基本信息
- 项目名称：
- 旋光色散现象研究与旋光度的精确测量
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本文在WXG-4型目视旋光仪上用不同波长的光源研究了蔗糖溶液旋光色散现象，并用FD-MOC-A磁光效应综合实验仪精确测量蔗糖溶液的旋光度，把两者的数据进行了对比分析。
- 详细介绍：
- 一、实验原理： 线偏振光通过某些晶体或某些物质的溶液后，偏振光的偏振面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。旋转的角度α称为旋光度（或旋光角），能够使偏振光的偏振面发生偏转的物质称为旋光性物质。旋光性物质分为两类：迎着射来的光线看去，如果旋光性物质使振动面顺时针旋转，那么这种物质称为右旋物质，如葡萄糖、麦芽糖、蔗糖的水溶液；反之，如果振动面逆时针旋转，这种物质称为左旋物质，如转化糖、果糖的水溶液。不同波长的光在同一旋光性物质中旋光率不同，这种现象称为旋光色散现象。 对溶液，旋光度 与光线在溶液中通过的距离L和其浓度有关。 即： 式中 是该溶液的旋光率，单位是 。 由于温度对旋光物质的旋光率有关，实验表明在室温条件下温度每升高（降低）一摄氏度其旋光率约减小（或增加）0.024 ，因此温度对实验的误差将产生很大影响。本实验不中断地在室温10.5℃的条件下进行，降低温度带来的影响。 二、实验仪器简介： 1、四种不同波长的光源：橙光：610nm、黄光：570nm、绿光：530nm和蓝光：450nm。 2、WXG-4型目视旋光仪简介： 该仪器读数采用双游标读数，以消除度盘的偏心差。度盘等分360格，分度值为1°，角游标的分度值为0.05°。仪器在视场中采用了半荫法比较两束光的亮度，减小在亮度较弱的情况下的人为误差。其配有波长为589.4nm的钠光灯。 3、FD-MOC-A磁光效应综合实验仪简介： 该仪器主要有导轨滑块光学部件、两个控制主机、直流可调稳压电源以及手提零件箱组成，光学导轨上有五个滑块：激光器、起偏器、检偏器、支撑架、测角器（含偏振片）和光电探测器。 1) 、光源及照明系统：光源采用波长650nm的半导体激光器，输出功率稳定度<5%。 2) 、起偏器: 转动角度：0°-360°，分辨率1°。 3)、 测角器（检偏）：将偏振片装在一个可以手动旋转的精密刻度盘上，外盘转动角：0°-360°，分辨率1°。测微头移动量程：0-10mm,分辨率0.01mm。 4)、 接收装置：光电探测器，有四个量程，最小分辨率0.001 W。 三、实验操作步骤 1、蔗糖溶液配制： 用分析天平称量25.29193g蔗糖，在室温下用100ml的容量瓶配置成浓度为0.2529193g/ml的蔗糖水溶液。将配好的溶液装入清洗干净并晾干的0.5dm长的测试管，供实验使用。 2、光源波长与蔗糖溶液旋光度关系的研究。 本实验具有6种波长不同的光源：半导体激光器（650nm）、橙光光源(610nm)、钠黄光光源(589.4nm)、黄光光源(570nm)、绿光光源(530nm)和蓝光光源(450nm)。 1）接通WXG-4型目视旋光仪的电源，预热10分钟后（钠光灯），测定参考视场的位置。记下三分视场刚好消失并且整个视场变为较暗的黄色时左右两游标的读数 、 ，取平均值，连续测6组，求出零点位置。 2）将装有配置好的蔗糖溶液的测试管放入的试管筒内，试管的凸起部分朝上，以便存放管内残存的气泡。 3）调节望远镜调焦手轮，使三分视场清晰，记下三分视场刚好消失并且整个视场变为较暗的黄色时左右两游标的读数 、 ，取平均值，连续测6组，求出终点位置。 4）数据计入表1。利用公式：旋光度=终点-零点，算出钠黄光做光源时蔗糖溶液的旋光度。 5）取下WXG-4型目视旋光仪的钠光灯，分别用橙光光源、黄光光源、绿光光源和蓝光光源替代，重复1)- 4)步骤，数据计入表2、表3、表4和表5中。 6）用半导体激光器光源做光源在WXG-4型目视旋光仪上进行实验，实验时发现无法观察到清晰的三分视场，只有明和暗两种视场。未放置溶液时调节度盘转动手轮，记下完全出现暗视场时记下左右两游标的读数。放入溶液后，同样用同样的方法记下游标的读数。