基本信息
- 項目名稱：
- 旋光色散現(xiàn)象研究與旋光度的精確測量
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本文在WXG-4型目視旋光儀上用不同波長的光源研究了蔗糖溶液旋光色散現(xiàn)象，并用FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀精確測量蔗糖溶液的旋光度，把兩者的數(shù)據(jù)進行了對比分析。
- 詳細介紹：
- 一、實驗原理： 線偏振光通過某些晶體或某些物質(zhì)的溶液后，偏振光的偏振面將旋轉一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。旋轉的角度α稱為旋光度（或旋光角），能夠使偏振光的偏振面發(fā)生偏轉的物質(zhì)稱為旋光性物質(zhì)。旋光性物質(zhì)分為兩類：迎著射來的光線看去，如果旋光性物質(zhì)使振動面順時針旋轉，那么這種物質(zhì)稱為右旋物質(zhì)，如葡萄糖、麥芽糖、蔗糖的水溶液；反之，如果振動面逆時針旋轉，這種物質(zhì)稱為左旋物質(zhì)，如轉化糖、果糖的水溶液。不同波長的光在同一旋光性物質(zhì)中旋光率不同，這種現(xiàn)象稱為旋光色散現(xiàn)象。 對溶液，旋光度 與光線在溶液中通過的距離L和其濃度有關。 即： 式中 是該溶液的旋光率，單位是 。 由于溫度對旋光物質(zhì)的旋光率有關，實驗表明在室溫條件下溫度每升高（降低）一攝氏度其旋光率約減?。ɑ蛟黾樱?.024 ，因此溫度對實驗的誤差將產(chǎn)生很大影響。本實驗不中斷地在室溫10.5℃的條件下進行，降低溫度帶來的影響。 二、實驗儀器簡介： 1、四種不同波長的光源：橙光：610nm、黃光：570nm、綠光：530nm和藍光：450nm。 2、WXG-4型目視旋光儀簡介： 該儀器讀數(shù)采用雙游標讀數(shù)，以消除度盤的偏心差。度盤等分360格，分度值為1°，角游標的分度值為0.05°。儀器在視場中采用了半蔭法比較兩束光的亮度，減小在亮度較弱的情況下的人為誤差。其配有波長為589.4nm的鈉光燈。 3、FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀簡介： 該儀器主要有導軌滑塊光學部件、兩個控制主機、直流可調(diào)穩(wěn)壓電源以及手提零件箱組成，光學導軌上有五個滑塊：激光器、起偏器、檢偏器、支撐架、測角器（含偏振片）和光電探測器。 1) 、光源及照明系統(tǒng)：光源采用波長650nm的半導體激光器，輸出功率穩(wěn)定度<5%。 2) 、起偏器: 轉動角度：0°-360°，分辨率1°。 3)、 測角器（檢偏）：將偏振片裝在一個可以手動旋轉的精密刻度盤上，外盤轉動角：0°-360°，分辨率1°。測微頭移動量程：0-10mm,分辨率0.01mm。 4)、 接收裝置：光電探測器，有四個量程，最小分辨率0.001 W。 三、實驗操作步驟 1、蔗糖溶液配制： 用分析天平稱量25.29193g蔗糖，在室溫下用100ml的容量瓶配置成濃度為0.2529193g/ml的蔗糖水溶液。將配好的溶液裝入清洗干凈并晾干的0.5dm長的測試管，供實驗使用。 2、光源波長與蔗糖溶液旋光度關系的研究。 本實驗具有6種波長不同的光源：半導體激光器（650nm）、橙光光源(610nm)、鈉黃光光源(589.4nm)、黃光光源(570nm)、綠光光源(530nm)和藍光光源(450nm)。 1）接通WXG-4型目視旋光儀的電源，預熱10分鐘后（鈉光燈），測定參考視場的位置。記下三分視場剛好消失并且整個視場變?yōu)檩^暗的黃色時左右兩游標的讀數(shù) 、 ，取平均值，連續(xù)測6組，求出零點位置。 2）將裝有配置好的蔗糖溶液的測試管放入的試管筒內(nèi)，試管的凸起部分朝上，以便存放管內(nèi)殘存的氣泡。 3）調(diào)節(jié)望遠鏡調(diào)焦手輪，使三分視場清晰，記下三分視場剛好消失并且整個視場變?yōu)檩^暗的黃色時左右兩游標的讀數(shù) 、 ，取平均值，連續(xù)測6組，求出終點位置。 4）數(shù)據(jù)計入表1。