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

АУДИТОРНА РОБОТА (90 хв.)

Таблиця № 2

№ з/п	Терміни базових питань	Відповіді, визначення, рисунки, малюнки приладів, пояснення тощо
1.	Природа світла	Воно має електромагнітну природу. Світлова хвиля – це процес поширення в просторі взаємо-індукуючих коливань електричного і магнітного полів. Або інакше: світло поширюється в просторі у вигляді коливань напруженості електричного (Е) і магнітного (Н) полів. Вектори і цих полів коливаються у взаємноперпендикулярних площи-нах і перпендикулярно до напрямуr поширення хвилі. Саме через це світлові хвилі є поперечні хвилі (рис. 1).
2.	Природне і поляризоване світло	Розглянемо акт елементарного випромінювання світлової хвилі, наприклад, електроном. Така хвиля має дві складові: вектори напруженості і Вектор (надалі будемо розглядати лише його) завжди буде знаходитися в якійсь одній площині (рис.1), наприклад, ЕОr Рис. 1 Таке світло надто слабке, щоб на нього могло відреагувати наше око. Виявляється, що повинно бути не менше 90 таких актів випромінювання в одну секунду, щоб людина помітила світло. Звичайна річ, що світло, яким ми в житті користу-ємось, ще складніше. У такого світла, внаслідок хаотичного руху елементарних джерел світла (електронів, атомів, молекул) присутні всілякі напрями коливань (площин коливань) векторів напруженості електричного поля (рис.2), а не так, як це показано на рис. 1, де вектор коливається лише в одній площині EOr. Тому таке світло називається природним. Див. О.В. Чалий. Медична і біологічна фізика. Київ 2005 р. С. 524, рис.7.19 Рис. 2 Проекції векторів напруженості електричного поля Е в природному світлі: на площину, перпен-дикулярну променю r (рис 2a), на дві взаємно- перпендикулярні площини А та В (рис. 2б) та умовне позначення природного світла (рис. 2в)   Випромінювання, в якому коливання вектора Е відбуваються лише в одному напрямку, називається поляризованим (наприклад, випро-мінювання електрона в поодинокому акті). Площина, в якій розташовані вектор Е та вектор r, що визначає напрямок поширення випромінювання (тобто світловий промінь), називається площиною поляризації. На рис. 3а зображена площина поляризації А, а на рис 3б наведені умовні позначення поляризованого світла у взаємно-перпендикулярних площинах. r   А Рис. 3а Площина поляризації (А) r   • • • • r Рис. 3б Умовні позначення поляризованого світла Світло, в якому коливання вектора Е одного напрямку переважає коливання інших напрямків, називається частково поляризованим. Співвід-ношення символічних позначень та • характеризує ступінь поляризації (рис.4). Поляризоване світло можна одержати з природного за допомогою приладів, що називаються поляризаторами. • • r Рис. 4 Умовне позначенння частково поляризованного світла
3.	Поляризація світла при відбиванні та заломленні	Розглядають наступні види поляризації: • лінійна або площинна; • кругова; • еліптична. Ми вивчатимемо лише першу з них. Як нам вже відомо ще з середньої школи, світлові хвилі є попе-речними. Поляризуватися можуть лише поперечні хвилі. Світло називається плоскополяризованим або лінійно-поляризованим, якщо в ньому відбуваються коливання тільки в одному напрямі, перпен-дикулярному до напряму поширення хвилі. На межі розділення двох середовищ, наприклад, діелектрика і повітря, частина світлових променів відбивається, а частина заломлюється. Виявилося, що відбитий промінь і заломлений є частково плоскополяри-зованими. Причому, у відбитому промені коливан-ня (вектора Е) відбуваються переважно перпен-дикулярно до площини падіння, а в заломленому – в площині падіння. При певному куті падіння променя природного світла на границю розділення середовищ, відбитий промінь виявляється повністю поляризованим.
4.	Закон Брюстера	Якщо кут падіння світового променя на межу розділення середовищ рівний поляризаційному куту αБ (куту Брюстера), то відбитий промінь буде повністю лінійно поляризований, а заломлений тільки частково поляризований (рис.5)   N   Рис. 5 Поляризація світла при його відбиванні під кутом Брюстера tgαБ= n (1), де αБ – кут Брюстера; n – показник заломлення середовища.
5.	Поляризація при подвійному промене-заломленні	При проходженні світла крізь кристали (за винятком тих, котрі належать до кубічної системи) світовий промінь роз'єднується на два промені, які поляризовані у взаємно перпендикулярних площи-нах (рис.6). Це явище одержало назву подвійного променезаломлення. Для одного з цих двох проме-нів не виконуються закони заломлення світла (він видхиляється від напрямку падаючого променя навіть при перпендикулярному падінні на передню грань кристалла) і тому він називається незвичайним е. Другий промінь, який задовольняє законам заломлення, зветься звичайним о. Подвійне променезаломлення пояснюють різними швидкостями поширення звичайних (ν0) та незвичайних (νе) променів або різними показниками заломлення n0 і ne.   е • • • • • • • • • о   Рис. 6 Подвійне променезаломлення в кристалі