数据计入表6。 3、在FD-MOC-A磁光效应综合实验仪上精确测量蔗糖溶液的旋光率。 I、将半导体激光器（与旋光仪保持一致）、起偏器、装有配置好的蔗糖溶液的测试管、检偏器和光电接收器依次放置在光学导轨上，使激光能够依次通过起偏器、测试管、检偏器的中心，并能够被光电接收器接收。开启电源后用正交消光法消光，为减少回程误差，在稍比光电接收器最小读数大的两个读数出现时，记下测微头的位置 、 ，取平均值，连续测6组，求出零点位置。放入蔗糖溶液，调节检偏器再次达到消光状态，用同样方法记下测微头的读数 、 ，连续测6组，求出终点位置。数据计入表7。 II、检偏器定标。外转盘的最小刻度为1°，测微头的最小读数为0.01mm，在所测的近似范围内，角位移和直线位移是线性的，所以可通过测量外转盘转动10°时测微头所移动的距离，找出测微头移动单位长度时外盘对应的角位移，数据计入表7。 Ⅲ、由上两步，旋光度的计算公式为：旋光度＝测微头移动的距离×测微头移动单位长度时外转盘的角位移。 四、实验数据处理与分析 表1、在WXG-4型目视旋光仪上用钠黄光（波长589.4nm）做光源测蔗糖溶液旋光度测量数据 旋光度/° 次数 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（零点） 7.35（终点） 旋光度/° 8.93±0.05 表2、在WXG-4型目视旋光仪上用橙光（波长为610nm）做光源测蔗糖溶液旋光度测量数据 旋光度/° 次数 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（零点） 7.28（终点） 旋光度/° 8.64±0.09 表3、在WXG-4型目视旋光仪上用黄光（波长为570nm）做光源测蔗糖溶液旋光度测量数据 旋光度/° 次数 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（零点） 8.08（终点） 旋光度/° 10.39±0.06 表4、在WXG-4型目视旋光仪上用绿光（波长为530nm）做光源测蔗糖溶液旋光度测量数据 旋光度/° 次数 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（零点） 8.98（终点） 旋光度/° 11.16±0.05 表5、在WXG-4型目视旋光仪上用蓝光（波长为450nm）做光源测蔗糖溶液旋光度测量数据 旋光度/° 次数 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（零点） 15.12（终点） 旋光度/° 12.81±0.11 表6、在WXG-4型目视旋光仪上用半导体激光器（波长650nm）做光源测蔗糖溶液旋光度测量数据 旋光度/° 次数 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（零点） 5.10（终点） 旋光度/° 7.37±0.08 表7、在FD-MOC-A磁光效应综合实验仪上测蔗糖溶液的旋光度 测微头移动距离/mm 次数 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（零点） 4.178（终点） 测微头移动距离 2.215 表8、检偏器定标 次数 外盘转动角度/(°) 测微头移动距离/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得到不同波长光源下测量蔗糖溶液的旋光度关系如下表9： 表9、光源波长与蔗糖溶液的旋光度关系 光源波长 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数据作出“波长与蔗糖溶液旋光度的关系”如图2所示： 图2、波长与蔗糖溶液旋光度的关系 通过以上分析可发现，在同样温度下，蔗糖溶液的旋光度与光源波长有关，即旋光色散现象与波长的关系为：波长越长，旋光率越小，且基本满足线性关系：y=-0.0276x+25.537。 由表8数据算出检偏器外盘转动10°，测微头移动距离3.022mm。结合表7数据计算出在FD-MOC-A磁光效应综合实验仪上测得蔗糖溶液的旋光度为7.329°±0.012°，与表6测得数据进行比较，得到了更为精确的旋光度数据。 五、结论 不同波长的光源下，测得蔗糖溶液的旋光度不同，既是旋光溶液的旋光色散现象。本实验用6种光源进行了实验，发现光源波长越长，旋光率越小（或者说光源频率越低，旋光率越小），并得出两者之间的关系式。 常用测量物质旋光度的仪器是WXG-4型目视旋光仪，本实验另辟蹊径利用FD-MOC-A磁光效应综合实验仪检偏器测微头的高分辨率测量自制蔗糖水溶液的旋光度，得到更精确的结果。