利用公式：旋光度=終點-零點，算出鈉黃光做光源時蔗糖溶液的旋光度。 5）取下WXG-4型目視旋光儀的鈉光燈，分別用橙光光源、黃光光源、綠光光源和藍光光源替代，重復1)- 4)步驟，數(shù)據(jù)計入表2、表3、表4和表5中。 6）用半導體激光器光源做光源在WXG-4型目視旋光儀上進行實驗，實驗時發(fā)現(xiàn)無法觀察到清晰的三分視場，只有明和暗兩種視場。未放置溶液時調(diào)節(jié)度盤轉動手輪，記下完全出現(xiàn)暗視場時記下左右兩游標的讀數(shù)。放入溶液后，同樣用同樣的方法記下游標的讀數(shù)。數(shù)據(jù)計入表6。 3、在FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀上精確測量蔗糖溶液的旋光率。 I、將半導體激光器（與旋光儀保持一致）、起偏器、裝有配置好的蔗糖溶液的測試管、檢偏器和光電接收器依次放置在光學導軌上，使激光能夠依次通過起偏器、測試管、檢偏器的中心，并能夠被光電接收器接收。開啟電源后用正交消光法消光，為減少回程誤差，在稍比光電接收器最小讀數(shù)大的兩個讀數(shù)出現(xiàn)時，記下測微頭的位置 、 ，取平均值，連續(xù)測6組，求出零點位置。放入蔗糖溶液，調(diào)節(jié)檢偏器再次達到消光狀態(tài)，用同樣方法記下測微頭的讀數(shù) 、 ，連續(xù)測6組，求出終點位置。數(shù)據(jù)計入表7。 II、檢偏器定標。外轉盤的最小刻度為1°，測微頭的最小讀數(shù)為0.01mm，在所測的近似范圍內(nèi)，角位移和直線位移是線性的，所以可通過測量外轉盤轉動10°時測微頭所移動的距離，找出測微頭移動單位長度時外盤對應的角位移，數(shù)據(jù)計入表7。 Ⅲ、由上兩步，旋光度的計算公式為：旋光度＝測微頭移動的距離×測微頭移動單位長度時外轉盤的角位移。 四、實驗數(shù)據(jù)處理與分析 表1、在WXG-4型目視旋光儀上用鈉黃光（波長589.4nm）做光源測蔗糖溶液旋光度測量數(shù)據(jù) 旋光度/° 次數(shù) 1 178.40 178.45 7.30 7.35 2 178.35 178.40 7.35 7.40 3 178.45 178.45 7.30 7.35 4 178.40 178.45 7.30 7.35 5 178.35 178.40 7.35 7.40 6 178.45 178.50 7.35 7.40 平均值 178.42（零點） 7.35（終點） 旋光度/° 8.93±0.05 表2、在WXG-4型目視旋光儀上用橙光（波長為610nm）做光源測蔗糖溶液旋光度測量數(shù)據(jù) 旋光度/° 次數(shù) 1 178.50 178.55 7.30 7.35 2 178.65 178.70 7.25 7.30 3 178.65 178.70 7.30 7.35 4 178.60 178.65 7.25 7.30 5 178.70 178.70 7.20 7.20 6 178.60 178.65 7.25 7.30 平均值 178.64（零點） 7.28（終點） 旋光度/° 8.64±0.09 表3、在WXG-4型目視旋光儀上用黃光（波長為570nm）做光源測蔗糖溶液旋光度測量數(shù)據(jù) 旋光度/° 次數(shù) 1 177.65 177.65 8.05 8.10 2 177.70 177.75 8.00 8.05 3 177.65 177.70 8.10 8.15 4 177.70 177.70 8.10 8.15 5 177.70 177.75 8.10 8.10 6 177.65 177.70 8.00 8.05 平均值 177.69（零點） 8.08（終點） 旋光度/° 10.39±0.06 表4、在WXG-4型目視旋光儀上用綠光（波長為530nm）做光源測蔗糖溶液旋光度測量數(shù)據(jù) 旋光度/° 次數(shù) 1 177.75 177.80 9.00 9.05 2 177.80 177.85 9.05 9.10 3 177.85 177.85 8.95 9.00 4 177.80 177.85 8.90 8.95 5 177.85 177.90 