6.	Оптична вісь кристала. Головна площина в кристалі	У кристалах існує напрямок, вздовж якого звичайний та незвичайний промені поширюються з однаковими швидкостями (νе = ν0), просторово не розділяючись. Цей напрямок називається оптич-ною віссю кристала. Найбільша різниця швидкостей звичайного та незвичайного променів спостерігається в напрямку, перпендикулярному оптичній осі кристала. Площина в кристалі, яка проходить крізь оптичну вісь та падаючий промінь називається головною. У звичайному промені вектор Е коливається перпендикулярно головній площині, а у незвичайному – в головній площині.
7.	Призма Ніколя	Для просторового розведення променів використовують різні засоби. Найбільш поширеним є використання призми Ніколя. З кристала ісландського шпату вирізають певним чином дві призми, а потім склеюють їх канадським бальзамом, показник заломлення nк.б. якого має значення, проміжне між значеннями показників заломлення ісландського шпату для звичайного n0 та незвичайного nе променів: nе< nк.б < n0 (nе = 1,486; nк.б = 1,556; n0 = 1,658).   Рис. 7 Отримання поляризованного світла за допомогою призми Ніколя
8.	Ізотропні і анізотропні середовища	Середовища, в яких фізичні властивості світла в усіх напрямках однакові, називаються ізотроп-ними.Середовища, в яких ці властивості (наприклад, кут заломлення, швидкість світла) різні, називаються анізотропними.
9.	Поляризація світла при проходженні крізь поглинаючі анізотропні речовини. Явище дихроїзму. Поляроїди.	У деяких кристалах, таких як турмалін, герапатит, один з променів при подвійному промене-заломленні поглинається сильніше за інший. Так, наприклад, в турмаліні звичайний промінь поглинається практично повністю на шляху довжиною 1мм, а в герапатиті – на шляху 0,1 мм. Кристали герапатиту наносять на целулоїдну плівку, орієнтуючи їх певним чином. Такий поляризатор називається поляроїдом. Слід визначити, що і турмалін і герапатит характе-ризуються селективним поглинанням не лише у відношенні променів з різними площинами поляризації, але й з різними довжинами хвиль. Саме тому поляризоване світло, що виходить з кристала, виявляється забарвленим, причому в різних напрямках забарвлення різне. Це явище називається дихроїзмом. Таким чином, поляри-затори пропускають промені з певною площиною поляризації, яку назвемо площиною поляризатора, і затримують промені з коливанням Е, які відбиваються перпендикулярно до площини поляризатора. Поляризатор можна використовувати для аналізу поляризованого світла, в цьому випадку його називають аналізатором, або для отримання поляризованого світла і тоді його називають поляризатором.
10.	Обертання площини поляризації оптично активними речовинами. Закон Біо. Спектропо-ляриметр.	При проходженні плоскополяризованого світла крізь деякі речовини спостерігається обертання площини поляризації. Такі речовини називаються оптично активними. До них відносять деякі кристали (наприклад, кварц), рідини (нікотин, розчин цукру, скипідар), розчини біомолекул (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів). Було встановлено, що кут обертання площини поляризації φ оптично активною речовиною становить: φ = φ0 l (2), де l – відстань, яку світло проходить в оптично актив-ній речовині; φ0 – стала обертання, або питоме обертання. Для розчинів було встановлено такий закон: φ = [φ0]C l (3), де С – концентрація оптично активної речовини; l – товщина шару розчину (довжина кювети). Питоме обертання [φ0] для даної оптичної сис-теми залежить від температури, властивостей роз-чинника та довжини світлої хвилі. Залежність [φ0] від довжини хвилі визначається законом Біо: [φ0] ~ 1/λ2, абоφ = (4), де а – постійна, яка залежить від природи речовини. Застосовуючи різні світлофільтри, можна дослі-дити залежність [φ0] від λ. Ця залежність назива-ється дисперсією оптичного обертання (ДОО).Явище ДОО використовується для дослідження структури білків та нуклеїнових кислот, оскільки більшість біомолекул вміщують оптично активні центри. Прилади, які призначені для дослідження ДОО, називаються спектрополяриметрами. Молекули оптично активних речовин належать до класу оптичних ізомерів. Такі молекули не мають дзеркальної симетрії. При поширенні променя крізь речовину напрямок коливань вектора Е буде поступово повертатися дедалі більше та більше. Величина повороту площини поляризації розчином оптично активної речовини виявиться тим більшою, чим більша кількість оптично активних молекул зустрінеться на шляху цього променя, тобто чим більша концентрація розчину і товщина його шару.
11.	Поляриметрія. Оптична схема поляриметра.	Явище повертання площини поляризації світла оптично активними речовинами лежить в основі поляриметрії або сахариметрії – досить чутливого методу визначення концентрації розчину оптично активних речовин. Прилади, які дозволяють вимірювати кут повороту площини поляризації світла оптично активною речовиною, називаються поляримет-рами. Поляриметри, призначені для визначення концентрації цукру в розчині, отримали назву сахариметри. Для розчинів активних речовин кут φ повороту площини поляризації пропорційний довжині l шляху світлового поляризованого променя в досліджуваному розчині, а також його кон-центрації С: φ = φ0 С l (5) Коефіцієнт пропорційності φ0 називається питомим кутом обертання площини поляризації або питомим обертанням і характеризує оптичну активність речовини. Питоме обертання чисельно дорівнює куту, на який повертається площина поляризації мо-нохроматичного світла з довжиною хвилі λ = 589 нм при його проходженні через шар розчину оптично