Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

quot;Определение показателя преломления и концентрации растворов с помощью рефрактометра".

l. TEMA И ЕЕ АКТУАЛЬНОСТЬ.

В данной лабораторной работе изучаются явления полного внутреннего от­ражения света.

На явлении полного отражения света основана работа рефрактомет­ров-приборов, предназначенных для измерения показателя преломления и концентрации растворов, которые используются в медицине для различных целей.

Рефрактометрический метод определения показателя преломления ве­щества имеет ряд преимуществ перед другими методами:

1)он дает достаточно точные результаты;

2) для определения показателя преломления требуется всего одна-две капли раствора;

3)на нем можно измерить показатель преломления густых растворов. Элементы «Волоконной оптики» все шире и успешнее применяются в эндоско­пии.

2. ЦЕЛЬ ЗАНЯТИЯ.

2.1.В результате освоения темы студент должен уметь пользоваться ре­фрактометром и освоить метод определения концентрации растворов.

2.2.Для формирования умений необходимо знать:

а) законы отражения и преломления света, явление полного отраже­ния, применение рефрактометра в медицине.

б) устройство и принцип работы рефрактометра.

З. ВИД ЗАНЯТИЯ: лабораторное занятие.

4. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ: 3 академических часа (135 мин).

5. ОСНАЩЕНИЕ: рефрактометр, пипетка, растворы сахара и поваренной соли различной концентрации.

6. СОДЕРЖАНИЕ ЗАНЯТИЯ: теоретическое введение; описание установки; конт­роль исходного уровня знаний; самостоятельная работа студентов; контроль степени усвоения материала по тестам, подведение итогов занятия.

6.1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

В настоящее время мало литературы по медицинской физике. Имеющиеся учебники Н.М. Ливенцева и А.Н. Ремизова как старых так и новых изданий не содержат ин­формации по новейшим достижениям физики в медицине, некоторые темы из­ложены в малодоступной форме для понимания студентов. В связи с этим предлагается краткая теория данной темы, основанная на современных представлениях.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД. ЯВЛЕНИЕ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ

Опыт и теория показывают, что в различных прозрачных средах свет распространяется с различными скоростями, меньшими чем скорость света в вакууме.

Среда, во всех точках которой скорость распространения света одинако­ва, называется оптически однородной.

При переходе света через границу раздела двух сред, скорость распро­странения света в которых различна, происходит изменение его направле­ния. Это явление называется преломлением или рефракцией света. (рис. 6.1.1)

рис.6.1.1.

На рисунке 6.1.1. a-угол падения, b-угол отражения, -угол преломления. Из школьного курса физики известно, что:

1.Угол падения равен углу отражения (Ða=Ðb).

2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления равно от­ношению скоростей света в первой и второй средах:

sina/sing = n₁/n₂ = n₂₁ (6.1.1.)

где n₂₁- относительный показатель преломления.

3. Падающий, преломленный и отраженный лучи. а также перпендикуляр к границе раздела сред. проведенный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (законы отражения и преломления света).

Отношение скорости С распространения света в вакууме к скорости его V в данной среде называется абсолютным показателем преломления среды:

n=c/n (6.1.2.)

Абсолютный показатель преломления (или просто показатель преломления) является важной оптической характеристикой среды: он показывает, во сколько раз скорость света в данной среде меньше скорости света в ваку­уме. Очевидно, что абсолютный показатель преломления вакуума равен еди­нице.

Значения показателей премления некоторых веществ для монохроматичес­кого желтого света(показатель преломления зависит от длины волны све­та) о длинной волны l=589 нм приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Из двух сред, имеющих различные показатели преломления, среда с мень­шим показателем называется оптически менее плотной,а среда о большим показателем оптически более плотной.

В соответствии о определением, данным в начале темы.можно ска­зать,что оптически однородной является среда, во всех точках которой оптическая плотность(показатель преломления)одинакова.

Земная атмосфера является оптически неоднородной средой: ее показа­тель преломления непрерывно уменьшается по мере увеличения высоты над земной поверхностью. Благодаря этому световой луч, идущий в атмосфе­ре, проходит как бы через множество тонких параллельных(друг другу и земной поверхности) слоев,показатель преломления которых уменьшается о увеличением высоты слоя. На границе раздела каждой пары таких слоев происходит преломление луча по закону преломления (6.1.1). В результате луч света в атмосфере искривляется, оказываясь обращенным выпуклостью вверх (от Земли). Это явление называется рефракцией света в атмосфере.

