduje wodny roztwór cukru. Kąt, o jaki zmienia się kierunek polaryzacji, jest proporcjonalny do długości warstwy i stężenia roztworu. Pomiary stopnia skręcenia polaryzacji wykorzystuje się do pomiaru zawartości cukru w soku wytłoczonym z buraków cukrowych.

2. Przebieg ćwiczenia

BADANIE ZALEŻNOŚCI KĄTA SKRĘCENIA PŁASZCZYZNY POLARYZACJI OD STĘŻENIA WODNEGO ROZTWORU CUKRU

• Włączamy lampę sodową.

• Kuwetę wypełnioną wodą wstawiamy do polarymetru. W rurce nie mogą się znajdować pęcherzyki powietrza. Szkiełka wlotowe muszą być idealnie czyste.

• Ustawiamy ostrość pola widzenia.

• Obracając analizatorem znajdujemy położenie odpowiadające jednakowemu oświetleniu całego pola widzenia. Odczytujemy kąt skręcenia analizatora.

• Pomiary powtarzamy trzykrotnie.

• Podobne pomiary wykonujemy dla badanych roztworów.

Tabela pomiarowa I

Badana ciecz (stężenie C [%])	Kąt skręcenia α[°]
		1	2	3	Wartość średnia
Woda destylowana [0%]	176,6°	176,8°	176,55°	176,65°
Roztwór cukru 2%	177,9°	177,9°	177,8°	177,87°
Roztwór cukru 4%	179°	179,2°	179,3°	179,17°
Roztwór cukru 6%	180,75°	180,6°	180,5°	180,62°
Roztwór cukru 8%	182,4°	182°	182,6°	182,33°
Roztwór cukru 10%	183°	183,45°	183,45°	183,3°
Roztwór cukru x%	180°	179,85°	180°	179,95°

Obliczenie stężenia badanego roztworu cukru:

Wykres

3. Błąd wyznaczenia stężenia

Błąd pomiarów obliczony metodą najmniejszych kwadratów:

4. Wnioski

Przeprowadzone doświadczenie potwierdziło, że wodny roztwór cukru jest substancją aktywnie czynną, ponieważ zachodzi w nim zjawisko skręcenia kąta płaszczyzny polaryzacji. Na podstawie przeprowadzonych pomiarów dochodzimy do wniosku, że kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji w wodnym roztworze cukru rośnie wraz ze wzrostem stężenia roztworu.

Błędy pomiaru wynikają z niedokładności użytych przyrządów oraz z niedokładności odczytu kąta odchylenia płaszczyzny polaryzacji dokonanego przez wykonujących ćwiczenie.

Szukane stężenie roztworu cukru x % wynosi

4

---