активної речовини товщиною l = 1 дм, що має концентрацію С = 1 г/100см3 при температурі 200С. Наприклад, для розчину цукру φ0 = 0,665 град/(дм г/100см3). Отже, вимірявши з допомогою поляриметра кут φ повороту площини поляризації світла досліджуваним розчином оптично активної речовини, за відомими l і φ0 можна визначити концентрацію розчину за формулою: С = (8) Фізична суть поляриметричного методу визна-чення концентрації розчину оптично активних речовин полягає в наступному: світло від джерела S поляризується за допомогою поляризатора Р (рис.8). Р Р Рис. 8 При відсутності кювети К з досліджуваним розчином поляризований промінь інтенсивністю Іо попадає на аналізатор А (на практиці дуже часто в ролі поляризатора і аналізатора використовуються призми Ніколя). Інтенсивність І світлової хвилі, яка пройшла через аналізатор за законом Малюса (І = І0соs2α) залежить від кута α між головними площинами аналізатора і поляризатора. Повертаючи аналізатор відносно поляризованого світлового променя як осі обертання, на певний кут α можна змінити інтенсивність світла, що вийшло із аналізатора, а, отже, і освітленість поля зору окуляра Ок. При α =𝜋 / 2 поляризований промінь не попадає в поле зору окуляра. В цьому випадку прийнято говорити, що аналізатор встановлений на темряву. При розташуванні між поляризатором і аналізатором кювети з розчином оптично активної речовини поле зору посвітлішає внаслідок повороту цією речовиною площини поляризації світла на деякий кут, що зумовлює часткове пропускання світла через аналізатор. Очевидно, що на такий же кут потрібно повернути аналізатор, щоб знову встановити його на темряву. На вимірюванні цього кута і базується поляриметричний метод визначення концентрації розчинів оптично активних речовин.
12.	Опис сахариметра СУ -3	Основними частинами приладу (рис. 9) є вимірю-вальний вузол (1) та освітлю­вальний вузол (2), з’єднані між собою траверсою (3), на якій закріплена камера (4) для кювети з досліджуваним розчином і оправа (5) з поляриза­тором. В передній частині сахариметра розташовані зорова труба (6), оп­рава (7) з аналізатором, окуляр (8) для відліку показів за шкалою, рукоят­ка (9) для вирівнювання освітленостей обох половин поля зору (рис. 9).   Опис приладу   До мережі 220   Рис. 9 Сахариметр СУ-3   Освітлювальний вузол складається з джерела світла (10) і поворотної обойми (11) з матовим склом, світлофільтрами і діафрагмою. В прилад вмонтовано понижуючий трансформатор для живлення лампи розжа­рювання, яка з'єднується з ним шнуром (12) і вмикається тумблером (13). В сахариметрі застосована міжнародна шкала, проградуйована в градусах Вентцке °В. 1° Вентцке = 0,346 кутового градуса. Шкала саха­риметра складається з рухомої основної (нижньої) шкали з ціною поділки 1° В і нерухомої додаткової (верхньої) – ноніуса з ціною поділки 0,1° В. Додатні поділки основної шкали призначені для вимірювань при дос­лідженні правоповоротних оптично активних речовин, від'ємні поділки – для лівоповоротних. Число цілих градусів відра-ховується по основній шкалі від її нуля до нульового штриха ноніуса. Десяті частини градуса відлічуються по тій поділці ноніуса, яка краще інших співпадає з поділ­кою основної шкали. Наприклад, на рис. 10 (а і б) між нулями основної шкали і ноніуса два цілих градуси, а 5-а поділка ноніуса найбільш точно співпа­дає з поділкою основної шкали. Отже, відлік кута φ дає результат +2,5°В. а)     Рис. 10 Шкала мікрогвинта сахариметра
13.	Закон Малюса	Якщо плоскополяризоване світло, що виходить з кювети з оптично активною речовиною, попадає на аналізатор,то останній пропускаєчерез себе лише частину його. Залежність між пропущеною через аналізатор інтенсивністю І світла і падаючою на нього інтенсивністю І0 запишеться так: І = І0cos2α (9), де α– кут між головними площинами поляризатора і аналізатора.
14.	Використання поляризова-ного світла в біології і медицині	Крім визначення концентрації оптично активних речовин в розчинах і тканинах організму поляри-зоване світло використовується для вивчення складу і структурибіологічних молекул (білків, амінокислот, ДНК і РНК, пептидів тощо); для кількісного аналізу біологічних речовин; для дослідження швидкопротікаючих процесів, наприк-лад, структурних перетворень в біологічних молекулах при дії світла або радіоактивного випромінювання. При дії на організм людини механічних навантажень в різних місцях тіла (суглобах, м’язах, кістках) відбуваються деформації тканин, іноді, дуже небезпечні для здоров’я. Для їх дослідження виготовляють із прозорих матеріалів, наприклад, плексигласу відповідні моделі, які розміщують між поляризатором та аналізатором і піддають їх дії деформації. При цьому в плексигласі (до речі ізотропній речовині) виникають в різних місцях оптичні анізотропії, які свідчать про розподіл механічних деформацій в тих чи інших місцях кісток, суглобів і т.д. За допомогою поляризованого світла вивчають будову (структуру) тканин організму (м’язів, нервових волокон, кісток тощо). Для вказаних вище досліджень виготовляють цілий ряд спеціальних приладів, таких, як: поляриметр, сахариметр, поляризаційний мікроскоп, поляри-заційний спектрофотометр та інші. Детальніше про це дивіться у підручниках з курсу фізики Ремізова, Лівенцева, Чалого та інших авторів.

