Методические указания к практическому занятию
для студентов I курса фармацевтического факультета
ЗАНЯТИЕ № 4 (практическое)
Тема занятия: Элементы волновой оптики.
Тема1: Поляризация света.
Тема2: Волновые свойства света.
Тема 3: Спектральные приборы.
Количество часов:6 часов
Место проведения: физическая лаборатория.
Цель: Изучить явления поляризации, дисперсии, поглощения, рассеяния света. Научиться анализировать эти оптические процессы и рассчитать их характеристики.
Профессиональная ориентация студентов.
Световая волна , проходя через вещество , вызывает вынужденные колебания электронов и ионов . Вследствие этого наблюдается ряд процессов , наиболее важными из которых являются дисперсия , поглощения и рассеяния света .
Поляриметрический метод определения содержания оптически активных веществ ( поляриметрия ) широко используется в биофизических исследованиях . По величине угла поворота плоскости поляризации определяют оптическую активность определенных белков в крови с целью диагностики рака , концентрацию сахара в моче , что служит диагностическим показателем для диагностики сахарного диабета. Поляриметрия применяется также как метод исследования структурных преобразований , в частности в молекулярной биофизике .
Тепловое излучение свойственно всем телам и возникает при каких – либо температурах выше 0 К. В зависимости от температуры тела изменяется интенсивность излучения и его спектральный состав . Наиболее мощным источником теплового излучения является Солнце. Именно благодаря его тепловому излучению существует жизнь на Земле. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение широко используется в медицине и фармации .
Программа самоподготовки :
Тема 1 :
1 . Поляризованный свет и его свойства .
2 . Призма Николя , ход лучей в ней .
3 . Формула Малюса , законы Био и Брюстера .
Тема 2:
1 . Поглощение света . Закон Бугера – Ламберта .
2 . Дисперсия света . Дисперсионный спектр . Призменные спектральные приборы.
3 . Закон Бера . Абсорбционный спектральный анализ .
4 . Рассеяние света . Явление Тиндаля .
Тема 3 :
1 . Тепловое излучение и его характеристики .
2 . Закон Стефана – Больцмана и закон смещения Вина .
3 . Исследования и формула Реллея – Джинса .
4 . Источники теплового излучения .
5 . Излучение Солнца.
6 . Инфракрасное излучение .
7 . Ультрафиолетовое излучение .
Образцы тестовых заданий .
1 . Температура тела увеличилась вдвое . Во сколько раз увеличилась излучательная способность тела ?
A. в 81 раз .
B. в 100 раз.
C. в 74 раза .
D. в 62 раза .
E. в 16 раз .
2 . Закон Стефана – Больцмана
A. Re = σT4
B. Re = σT2
C.
D.
E. Re = λT
3 . Закон смещения Вина
A.
B.
C.
D.
E.
4 . Температура абсолютно черного тела возросла вдвое. Как изменилась длина волны на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости ?
A. не изменилась
B. выросла вдвое
C. уменьшилось вдвое
D. уменьшилась втрое
E. выросла втрое
5 . Голубизну неба можно объяснить исходя из закона
A. Рэлея
B. Смещение Вина
C. Стефана – Больцмана
D. Фарадея
E. Малюса
6. При закате горизонт приобретает красную окраску. Это можно объяснить исходя из закона
A. Рэлея
B. Смещение Вина
C. Стефана-Больцмана
D. Фарадея
E. Малюса
7. Длина волны видимого света-
A. 380 – 760 нм
B. 380 – 600 нм
C. 500 – 800 нм
D. 400 – 800 нм
E. 200 – 760 нм
Правильные ответы на тесты:
1.Е 2. А 3 А 4. С 5. А 6.А 7. А
источники информации
Основные:
1 . Марценюк В.П. , Дидух В.Д. , Ладыка Р.Б. , Сверстюк А.С. , Андрущак И.Е. , Чернецкий Д.В. Учебник ” Медицинская и биологическая физика ” Тернополь : Укрмедкнига 2012.
2 . Марценюк В.П. , Дидух В.Д. , Ладыка Р.Б. , Баранюк И.А. , Сверстюк А.С. , Сорока И.С. , Наумова Л.В. . Учебник ” Медицинская биофизика и медицинская аппаратура” Тернополь : Укрмедкнига , 2008 .
3 . Кмит Я.М. Медицинская и биологическая физика : Пидруч. – М.: Мир, 2003 . – С . 333-377 , 389-407 .
4 . Материалы для подготовки студентов к практической работе , представлены на сайте Тернопольского государственного медицинского университета им . И.Я. Горбачевского : http://www.tdmu.edu.te.ua
дополнительные:
1. Емчик Л.Ф., Кмит Я.М. Медицинская и биологическая физика: Пидруч.-М.: Мир, 2003. – С. 333-377, 389-407.
