Home » Методична

Методична

12 Червня, 2024

Методична вказівка до практичного заняття

для студентів І курсу фармацевтичного факультету

ЗАНЯТТЯ №4 (практичне)

Тема заняття: елементи хвильової оптики.

Тема1: Поляризація світла.

Тема2: Хвильові властивості світла.

Тема 3: Спектральні прилади.

Кількість годин: 6 годин

Місце проведення: фізична лабораторія.

Мета: Вивчити явища поляризації, дисперсії, поглинання, розсіювання світла. Навчитися аналізувати ці оптичні процеси та розрахувати їх характеристики.

Професійна орієнтація студентів.

Світлова хвиля, проходячи крізь речовину, викликає вимушені коливання електронів та іонів. Внаслідок цього спостерігається низка процесів, найбільш важливими з яких є дисперсія, поглинання та розсіяння світла.

Поляриметричний метод визначення вмісту оптично-активних речовин (поляриметрія) широко використовується в біофізичних дослідженнях. По величині кута повороту площини поляризації визначають оптичну активність певних білків в крові з метою діагностики раку, концентрацію цукру у сечовині, що служить діагностичним показником для діагностики цукрового діабету. Поляриметрія застосовується також як метод дослідження структурних перетворень, зокрема в молекулярній біофізиці.

Теплове випромінювання властиве всім тілам і виникає при будь – яких температурах вище 0 К. В залежності від температури тіла змінюється інтенсивність випромінювання і його спектральний склад. Найбільш потужним джерелом теплового випромінювання є Сонце. Саме завдяки його тепловому випромінюванню існує життя на Землі. Інфрачервоне та ультрафіолетове випромінювання широко використовується у медицині та фармації.

Програма самопідготовки:

Тема 1:

1. Поляризоване світло і його властивості.

2. Призма Ніколя, хід променів в ній.

3. Формула Малюса, закони Біо і Брюстера.

Тема 2:

1. Поглинання світла. Закон Бугера-Ламберта.

2. Дисперсія світла. Дисперсійний спектр. Призмові спектральні прилади.

3. Закон Бера. Абсорбційний спектральний аналіз.

4. Розсіяння світла. Явище Тіндаля.

Тема 3:

1. Теплове випромінювання і його характеристики.

2. Закон Стефана-Больцмана і закон зміщення Віна.

3. Дослідження і формула Реллея-Джинса.

4. Джерела теплового випромінювання.

5. Випромінювання Сонця.

6. Інфрачервоне випромінювання.

7. Ультрафіолетове випромінювання.

Зразки тестових завдань.

1. Температура тіла збільшилась вдвічі. У скільки разів з збільшилась випромінювальна здатність тіла?

A. у 81 раз.

B. у 100 разів.

C. у 74 рази.

D. у 62 рази.

E. у 16 разів.

2. Температура абсолютно чорного тіла зросла вдвічі. Як змінилась довжина хвилі на яку припадає максимум спектральної густини енергетичної світимості?

A. не змінилась

B. зросла вдвічі

C. зменшилась вдвічі

D. зменшилась втричі

E. зросла втричі

3. Голубизну неба можна пояснити виходячи із закону

A. Релея

B. Зміщення Віна

C. Стефана-Больцмана

D. Фарадея

E. Малюса

4. При заході Сонця горизонт набуває червоного забарвлення. Це можна пояснити виходячи із закону

A. Релея

B. Зміщення Віна

C. Стефана-Больцмана

D. Фарадея

E. Малюса

5. Довжина хвилі видимого світла-

A. 380- 760 нм

B. 380- 600 нм

C. 500- 800 нм

D. 400- 800 нм

E. 200- 760 нм

Правильні відповіді на тести:

1.Е 2. С 3. А 4.А 5. А

Джерела інформації

Основні:

1. Марценюк В. П., Дідух В. Д., Ладика Р. Б., Сверстюк А. С., Андрущак І.Є., Чернецький Д. В. Підручник „Медична та біологічна фізика” Тернопіль: Укрмедкнига, 2012.

2. Марценюк В. П., Дідух В. Д., Ладика Р. Б., Баранюк І.О., Сверстюк А. С., Сорока І.С., Наумова Л.В.. Підручник „Медична біофізика і медична апаратура” Тернопіль: Укрмедкнига, 2008.

3. Кміт Я.М. Медична і біологічна фізика: Підруч.-Львів: Світ, 2003.- с. 333-377, 389-407.