4.2. Завдання для самостійної роботи та самоконтролю

4.2.1. Яка природа світла? Чому його хвилі є поперечними?

4.2.2. Дати визначення поляризованому світлу. Чим воно відрізняється від природного?

4.2.3. Дати визначення оптичної вісі кристалу.

4.2.4. Дати визначення головної площини кристалу.

4.2.5. Яке випромінювання (світло) називається поляризованим?

4.2.6. Які кристали (речовини) називаються анізотропними, ізотропними?

4.2.7. В чому полягає подвійне променезаломлення? Які властивості звичайного і незвичайного променів?

4.2.8. Назвати явища при яких відбувається поляризація світла.

4.2.9. Які прилади, явища використовуються для отримання поляризованого світла?

4.2.10. Явища дихроїзму. Поляроїди.

4.2.11. Чому розчин цукру обертає площину поляризації світлового променя?

4.2.12. Поляриметрія. Використання в медицині.

4.2.13. В чому суть законів Брюстера, Біо і Малюса? Вміти записати і пояснити.

4.2.14. Оптична схема поляриметра (сахариметра). Нарисувати, пояснити.

4.2.15. Формула визначення кута повороту обертання площини поляризації оптично активною речовиною.

4.2.16. Що таке питоме обертання оптично активної речовини?

4.2.17. Використання поляризованого світла в медицині.

4.2.18. Які речовини організму і що в них вивчається за допомогою поляризованого світла?

4.2.19. Які ви знаєте поляризаційні прилади, що використовуються в науковій і практичній медицині?