2. Методические разработки к выполнению лабораторного практикума по медицинской и биологической физике для студентов первого курса. Тернополь – 1990.
Практическая работа – 900-1200 (4 ч)
Методика выполнения практической работы:
Работа 1. Определение концентрации поляризационным методом.
Определение нулевой отметки
1. Установите пластину со светофильтром.
2. Убедитесь в фотокамеру прибора поляриметрической трубки.
3. Настроить окуляр зрительной трубы и лупу шкалы отсчета. Для этого обращают оправы очков так, чтобы сквозь окуляр зрительной трубы была четко видна вертикальную линию, разделяющую поле зрения на две половины, а сквозь окуляр лупы – деления и цифры шкалы отсчета.
Вращая в нижней части измерительной головки прибора кремальеры , соединенную с подвижным кварцевым клином , и глядя в окуляр зрительной трубы , добиваются одинаковой освещенности обеих половин поля зрения. После этого посмотрите на шкалу отсчета и проверьте сойдется ноль нониуса с нулем основной шкалы. При отсутствии сходимости необходимо произвести отсчет поправки и ее учесть при окончательном определении угла поворота плоскости поляризации . Если ноль нониуса находится справа (слева ) от нуля основной шкалы , то после проведения измерения угла поворота плоскости поляризации эту поправку вычитают ( добавляют ) . При наличии основной шкалы с нониусом измерения проводят следующим образом :
1. Находим отсчет целых делений основной шкалы от нуля этой шкалы до нуля шкалы нониуса.
2. Порядковый номер деления нониуса, что сходится с произвольной делением основной шкалы указывает на количество долей градуса, которые добавляют до целых единиц показов основной шкалы (с учетом цены деления нониуса).
Определение удельного вращения
1. Поместите в камеру поляриметрической трубку длиной l = 20 см, заполненную эталонным раствором глюкозы (С = 3%). При наличии в трубке пузырька воздуха доливают такое количество жидкости, чтобы образовался выпуклый мениск. После этого как из жидкости выйдут пузырьки воздуха, трубку быстро покрывают стеклом, насовуючы его так, будто срезая выступающую жидкость.
2 . Глядя в окуляр зрительной трубы увидим , что однородность поля зрения нарушилась . Это обусловлено поворотом на определенный угол плоскости поляризации света исследуемым раствором . Вращая кремальеры достигаем одинаковой освещенности обеих половин поля зрения. При этом все поле зрения будет менее освещенным , чем в отсутствии трубки.
3 . Определите угол поворота плоскости поляризации . Для этого сначала отметьте на сколько полных градусов нулевая деление нониуса смещена относительно основной шкалы вправо (сахар – правообертаюча вещество ) . Далее отмечают , какая по счету деление нониуса ( вправо от нуля ) сходится с произвольной делением основной шкалы. Полученное число составляет десятые доли градуса . Оно суммируется с найденым ранее числом целых градусов . Если ноль прибора не сходится с нулем шкалы , необходимо учесть нулевую погрешность прибора .
4 . Опыт провести трижды . Перед каждым измерением вращая ручку кремальеры добиваются одинаковой освещенности обеих половин поля зрения. Результаты занести в таблицу № 1 .
|
№ пп |
j0 |
a |
||||
|
l=10см |
l=20см |
l=10см |
l=20см |
l=10см |
l=20см |
|
|
1. |
|
|
|
|
|
|
|
2. |
|
|
|
|
|
|
|
3. |
|
|
|
|
|
|
|
сер. |
|
|
|
|
|
|
5. Определите удельный вращение формуле.
6. Опыты по определению удельного вращения повторить с поляриметрической трубкой другой длины l = 10см. Результаты измерений занести в таблицу № 1.
7. Среднее значение удельного вращения найти с 3 опытов, а результаты измерений представить в виде:
Определение концентрации сахара в растворе
1. Наполните поляриметрической трубку длиной l = 20см одним из исследуемых растворов сахара.
2. В камеру прибора поместите трубку с исследуемым раствором.
3. Провести соответствующие измерения.
4. Результаты измерений занести в таблицу № 2.
|
№ пп |
jxі |
Cxі |
і |
|
1. |
|
|
|
|
2. |
|
|
|
|
3. |
|
|
|
|
сер. |
|
|
|
5. Обсчитать концентрацию сахара по формуле:
.
Результаты измерений и вычислений представить в виде:
.
6. Повторить аналогичные измерения с имеющимися исследуемыми растворами. Результаты измерений занести в соответствующие таблицы. Провести вычисления указаны в п.5.
Постройте график зависимости угла поворота плоскости поляризации от концентрации сахара в растворе.
Решение задач.