Рефракция света в атмосфере позволяет видеть объекты, фактически (гео­метрически) находящиеся за горизонтом. Чем сильнее рефракция, тем более удаленные за горизонт объекты представляются возможными наблюдать.

При переходе света из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду угол преломления меньше угла падения (рис.6.1.1.а). Если луч падает на границу раздела сред под наибольшим возможным углом a=p/2 (луч скользит вдоль границы раздела сред), то он будет преломляться под углом g_пр (рис.6.1.1,б). Этот угол является наибольшим углом преломления для данных сред и называется предельным углом преломления.Из закона преломления света следует:

n₂₁ = sin(p/2)/sing_пр = 1/sing_пp = n₂/n₁, (6.1.3)

откуда sing_пр = n₁/n₂

Если свет переходит ив оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то угол преломления больше угла падения (рис.6.1.1.в). При некотором угле падения a луча угол преломления равен p/2, т.е. преломлен­ный луч скользит вдоль границы раздела двух сред (рис.6.1.1,г). При дальнейшем увеличении угла падения преломление не происходит, весь падающий свет отражается в первую среду. Это явление называется полным внутренним отражением света. Угол a_пр - называется предельным углом пол­ного отражения.

Так как n₂₁ = sina_пр /sin(p/2) = n₂/n­₁ то sina_пр = n₂/n₁ (6.1.4)

Таким образом, предельный угол преломления и предельный угол полного отражения для данных сред зависит от их показателей преломле­ния. Это нашло применение в приборах для измерения показателя преломле­ния веществ - рефрактометрах. используемых при определении чистоты во­ды, концентрации общего белка сыворотки крови,для идентификации различ­ных веществ и т.д.

Явление полного внутреннего отражения света нашло техническое при­менение также в волоконной оптике.

Волоконной оптикой называется раздел оптики, в котором рассматривают передачу света и изображения по световодам(светопроводам),сущность ко­торых состоит в следующем. Стеклянная нить покрывается слоем оптически меннее плотного вещества. Луч света,падающий на торец такой нити,обра­зует световод,позволяющий как угодно искривлять путь светового пуч­ка. Если перед торцом световода поместить освещенный объект.то на дру­гом торце световода появится точное его изображение,причем сам свето­вод может быть произвольно изогнут.даже завязан в узел. Световоды ис­пользуются для изготовления гибких перископов (зондов), с помощью кото­рых можно рассматривать объекты.недоступные непосредственному наблюде­нию.

В медицине световоды используют в эндоскопии для осмотра стенок не­которых доступных полостей организма: носоглотки, трахеи и бронхов, же­лудка, мочевого пузыря и др. Для этой цели применяют эндоскопы и г аст­роскопы. Г астроскопы позволяют голографически о помощью лазерного луча формировать объемное изображение внутренней полости желудкА,произвести необходимые снимки с целью диагностики.

6.2. Описание прибора. Устройство и принцип работы рефрактометра.

Основной частью рефрактометра являются две прямоугольные призмы 1 и 2, сделанные из одного и того же сорта стекла (рис.6.2.1,а).

Призмы соприкасаются гипотенузными гранями, между которыми имеется за­зор около 0,1 мм. Между призмами помещают каплю жидкости, показатель преломления которой требуется определить. Луч света от источника 3 нап­равляется на боковую грань верхней призмы и, преломившись,попадает на гипотенузную грань АВ. Поверхность АВ матовая, поэтому свет рассеивается и,

пройдя через исследуемую жидкость, падаетна грань СД нижней призмы под различными углами от 0° до 90°. Если показатель преломления жидкос­ти меньше показателя преломления стекла, то лучи света входят в призму 2 в пределах от 0^° до g_пр. Пространство внутри этого угла будет освещен­ным, а вне его - темным. Таким образом, поле зрения, видимое в зрительную трубку, разделено на две части: темную и светлую. Положение границы раз­дела света и тени определяется предельным углом преломления, зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

