Мета роботи. Ознайомитися з будовою і принципом дії рефрактометра типу РПЛ–2, оволодіти методикою експериментального визначення показників заломлення та концентрацій

Ознайомитися з будовою і принципом дії рефрактометра типу РПЛ–2, оволодіти методикою експериментального визначення показників заломлення та концентрацій водних розчинів цукру, визначення граничних кутів, які відповідають початку повного внутрішнього відбивання від межі розділу скло – досліджуваний розчин

Для виконання лабораторної роботи студенту попередньо необхідно: знати закони геометричної оптики, фізичний зміст абсолютного і відносного показників заломлення середовища (§1.1), суть явища повного внутрішнього відбивання світла на межі розділу двох середовищ (§1.1)

Прилади і матеріали

Рефрактометр типу рпл−2, набір водних розчинів цукру різних концентрацій, фільтрувальний папір, піпетка або скляна паличка

Теоретичні відомості та опис приладу

Рефрактометр рпл−2 призначений для визначення показників заломлення рідин і розчинів. Так як показник заломлення розчину залежить від кількості розчиненої речовини (чим більша концентрація розчину, тим більший його показник заломлення), то, вимірюючи , можна визначити і концентрацію речовини в розчині, наприклад, цукру у воді.

В рефрактометрі рпл−2 значення показника заломлення розчину та відповідна концентрація розчиненої речовини у вагових процентах у водному розчині безпосередньо відображені на його шкалі.

В основі дії рефрактометра рпл−2 лежить явище повного внутрішнього відбивання. Основною частиною рефрактометра є дві призми А і В (рис. 1), які виготовлені із скла, що має назву флінт. Призма В з добре відполірованою гранню називається вимірювальною, а призма А – освітлювальною. Грань А ₁– А ₂, що повернута до призми В, є матовою. Вузький проміжок (~ 0,1 мм) між призмами заповнюється досліджуваним розчином.

Промені світла, що падають на призму А, переходять у шар розчину під різними можливими кутами (від 0⁰ до 90⁰), попадаючи на межу розділу між розчином та призмою В також під кутами від 0⁰ до 90⁰. Показник заломлення скла призми В більший від показника заломлення досліджуваного розчину, а тому в призмі В заломлені промені будуть розповсюджуватись під кутами від 0⁰ аж до граничного кута . Далі промені виходять з призми у повітря, зазнавши ще одного заломлення. На рис. 1 показано крайній промінь К–О–М–Е, що відповідає граничному куту .Якщо на шляху цього променя поставити зорову трубу, то в її окулярі побачимо поле зору, яке поділено на світлу і темну зони. Кут виходу променя К–О–М–Е з призми залежить від показників заломлення розчину і скла – , а також і від заломлюючого кута призми. Із співвідношень, які випливають із законів заломлення променів, їх геометрії і явища повного внутрішнього відбивання, можна отримати формулу:

(1)

З (1) видно, що за відомими значеннями кута і показника заломлення скла можна визначити показник заломлення розчину. Також за цією формулою градуюють шкалу відліків та рефрактометра.

Користуючись рефрактометром обчислень робити не потрібно, а лише необхідно тільки навести зорову трубу рефрактометра так, щоб три риски (- - -), які видно в її окулярі, збігались з межею між темною та світлою зонами поля зору. Після цього роблять відлік показника заломлення і концентрації розчину за шкалою, яку видно через окуляр зорової труби.

Визначивши за шкалою рефрактометра для кожного розчину значення показника заломлення та використавши відоме значення показника заломлення скла, можна обчислити граничні кути , які відповідають початку повного внутрішнього відбивання для межі розділу скло–досліджуваний розчин з формули:

. (2)

Звідки

. (3)

Рефрактометр освітлюється білим світлом. Тому, внаслідок явища дисперсії світла, межа розділу світлої і темної зон матиме кольорове забарвлення. Для усунення цього забарвлення служить дисперсійний компенсатор, який дозволяє отримати чітку межу розділу зон рідин.

Послідовність виконання роботи

1. Увімкнути рефрактометр в мережу 220 В.
2. Відкрити верхню камеру рефрактометра.
3. Витерти фільтрувальним папером поверхні вимірювальної призми В і освітлювальної А.
4. Нанести піпеткою 2–3 краплини досліджуваного розчину на чисту та суху поверхню вимірювальної призми В та плавно закрити верхню камеру.
5. Спрямувати світло через вікно верхньої камери на призму А.
6. Навести окуляр зорової труби на різке зображення шкали приладу та, користуючись компенсатором, усунути кольорове забарвлення межі розділу світлої та темної зон поля зору.
7. Пересуваючи зорову трубу, сумістити три риски (- - -) з межею між темною та світлою зонами поля зору і визначити за лівою частиною шкали показник заломлення розчину , а за правою – концентрацію розчину.
8. Для кожного з розчинів вимірювання згідно п.п. 2–7 повторити тричі.
9. Знайти середні значення показників заломлення та концентрацій розчинів і оцінити похибки вимірювань.
10. За відомими середніми значеннями показників заломлення досліджуваних розчинів та показником заломлення скла () обчислити за формулою (3) граничні кути , що відповідають початку повного внутрішнього відбивання світла для межі розділу скло–досліджуваний розчин.
11. Результати вимірювань та розрахунків записати в таблицю 1.
12. Побудувати та проаналізувати графіки залежності величини показника заломлення розчину та граничного кута від концентрації водного розчину цукру.

Таблиця 1

№ розчину	№ з/п			δ , %	С, %	Δ С	δС,%
сер.
сер.
сер.
сер.

Контрольні запитання

1. Сформулюйте основні закони геометричної оптики.
2. Що називається абсолютним і відносним показниками заломлення середовища та який їх фізичний зміст?
3. Який принцип дії рефрактометра РПЛ–2?
4. Поясніть суть явища повного внутрішнього відбивання.
5. Який кут називається граничним кутом?
6. Чому виникає та як усунути кольорове забарвлення межі поля зору в рефрактометрі при використанні для його роботи білого світла?