Відповіді на ці питання знайдете в попередньому параграфі 4.1.

Методичні поради (вказівки) до виконання завдання:

Згідно базових питань спочатку вивчіть матеріал цієї теми в правій колонці таблиці № 2. Потім закрийте листом паперу праву колонку і спробуйте коротко письмово відповісти на вказані вище питання. Після цього звірте Ваші відповіді з відповідями на базові питання, що були закриті листком в правій частині таблиці. З цього порівняння (звіряння) дізнаєтесь як Ви підготувалися до заняття.

Примітка: Базові питання таблиці № 2 повністю корегують з теоретичними питаннями, що в п. 5.1 (див. нижче).

5. САМОСТІЙНА РОБОТА СТУДЕНТІВ

ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ № 25

5.1. Теоретичні питання до заняття

5.1.1. Електромагнітна природа світла. Природне і поляризоване світло.

5.1.2. Поляризація світла при подвійному променезаломленні. Звичайний і незвичайний промені, їх властивості.

5.1.3. Поляризація світла в анізотропних речовинах. Оптична вісь кристала. Головна площина кристала. Площина поляризації.

5.1.4. Одержання поляризованого світла за допомогою призми Ніколя. Пояснити, використовуючи відповідний рисунок.

5.1.5. Поляризація світла при відбиванні і заломленні. Записати і пояснити закон Брюстера.

5.1.6. Явище повертання (обертання) площини поляризації світла оптично активними речовинами. Визначення питомого кута обертання.

5.1.7. Дисперсія оптичної активності. Записати і пояснити закон Біо.

5.1.8. Суть поляриметричних методів дослідження. Закон Малюса.

5.1.9. Оптична схема поляриметра (сахариметра). Будова і принцип дії сахариметра.

5.1.10. Застосування поляризованого світла для медико-біологічних досліджень.

5.2. Домашнє завдання

5.2.1. Підготувати протокол Лабораторної роботи № 25 за прийнятою

на кафедрі схемою (див. джерело [6], стор.4).

5.2.2. Вивчити подані вище теоретичні питання.

5.3. Практичні завдання, які виконуватимуться на занятті при

виконані лабораторної роботи №25:

Завдання №1. Ознайомлення з приладами та їх роботою.

Завдання №2. Підготовка сахариметра до роботи. Оволодіння навичками роботи з ним.

Завдання № 3. Визначення концентрації цукру в розчині.

Завдання № 4. Обробка і аналіз результатів вимірювань. Висновок з роботи.

5.4. Проведення тестового контролю знань, набутих при вивченні цієї теми

Таблиця №3

Див. нижче додаток № 1 до лабораторної роботи № 25

АУДИТОРНА РОБОТА (90 хв.)

Порядок проведення заняття по видам роботи і регламенту

1. Вступ ……………………………………………………………. 2 хв.

2. Основна частина ………………………………………………. 88 хв.

а) Перевірка виконання дом. завдання …………………….. 8-10хв.

б) Відповіді на запитання студентів …………...……………. 5-8 хв.

в) Виконання лабораторної роботи ………...…………….. 40-45 хв.

г) Обробка і аналіз отриманих результатів експерименту ….. 20хв.

3. Тестування знань студентів, набутих при вивченні теми ……. 15 хв.

4. Заключна частина ………………………………………….... до 5 хв.

а) Оголошення результатів тестування ………………………. 4 хв.

б) Завдання до наступного заняття …………………………… 1 хв.

7. ЛІТЕРАТУРА

Основна:

1. Ремизов А.Н. Курс физики, электроники и кибернетики. М., Высшая школа, 1982

2. Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. М., Высшая школа, 1987

3. Ремизов А.Н. Курс физики, том. 2. М., Высшая школа, 1976.

4. Ливенцев Н.М. Курс физики, том 2, М., Высшая школа, 1978.

5. Ливенцев Н.М. Курс физики, том 2, М., Высшая школа, 1974.

6. Дяков В.А. і співавтори. Лабораторний практикум з медичної і біологічної фізики. Видавництво Віндержмедуніверситету, 1999.

Додаткова:

1. Агапов Б.Т. и соавторы. Лабораторный практикум по физике. М., Высшая школа, 1987.

2. Эссаулов И.А. и соавторы. Руководство к лабораторным работам по медицинской и биологической физике. М., Высшая школа, 1987.

3. Геворкян Р.Г., Шепель В.В. Курс общей физики. М., Высшая школа, 1972.