Если исследуемая жидкость имеет большой коэффициент поглощения (мутная, окрашенная жидкость), то во избежание потерь энергии при прохождении света через жидкость измерения проводят в отраженном свете. Ход лучей в рефрактометре в этом случае показан на рис.6.2.1.б. Луч света от источ­ника проходит через матовую боковую грань СМ нижней призмы 2. При этом свет рассеивается и падает на гипотенузную грань СД, соприкасающуюся с исследуемой жидкостью, под всевозможными углами от 0° до 90°.Если жидкость оптически менее плотная, чем стекло, из которого изготовлена призма, то лучи, падающие под углами, большими a_пр, будут испытывать полное отраже­ние и выходить через вторую боковую грань нижней призмы в зрительную трубу. Поле зрения, видимое в зрительную трубу, так же как и в первом случае, окажется разделенными на светлую и темную части. Положение гра­ницы раздела в данном случае определяется предельным углом полного от­ражения, также зависящим от показателя преломления исследуемой жидкости.

С помощью этого прибора можно исследовать вещества,показатель прелом­ления которых меньше показателя преломления стекла измерительных призм. Оптическая система рефрактометра изображена на рис.6.2.2.

В рефрактометре используется источник 3 белого света. Вследствие дис­персии при прохождении светом призм 1 и 2 граница света и тени оказы­вается окрашенной. Во избежание этого перед объективом зрительной трубы помещают компенсатор 4. Он состоит из двух одинаковых призм,каждая из которых оклеена из трех призм,обладающих различным показателем прелом­ления. Призмы подбирают так, чтобы монохроматический луч с длинной волны l=589,3 мкм (длина волны жёлтой линии натрия) не испытывал после про­хождения компенсатора отклонения. Лучи с другими длинами волн отклоняют­ся призмами в различных направлениях. Перемещая призмы компенсатора о помощью специальной рукоятки, добиваются того, чтобы граница света и темноты стала возмджно более резкой.

Лучи света пройдя компенсатор, попадают в объектив зрительной трубы 6. Изображение границы раздела свет-тень рассматривается в окуляр зри­тельной трубы 8. Так как предельный угол преломления и предельный угол полного отражения зависит от показателя преломления жидкости, то на шкале рефрактометра сразу нанесены значения этого показателя преломле­ния.

Оптическая система рефрактометра содержит также поворотную призму 5. Она позволяет расположить ось зрительной трубы перпендикулярно призмам 1 и 2, что делает наблюдение более удобным.

В общей фокальной плоскости объектива и окуляра зрительной трубы по­мещают специальную пластинку, на которую нанесена визирная линия (или крест, образованный тонкими нитями). Перемещая зрительную трубу, добива­ются совпадения визирной линии о границей свет-тень и по шкале орпеде-ляют показатель преломления исследуемой жидкости. В некоторых современ­ных рефрактометрах зрительная труба укрепляется неподвижно, а система измерительных призм может поворачиваться.

6.3. Контроль исходного уровня знаний.

Для выполнения лабораторнойработы необходимо изучить следующие вопросы:

Задание 1.

1. Сформулируйте законы отражения и преломления света.

2. Что называется предельным углом преломления?

3. Каков физический смысл абсолютного показателя преломления среды?

4. В чем заключается явление полного отражения?

5. Что называется предельным углом полного отражения?

6. Что такое световоды и для чего они применяются?

7. Для каких целей используется "Волоконная оптика"?

8. Опишите устройство рефрактометра.

9. Начертите ход лучей в рефрактометре в проходящем и отраженном свете

10. С какой целью применяется рефрактометр в медико-биологических исс­ледованиях?

Задание 2. Решить следующие задачи.

1. Вычислить предельные углы полного отражения для стекла и алмаза.

2. Водолазу, находящемуся под водой,солнечный лучи кажутся падающими под углом 60° к поверхности воды. Какова угловая высота солнца над горизон­том?

3. Предельный угол полного внутреннего отражения для поверхности разде­ла скипидар-воздух составляет 42 °.Какова скорость света в скипидаре?

4. На стеклянную пластинку, показатель преломления которой 1,55, падает луч света. Каков угод падения,если угол между отраженным и преломлен­ным лучами равен 90°?

6.4. Самостоятельная работа студентов.