4. Матеріали для підготовки студентів до практичної роботи, подані на сайті Тернопільського державного медичного університету ім. І.Я. Горбачевського: http://www.tdmu.edu.te.ua

5. Віртуальна навчальна програма «Спектрофотометр» http://virtualsoft.tdmu.edu.ua/?p=629

6. Інтернет-ресурс для демонстрації фізичних явищ http://www.walter-fendt.de/ph14ru/

Додаткові:

1. Ємчик Л.Ф., Кміт Я.М. Медична і біологічна фізика: Підруч.-Львів: Світ, 2003.- с. 333-377, 389-407.

2. Методичні розробки до виконання лабораторного практикуму по медичній та біологічній фізиці для студентів першого курсу. Тернопіль – 1990.

І. Практична робота – 9⁰⁰-12⁰⁰ (4 год)

§ Методика виконання практичної роботи:

Робота 1. Визначення концентрації поляризаційним методом.

Визначення нульової поділки

1. Установіть пластину з світлофільтром.

2. Переконайтесь у відсутності в камері приладу поляриметричної трубки.

3. Настроїти окуляр зорової труби і лупу шкали відліку. Для цього обертають оправи окулярів так, щоб через окуляр зорової труби була чітко видно вертикальну лінію, що розділяє поле зору на дві половини, а через окуляр лупи – поділки і цифри шкали відліку.

Обертаючи у нижній частині вимірювальної головки приладу кремальєру, з’єднану з рухомим кварцевим клином, і дивлячись в окуляр зорової труби, добиваються однакової освітленості обох половин поля зору. Після цього подивіться на шкалу відліку і перевірте чи зійдеться нуль ноніуса з нулем основної шкали. При відсутності збіжності необхідно провести відлік поправки і її врахувати при остаточному визначенні кута повороту площини поляризації. Якщо нуль ноніуса знаходиться справа (зліва) від нуля основної шкали, то після проведення вимірювання кута повороту площини поляризації цю поправку віднімають(додають). При наявності основної шкали з ноніусом вимірювання проводять наступним чином:

1. Знаходимо відлік цілих поділок основної шкали від нуля цієї шкали до нуля шкали ноніуса.

2. Порядковий номер поділки ноніуса, що сходиться з довільною поділкою основної шкали вказує на кількість долей градуса, які додають до цілих одиниць показів основної шкали(з врахуванням ціни поділки ноніуса).

Визначення питомого обертання

1. Помістіть в камеру поляриметричну трубку, довжиною l=20см, заповнену еталонним розчином глюкози(С=3%). При наявності в трубці пухирця повітря доливають таку кількість рідини, щоб утворився випуклий меніск. Після цього як з рідини вийдуть пухирці повітря, трубку швидко покривають скельцем, насовуючи його так, ніби зрізаючи виступаючу рідину.

2. Дивлячись в окуляр зорової труби побачимо, що однорідність поля зору порушилась. Це зумовлено поворотом на певний кут площини поляризації світла досліджуваним розчином. Обертаючи кремальєру досягаємо однакової освітленості обох половинок поля зору. При цьому все поле зору буде менш освітленим, ніж у відсутності трубки.

3. Визначте кут повороту площини поляризації. Для цього спочатку відмітьте на скільки повних градусів нульова поділка ноніуса зміщена відносно основної шкали вправо(цукор – правообертаюча речовина). Далі відзначають, яка по рахунку поділка ноніуса(вправо від нуля) сходиться з довільною поділкою основної шкали. Отримане число складає десяті долі градуса. Воно сумується з найденим раніше числом цілих градусів. Якщо нуль приладу не сходиться з нулем шкали, необхідно врахувати нульову похибку приладу.

4. Дослід провести тричі. Перед кожним виміром обертаючи ручку кремальєри добиваються однакової освітленості обох половинок поля зору. Результати занести в таблицю №1.

№ пп	j₀		a
№ пп	l=10см	l=20см	l=10см	l=20см	l=10см	l=20см
1.
2.
3.
сер.

5. Визначте питому обертання за формулі:.

6. Досліди по визначенню питомої обертання повторити з поляриметричною трубкою іншої довжини l=10см. Результати вимірювань занести в таблицю №1.

7. Середнє значення питомої обертання знайти з 3 дослідів, а результати вимірів подати у вигляді:

; .

Визначення концентрації цукру в розчині

1. Наповніть поляриметричну трубку довжиною l=20см одним з досліджуваних розчинів цукру.

2. В камеру приладу помістіть трубку з досліджуваним розчином.

3. Провести відповідні вимірювання.

4. Результати вимірювань занести в таблицю №2.

№ пп	j_xі	C_xі	_і
1.
2.
3.
сер.

5. Обрахувати концентрацію цукру за формулою:

Результати вимірювань і обрахунків подати у вигляді:

6. Повторити аналогічні виміри з наявними досліджуваними розчинами. Результати вимірювань занести у відповідні таблиці. Провести обчислення вказані в п.5.

