Лабораторна робота № 22. Визначення показника заломлення рідини та концентрації розчину за допомогою рефрактометра

Мета роботи – вивчити метод визначення показника заломлення рідини за допомогою рефрактометра. Визначити невідому концентрацію водного розчину цукру.

Вказівки до виконання лабораторної роботи

Для виконання лабораторної роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: основні закони геометричної оптики, явище повного внутрішнього відбиття.

[1, т.3, §§ 2.1, 2.2; 2, §§ 165; 3, розд. 8, §§ 2; 4. т.2, §§ 115]

Для визначення показника заломлення рідини за допомогою рефрактометра використовується явище повного внутрішнього відбиття світла.

Головними оптичними елементами рефрактометра є дві призми (рис. 22.1), виготовлені зі скла (флінтглас, n=1,72) та лінзи, яка використовується як лупа.

Ребра КF призми А та NC призми В паралельні та розташовані досить близько одне до одного. Ребро NC призми В є матованим. Призма А – освітлювальна. Вона забезпечує надходження світла від джерела на тонкий шар рідини, розташований між двома призмами. Таким чином, світло, яке проходить крізь призму А, потрапляє у шар рідини та виходить з нього під різними кутами, деякі промені під кутом . Такі промені повинні вийти з рідини під граничним кутом. Променів світла праворуч від цього променя (граничний кут) не буде видно. Спостерігач, який розглядає ребро CD призми В у лупу, побачить: праворуч від граничного кута темну зону, ліворуч – освітлену зону.

Для граничного кута повного внутрішнього відбиття має місце вираз:

.

Тобто:

.

Таким чином, граничний кут залежить від показника заломлення рідини, яка у свою чергу залежить від концентрації розчину.

Вважаючи, що при виході з призми промінь заломлюється вдруге та те, що напрямок його розповсюдження залежить від кута призми σ, остаточна формула для розрахунку показника заломлення розчину має вигляд:

.

Наведена формула є розрахунковою тільки для цієї конструкції рефрактометра.

Під час роботи з приладом, слід визначити показник заломлення та концентрацію розчину на основі вимірювання положення межі між світлою і темною зонами.

Прилади: рефрактометр; розчини цукру відомої та невідомої концентрації; допоміжні інструменти для здійснення експерименту.

Хід роботи

1. Освітлювальну призму рефрактометра відхилити на певний кут та піпеткою нанести на поверхню призми B дві–три краплини цукрового розчину відомої концентрації.

2. Призму A притиснути до призми B (шар рідини між призмами становить 0,1 мм).

3. Рефрактометр розташувати так, щоб світло потрапляло на освітлювальну призму.

4. Крізь лупу спостерігати межу між світлою й темною зонами та шкалу приладу. Якщо ця межа виглядає як різнокольорова смуга, зробити її монохромною за допомогою гвинта-компенсатора, який розташований ліворуч лупи.

5. Отримати чітке зображення, почати виміри. Для цього перемістити спеціальний важіль та досягнути збігу в полі зору трьох рисок на межі світлої та темної зони. За шкалою приладу визначити показник заломлення рідини.

6. Виміри в такій самій послідовності провести з розчинами невідомої концентрації та дистильованої води.

7. Побудувати графік залежності відомої концентрації розчину від відповідних значень показників заломлення (за даними приладу).

8. Користуючись наявним графіком та показником заломлення невідомої концентрації розчину визначити її концентрацію.

Контрольні запитання

1. У чому полягає явище повного внутрішнього відбиття?

2. Побудувати хід променів в призмах рефрактометра.

3. Пояснити зв’язок між показником заломлення рідини, її концентрацією та граничним кутом повного внутрішнього відбиття.