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撰写目的和基本思路
- 目 的：研究不同波长的光源下的旋光色散现象，并通过FD-MOC-A磁光效应综合实验仪精确测量蔗糖溶液的旋光度。 基本思路：在WXG-4型目视旋光仪上分别用半导体激光器、橙光光源、钠黄光光源、黄光光源、绿光光源和蓝光光源做为光源测量蔗糖溶液的旋光度。然后在FD-MOC-A磁光效应综合实验仪上测量蔗糖溶液的旋光度。并把在两类仪器上测得的旋光度进行比较。
科学性、先进性及独特之处
- 蔗糖溶液是旋光性物质，WXG-4型目视旋光仪可测出其旋光度，通过改变旋光仪的光源，就可以测出不同波长光源对蔗糖溶液旋光度的影响，即旋光色散现象的研究，测量方便、数据准确；设计实验方案，利用FD-MOC-A磁光效应综合实验仪高的分辨率可以测量更精确的旋光度。
应用价值和现实意义
- 本实验创新地在WXG-4型目视旋光仪上，用不同的光源研究旋光色散现象，并在FD-MOC-A磁光效应综合实验仪上借助其高的分辨率测得配制的蔗糖溶液的旋光度；设计增加光源的数量，测出不同波长下溶液的旋光度，拟合出一条入射波长与蔗糖溶液旋光度的关系曲线，得到两者关系的经验公式。当需要测量入射光波长时，可以通过先测量蔗糖溶液旋光度，借助经验公式，反推出入射光的波长，由此设计出一种快速测量波长的仪器。
学术论文摘要
- 1、利用FD-MOC-A磁光效应综合实验仪光功率计的高分辨率，精确求出蔗糖溶液的旋光度。 2、通过设计增加光源的数量，测出不同波长下溶液的旋光度，拟合出一条入射波长与蔗糖溶液旋光度的关系曲线，解决了入射波长与蔗糖溶液旋光度的关系没有计算公式的问题。当需要测量入射光波长时，可以通过先测量蔗糖溶液旋光度，借助经验公式，反推出入射光的波长，由此可设计出一种快速测量波长的仪器。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 精确求出蔗糖溶液的旋光度；通过设计增加光源的数量，测出不同波长下溶液的旋光度，拟合出一条入射波长与蔗糖溶液旋光度的关系曲线，解决了入射波长与蔗糖溶液旋光度的关系没有计算公式的问题。
参考文献
- 【1】钟红梅等，WXG-4型旋光仪测定旋光度操作方法[J]，河北化工，分析与测试，2008年，第31卷，11-12. 【2】刘竹琴等，用激光测量蔗糖溶液的旋光率及其浓度[J]，大学物理，2007年，第26卷（第10期），38-39.59. 【3】孙昕等，法拉第效应实验装置中光路的设计[J]，物理实验，2005年，第25卷（第3期），37-38。 【4】窦寅丰，基于旋光色散原理的波长鉴别技术研究[D]，黑龙江大学，2010年。
同类课题研究水平概述
- 本实验创新点在WXG-4型目视旋光仪上，用不同的光源研究旋光色散现象，并在FD-MOC-A磁光效应综合实验仪上借助其高的分辨率测得配制的蔗糖溶液的旋光度，最终得到的结果符合预期。实验方法是别人没用过的，符合竞赛的主旨。 在查阅资料的过程中，发现对于旋光色散现象，人们只限于对表面现象的理解，并没有实际探讨旋光色散现象与入射光波长的关系，本实验在WXG-4型目视旋光仪的基础上改变入射波长，得出光源波长越长，旋光率越小的结论，并求得两者的关系经验公式：y=-0.0276x+25.537。与此同时，我们设计利用FD-MOC-A磁光效应综合实验仪高的分辨率测得配制的蔗糖溶液的旋光度，弥补了WXG-4型目视旋光仪的不足，也扩展了FD-MOC-A磁光效应综合实验仪的应用范围。