8.95 9.00 6 177.80 177.80 8.90 8.95 平均值 177.82（零點） 8.98（終點） 旋光度/° 11.16±0.05 表5、在WXG-4型目視旋光儀上用藍光（波長為450nm）做光源測蔗糖溶液旋光度測量數(shù)據(jù) 旋光度/° 次數(shù) 1 2.30 2.35 15.20 15.25 2 2.20 2.20 15.00 15.00 3 2.15 2.20 15.10 15.15 4 2.30 2.35 15.00 15.00 5 2.40 2.45 15.25 15.25 6 2.40 2.40 15.20 15.20 平均值 2.31（零點） 15.12（終點） 旋光度/° 12.81±0.11 表6、在WXG-4型目視旋光儀上用半導體激光器（波長650nm）做光源測蔗糖溶液旋光度測量數(shù)據(jù) 旋光度/° 次數(shù) 1 177.75 177.80 5.05 5.10 2 177.65 177.70 5.15 5.20 3 177.70 177.75 5.05 5.10 4 177.65 177.70 5.10 5.10 5 177.75 177.80 5.10 5.15 6 177.70 177.75 5.05 5.05 平均值 177.73（零點） 5.10（終點） 旋光度/° 7.37±0.08 表7、在FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀上測蔗糖溶液的旋光度 測微頭移動距離/mm 次數(shù) 1 1.972 1.955 4.192 4.160 2 1.971 1.948 4.200 4.155 3 1.980 1.950 4.192 4.155 4 1.975 1.949 4.200 4.152 5 1.978 1.950 4.201 4.160 6 1.980 1.948 4.198 4.165 平均值 1.963（零點） 4.178（終點） 測微頭移動距離 2.215 表8、檢偏器定標 次數(shù) 外盤轉動角度/(°) 測微頭移動距離/mm 1 10 3.025 2 10 3.024 3 10 3.018 4 10 3.030 5 10 3.017 6 10 3.016 平均值 10 3.022 由表1至表6得到不同波長光源下測量蔗糖溶液的旋光度關系如下表9： 表9、光源波長與蔗糖溶液的旋光度關系 光源波長 旋光度 450nm 12.81°±0.11° 530nm 11.16°±0.05° 570nm 10.39°±0.06° 589.4nm 8.93°±0.05° 610nm 8.64°±0.09° 650nm 7.37°±0.08° 由表9數(shù)據(jù)作出“波長與蔗糖溶液旋光度的關系”如圖2所示： 圖2、波長與蔗糖溶液旋光度的關系 通過以上分析可發(fā)現(xiàn)，在同樣溫度下，蔗糖溶液的旋光度與光源波長有關，即旋光色散現(xiàn)象與波長的關系為：波長越長，旋光率越小，且基本滿足線性關系：y=-0.0276x+25.537。 由表8數(shù)據(jù)算出檢偏器外盤轉動10°，測微頭移動距離3.022mm。結合表7數(shù)據(jù)計算出在FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀上測得蔗糖溶液的旋光度為7.329°±0.012°，與表6測得數(shù)據(jù)進行比較，得到了更為精確的旋光度數(shù)據(jù)。 五、結論 不同波長的光源下，測得蔗糖溶液的旋光度不同，既是旋光溶液的旋光色散現(xiàn)象。本實驗用6種光源進行了實驗，發(fā)現(xiàn)光源波長越長，旋光率越?。ɑ蛘哒f光源頻率越低，旋光率越小），并得出兩者之間的關系式。 常用測量物質(zhì)旋光度的儀器是WXG-4型目視旋光儀，本實驗另辟蹊徑利用FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀檢偏器測微頭的高分辨率測量自制蔗糖水溶液的旋光度，得到更精確的結果。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目 的：研究不同波長的光源下的旋光色散現(xiàn)象，并通過FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀精確測量蔗糖溶液的旋光度。 基本思路：在WXG-4型目視旋光儀上分別用半導體激光器、橙光光源、鈉黃光光源、黃光光源、綠光光源和藍光光源做為光源測量蔗糖溶液的旋光度。然后在FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀上測量蔗糖溶液的旋光度。并把在兩類儀器上測得的旋光度進行比較。