Побудуйте графік залежності кута повороту площини поляризації від концентрації цукру в розчині.

Розв’язання задач.

1. Світловий промінь падає на поверхню води і відбивається від неї. Під яким кутом до поверхні води потрібно дивитись на відбитий промінь, щоб він був повністю поляризований? (п_води = 1,33).

2. Під яким кутом до горизонту знаходиться Сонце, якщо промені світла, що відбивається від води є плоскополяризовані?

3. Інтенсивність плоскополяризованого світла після призми аналізатора зменшилась в 9 разів. На який кут повернута призма поляризатора відносно аналізатора?

Тема2: Поглинання і розсіювання світла.

Робота 1. Визначення концентрації розчину з допомогою фотоелектроколориметра.

1. Ознайомтеся з основними принципами управління роботою приладу ФЕК – 56 М.

Увага ! Без дозволу прилад не включати.

2. Важелем (2) перекрити шторкою світлові пучки. Включити апарат і ручкою (8) встановити стрілку мікроамперметра на “0”. Барабаном (9) поставити фільтр 8.

Увага! Робочі поверхні кювет перед кожним вимірюванням повинні протиратися. Не можна торкатися пальцями робочих поверхонь.

3. В правий пучок поставити кювету з розчином відомої концентрації і кювету з дистильованою водою, а в лівий – світловий пучок – кювету з дистильованою водою.

4. Індекси лівого (1) і правого (6) барабанів встановити на відлік 100 на шкалі пропускання (повний світловий пучок).

5. Відкрити шторку з допомогою лівого барабану, встановити стрілку мікроамперметра на “0”.

6. Ручкою (2) в правому пучку світла кювету з розчином замінити кюветою з розчинником (водою) і з допомогою правого барабану встановити нульове положення стрілки.

7. По шкалі правого барабану відрахувати оптичну густину розчину і коефіцієнт світлопропускання.

8. Закрити шторку. Вилити розчин з кювети у відповідну колбу.

9. Повторити вимірювання для всіх стандартних розчинів. Побудувати градуювальну криву, відкладаючи по горизонтальній вісі концентрацію, а по вертикальній – відповідні їм оптичні густини. Аналогічну криву побудувати для коефіцієнта пропускання.

10.Провести вимірювання оптичної густини і коефіцієнта світлопропускання з невідомою концентрацією і по градуювальній кривій знайти концентрацію. Результати вимірювань представити у виді таблиці.

№№ п/п	Стандартні розчини			Досліджувані розчини
№№ п/п	Концтр С, %	опт .густ D	К. пропор Т, %	Концтр С, %	опт. густ D	К. пропор Т, %
1
2
…

Розв’язання задач.

1. При проходженні монохроматного світла через шар речовини товщиною 7 см його інтенсивність зменшилась в два рази.Визначити показник розсіювання , якщо показник поглинання 0,025.

Дано: Розв’язок

Інтенсивність світла після часткового поглинання і

розсіювання визначається за законом Бугера:

,звідки ,тобто .

Тоді ;

Оскільки є сумою показників поглинання і розсіювання, то ,звідки ,

Відповідь:.

2. У скільки разів інтенсивність релеєвського розсіяння світла відрізняється при довжині світлової хвилі в 670 нм (червоне світло) і 546 нм (зелене світло)?

Тема 3: Теплове випромінювання тіл.

Розв’язання задач.

1. Яку кількість енергії випромінює Сонце за 1 хв? Випромінювання Сонця вважати близьким до випромінювання абсолютно чорного тіла. Температура поверхні Сонця дорівнює 5800^о К.

Розв’язок: За законом збереження енергії

де — довжина хвилі фотона, с = , Кл, . Звідси

м.

2. Знайти, яку кількість енергії з 1 см² поверхні за 1 с випромінює абсолютно чорне тіло, якщо відомо, що максимальна спектральна густина його енергетичної світності припадає на довжину хвилі в 4840 А^о.

3. На яку довжину хвилі припадає максимум спектральної густини енергетичної світимості абсолютно чорного тіла, що має температуру, рівну температурі людського тіла.

4. Визначіть енергетичну світність тіла людини при температурі t=36 ^оС , вважаючи його сірим тілом з коефіцієнтом поглинання

ІІ. Семінарське обговорення – 12³⁰-14⁰⁰ (2 год.)

Самостійна робота 14¹⁵-15⁰⁰.

Студент повинен знати:

1. Явище дисперсії світла і його застосування.

2. Явище поглинання світла і його застосування.

3. Оптична густина речовини і коефіцієнт світлопропускання.

4. Концентраційна колориметрія.

5. Метод визначення концентрації забарвлених розчинів.

6. Явище розсіювання світла і його застосування.

7. Поляриметри

8. Фотоелектроколориметри