1. Световой луч падает на поверхность воды и отражается от нее. Под каким углом к поверхности воды нужно смотреть на отраженный луч, чтобы он был полностью поляризован(пводи = 1,33).
2. Под каким углом к горизонту находится Солнце, если лучи света, отражающегося от воды является плоскополяризованным?
3. Интенсивность плоскополяризованного света после призмы анализатора уменьшилась в 9 раз. На какой угол возвращена призма поляризатора относительно анализатора?
Тема2: Поглощение и рассеяние света.
Работа 1. Определение концентрации раствора с помощью фотоэлектроколориметра.
1. Ознакомьтесь с основными принципами управления работой прибора ФЭК – 56 г.
Внимание! Без разрешения прибор не включать.
2. Рычагом (2) перекрыть шторкой световые пучки. Включить аппарат и ручкой (8) установить стрелку микроамперметра на “0”. Барабаном (9) поставить фильтр 8.
Внимание! Рабочие поверхности кювет перед каждым измерением должны протирать. Нельзя касаться пальцами рабочих поверхностей.
3 . В правый пучок поставить кювету с раствором известной концентрации и кювету с дистиллированной водой, а в левый – световой пучок – кювету с дистиллированной водой .
4 . Индексы левого ( 1 ) и правого ( 6 ) барабанов установить на отсчет 100 на шкале пропускания ( полный световой пучок ) .
5 . Открыть шторку с помощью левого барабана , установить стрелку микроамперметра на ” 0″.
6 . Ручкой ( 2 ) в правом пучке света кювету с раствором заменить кюветой с растворителем ( водой) и с помощью правого барабана установить нулевое положение стрелки.
7 . По шкале правого барабана отчислить оптическую плотность раствора и коэффициент светопропускания .
8 . Закрыть шторку . Вылить раствор из кюветы в соответствующую колбу.
9 . Повторить измерения для всех стандартных растворов . Построить градуировочную кривую , откладывая по горизонтальной оси концентрацию , а по вертикальной – соответствующие им оптические плотности . Аналогичную кривую построить для коэффициента пропускания.
10.Провесты измерения оптической плотности и коэффициента светопропускания с неизвестной концентрацией и по градуировочной кривой найти концентрацию. Результаты измерений представить в виде таблицы .
|
№№ п/п |
Стандартные растворы |
Исследуемые растворы |
||||
|
Концтр С, % |
опт .густ D |
К. пропор Т, % |
Концтр С, % |
опт. густ D |
К. пропор Т, % |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
… |
|
|
|
|
|
|
Решение задач.
1. При прохождении монохроматного света через слой вещества толщиной 7 см его интенсивность уменьшилась в два рази.Визначиты показатель рассеяния, если показатель поглощения 0,025.
Дано: Решение
Интенсивность света после частичного поглощения и
рассеяния определяется по закону Бугера:
, откуда, то есть.
Тогда;
.
Поскольку является суммой показателей поглощения и рассеяния, то, откуда,
Ответ:.
2. Во сколько раз интенсивность релеевской рассеяния света отличается при длине световой волны в 670 нм (красный свет) и 546 нм (зеленый свет)?
Тема 3: Тепловое излучение тел.
Решение задач.
1. Какое количество энергии излучает Солнце за 1 мин? Излучение Солнца считать близким к излучению абсолютно черного тела. Температура поверхности Солнца равна 5800 К.
Решение: По закону сохранения энергии
где – длина волны фотона, с = Кл,. Отсюда
г.
2. Найти, какое количество энергии с 1 см2 поверхности за 1 с излучает абсолютно черное тело, если известно, что максимальная спектральная плотность его энергетической светимости приходится на длину волны в 4840 Ао.
3. На какую длину волны приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, имеющего температуру, равную температуре человеческого тела.
4. Определите энергетическую светимость тела человека при температуре t = 36 ° С, считая его серым телом с коэффициентом поглощения
II. Семинарское обсуждение – 1230-1400 (2 час.)
Самостоятельная работа1415-1500 .
Студент должен знать:
1. Явление дисперсии света и его применение.
2. Явление поглощения света и его применение.
3. Оптическая плотность вещества и коэффициент светопропускания.
4. Концентрационная колориметрия.
5. Метод определения концентрации окрашенных растворов.
6. Явление рассеяния света и его применение.
7. Поляриметры
8. Фотоэлектроколориметры
9. сахариметра
Студент должен уметь:
1. Различать структурные элементы поляриметра
2.
Методическое указание составили: к.ф.-м.н. Рудяк Ю., ас. Багрый–Заяц О.А.
Обсуждены и утверждены на заседании кафедры
27 августа 2013 Протокол № 1
Пересмотрено и утверждено на заседании кафедры
“___” _____________ 20__ г. Протокол № ______
