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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
- 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(yīng)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(xì)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(zhuǎn)一定的角度，這種現(xiàn)象稱為旋光現(xiàn)象。旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)，這種物質(zhì)稱為左旋物質(zhì)，如轉(zhuǎn)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(guān)。 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(guān)，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小（或增加）0.024 ，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(lán)光：450nm。 2、WXG-4型目視旋光儀簡介： 該儀器讀數(shù)采用雙游標(biāo)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(biāo)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(yīng)綜合實驗儀簡介： 該儀器主要有導(dǎo)軌滑塊光學(xué)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(xué)導(dǎo)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(dǎo)體激光器，輸出功率穩(wěn)定度<5%。 2) 、起偏器: 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的精密刻度盤上，外盤轉(zhuǎn)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(guān)系的研究。 本實驗具有6種波長不同的光源：半導(dǎo)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(lán)光光源(450nm)。 1）接通WXG-4型目視旋光儀的電源，預(yù)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(biāo)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(yuǎn)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(biāo)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(lán)光光源替代，重復(fù)1)- 4)步驟，數(shù)據(jù)計入表2、表3、表4和表5中。 6）用半導(dǎo)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(zhuǎn)動手輪，記下完全出現(xiàn)暗視場時記下左右兩游標(biāo)的讀數(shù)。放入溶液后，同樣用同樣的方法記下游標(biāo)的讀數(shù)。數(shù)據(jù)計入表6。 3、在FD-MOC-A磁光效應(yīng)綜合實驗儀上精確測量蔗糖溶液的旋光率。 I、將半導(dǎo)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(xué)導(dǎo)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(biāo)。外轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)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(lán)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(dǎo)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(yīng)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(biāo) 次數(shù) 外盤轉(zhuǎn)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(guān)系如下表9： 表9、光源波長與蔗糖溶液的旋光度關(guān)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(guān)系”如圖2所示： 圖2、波長與蔗糖溶液旋光度的關(guān)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(guān)，即旋光色散現(xiàn)象與波長的關(guān)系為：波長越長，旋光率越小，且基本滿足線性關(guān)系：y=-0.0276x+25.537。 由表8數(shù)據(jù)算出檢偏器外盤轉(zhuǎn)動10°，測微頭移動距離3.022mm。結(jié)合表7數(shù)據(jù)計算出在FD-MOC-A磁光效應(yīng)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(jié)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?。⒌贸鰞烧咧g的關(guān)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(yīng)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(jié)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(yīng)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(dǎo)體激光器、橙光光源、鈉黃光光源、黃光光源、綠光光源和藍(lán)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(yīng)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(xué)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(zhǔn)確；設(shè)計實驗方案，利用FD-MOC-A磁光效應(yīng)綜合實驗儀高的分辨率可以測量更精確的旋光度。
應(yīng)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(yīng)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(shè)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(guān)系曲線，得到兩者關(guān)系的經(jīng)驗公式。當(dāng)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(shè)計出一種快速測量波長的儀器。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 1、利用FD-MOC-A磁光效應(yīng)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(shè)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(guān)系曲線，解決了入射波長與蔗糖溶液旋光度的關(guān)系沒有計算公式的問題。當(dāng)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(shè)計出一種快速測量波長的儀器。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 精確求出蔗糖溶液的旋光度；通過設(shè)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(guān)系曲線，解決了入射波長與蔗糖溶液旋光度的關(guān)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(xué)物理，2007年，第26卷（第10期），38-39.59. 【3】孫昕等，法拉第效應(yīng)實驗裝置中光路的設(shè)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(shù)研究[D]，黑龍江大學(xué)，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(yīng)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(jié)果符合預(yù)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(guān)系，本實驗在WXG-4型目視旋光儀的基礎(chǔ)上改變?nèi)肷洳ㄩL，得出光源波長越長，旋光率越小的結(jié)論，并求得兩者的關(guān)系經(jīng)驗公式：y=-0.0276x+25.537。與此同時，我們設(shè)計利用FD-MOC-A磁光效應(yīng)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(yīng)綜合實驗儀的應(yīng)用范圍。