Порядок выполнения работы:

Задание 1. Подготовка прибора к работе:

а) расположить источник света так,чтобы наблюдения проводились в прохо­дящем свете;

б) откинуть верхнюю призму рефрактометра и с помощью пипетки нанести на, нижнюю призму 2-3 капли дистиллированной воды.Опустить верхнюю призму;

в) фокусируя окуляр, получить резкие изображения поля зрения,визира и шкалы;

г) перемещая зрительную трубу, получить в поле зрения границу свет-тень. Линия раздела должна быть резкой и без цветной окраски. Пос­леднее достигается поворотом рукоятки компенсатора;

д) совместить визир с границей раздела свет-тень.При правильной наст­ройке рефрактометра показание шкалы при этом должны соответствовать показателю преломления воды n=1,333 (при 20°С).

Задание 2. Исследование зависимости показателя преломления сахара от концентрации и определение неизвестной концентрации:

а) проверив настройку прибора,приступить к измерению показателя пре­ломления растворов сахара различной концентрации. Для каждого раствора измерение показателя преломления п произвести три раза и найти среднее значение n. Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

Растворы сахара различной кон­центрации	n/n	n		Растворы соли различной кон­центрации	n/n	n
C1=
С2=
Сn=
Сх=

б) построить график зависимости показателя преломления от концентрации раствора n=f(с).

в) измерить показатель преломления раствора неизвестной концентрации. По графику найти концентрацию раствора.

Задание 3. Определение концентрации раствора NaCl.

Это задание выполняется аналогично заданию 1.Результаты измерений за­писать в таблицу и. Вычислить погрешность измерения концентрации по графику. Окончательный результат записать в виде: Сх = С х ± DСу.

Задание 4. УИРС. Определение процентного содержания белка в сыворотке

а) Измерить показатели преломления растворов альбумина крупного ро­гатого скота различной концентрации в физиологическом растворе;

б) результаты измерений записать в таблицу 3.

Таблица 3.

Са,%	na1	na2	na3		DCa
Са=
Са=
Са=
Са=

b) построить график зависимости n_a=f(C_a);

г) измерить показатель преломления сыворотки крупного рогатого скота и определить по графику процентное содержание в ней альбумина.

д) орпеделить погрешность АСа измерения содержания альбумина.

6.5. Контроль степени усвоения материала.

Тест 1.

1. Какова природа света?

а) Свет-это волны;

б) свет-корпускулы; частицы;

в) овет-это электромагнитные волны;

г) свет-это солнечное излучение;

2. Показатель преломления зависит:

а) от интенсивности падающего светового луча;

б) от длины волны падающего света;

в) от толщины слоя среды,через которую проходит свет;

г) от светового потока;

3. Явление полного отражения происходит:

а) при переходе света из оптически более плотной среды в опти­чески менее плотную среду;

б)при переходе света из оптически менее плотной среды в опти­чески более плотную среду;

в) при переходе света через границу раздела двух сред;

г) при переходе света через прозрачные вещества.

4. Что называется рефракцией света?

а) Изменение скорости распространения света при переходе через границу раздела двух сред;

б) явление изменения направления света при переходе через грани­цу раздела двух сред;

в) отклонения от прямолинейного распространения света;

г) явление разложение света в спектр.

5. Работа рефрактометра основана:

а) на явлении отражения света;

б) на явлении преломления света;

в) на явлении поглощения света;

г) на явлении полного внутреннего отражения света.

6. Рефрактометр применяется в медицине:

a) для измерения концентрации окрашенных растворов:

б) для измерения показателя преломления и концентрации различных растворов;

в) для измерения концентрации оптически активных веществ;

г) для определения количественного содержания веществ.

7. Гибкие световоды применяются:

а) для наблюдения за мелкими объектами',

б) для осмотра стенок некоторых доступных полостей организма;

в) для передачи информации;

г) для осмотра поверхности патологических образований.

Тест 2.

Вопросы Ответы

6.6.Подведение итогов занятия.

Проверить расчетные данные лабораторной работы,наличие графиков,рас­писаться в тетради для лабораторных работ,отметить в журнале выполне­ние работы.

Задание на дом:подготовка к следующей лабораторной работе.решение за­дач.

Место проведения самоподготовки: учебная комната для самостоятельной работы студентов, читальный зал.