科學性、先進性及獨特之處
- 蔗糖溶液是旋光性物質(zhì)，WXG-4型目視旋光儀可測出其旋光度，通過改變旋光儀的光源，就可以測出不同波長光源對蔗糖溶液旋光度的影響，即旋光色散現(xiàn)象的研究，測量方便、數(shù)據(jù)準確；設計實驗方案，利用FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀高的分辨率可以測量更精確的旋光度。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 本實驗創(chuàng)新地在WXG-4型目視旋光儀上，用不同的光源研究旋光色散現(xiàn)象，并在FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀上借助其高的分辨率測得配制的蔗糖溶液的旋光度；設計增加光源的數(shù)量，測出不同波長下溶液的旋光度，擬合出一條入射波長與蔗糖溶液旋光度的關系曲線，得到兩者關系的經(jīng)驗公式。當需要測量入射光波長時，可以通過先測量蔗糖溶液旋光度，借助經(jīng)驗公式，反推出入射光的波長，由此設計出一種快速測量波長的儀器。
學術論文摘要
- 1、利用FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀光功率計的高分辨率，精確求出蔗糖溶液的旋光度。 2、通過設計增加光源的數(shù)量，測出不同波長下溶液的旋光度，擬合出一條入射波長與蔗糖溶液旋光度的關系曲線，解決了入射波長與蔗糖溶液旋光度的關系沒有計算公式的問題。當需要測量入射光波長時，可以通過先測量蔗糖溶液旋光度，借助經(jīng)驗公式，反推出入射光的波長，由此可設計出一種快速測量波長的儀器。
獲獎情況
- 無
鑒定結果
- 精確求出蔗糖溶液的旋光度；通過設計增加光源的數(shù)量，測出不同波長下溶液的旋光度，擬合出一條入射波長與蔗糖溶液旋光度的關系曲線，解決了入射波長與蔗糖溶液旋光度的關系沒有計算公式的問題。
參考文獻
- 【1】鐘紅梅等，WXG-4型旋光儀測定旋光度操作方法[J]，河北化工，分析與測試，2008年，第31卷，11-12. 【2】劉竹琴等，用激光測量蔗糖溶液的旋光率及其濃度[J]，大學物理，2007年，第26卷（第10期），38-39.59. 【3】孫昕等，法拉第效應實驗裝置中光路的設計[J]，物理實驗，2005年，第25卷（第3期），37-38。 【4】竇寅豐，基于旋光色散原理的波長鑒別技術研究[D]，黑龍江大學，2010年。
同類課題研究水平概述
- 本實驗創(chuàng)新點在WXG-4型目視旋光儀上，用不同的光源研究旋光色散現(xiàn)象，并在FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀上借助其高的分辨率測得配制的蔗糖溶液的旋光度，最終得到的結果符合預期。實驗方法是別人沒用過的，符合競賽的主旨。 在查閱資料的過程中，發(fā)現(xiàn)對于旋光色散現(xiàn)象，人們只限于對表面現(xiàn)象的理解，并沒有實際探討旋光色散現(xiàn)象與入射光波長的關系，本實驗在WXG-4型目視旋光儀的基礎上改變?nèi)肷洳ㄩL，得出光源波長越長，旋光率越小的結論，并求得兩者的關系經(jīng)驗公式：y=-0.0276x+25.537。與此同時，我們設計利用FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀高的分辨率測得配制的蔗糖溶液的旋光度，彌補了WXG-4型目視旋光儀的不足，也擴展了FD-MOC-A磁光效應綜合實驗儀的應用范圍。
