Інформація для вчителів
Застосування
Обертання площини поляризації в розчині цукру
Сахариметр - це прилад, який слугує для визначення концентрації розчину цукру. Метод вимірювання ґрунтується на властивості оптичної активності використаних речовин. Лінійно поляризоване світло, проходячи крізь розчин цукру, повертає свій напрямок поляризації. За кутом обертання можна визначити концентрацію. Зокрема, можна дослідити кінетику процесу розщеплення сахарози на глюкозу та фруктозу. Перебіг хімічної реакції можна спостерігати за виміряним кутом обертання.
Інша інформація для вчителів (1/5)
Попередні знання
Учні мають володіти знаннями про поляризаційні та відбивні властивості світла.
Принцип
Оптично активні речовини, як-от розчин цукру та кварц, повертають площину поляризації світла, що проходить крізь них. Оптичну активність спричиняє форма молекул розчиненого цукру або ґраткова структура кварцу.
Інша інформація для вчителів (2/5)
Навчальна мета
На цьому досліді учні мають ознайомитися з явищами обертальної дисперсії, її залежністю від , і , а також із принциповою будовою сахариметра.
Завдання
Кут обертання для світла певного кольору залежить від товщини шару та концентрації розчину цукру. Це й треба дослідити в цьому досліді.
Інша інформація для вчителів (3/5)
Додаткові відомості
Кут , на який повертається площина поляризації світла в розчині цукру, залежить від довжини хвилі світла, від концентрації розчину, а також від товщини шару (шляху, який світло проходить у розчині).
Це явище називають обертальною дисперсією і використовують, наприклад, для визначення концентрації оптично активних речовин у розчинах. Прилад, яким можна визначати саме концентрацію розчинів цукру, називається сахариметром.
Існують правообертальні та лівообертальні оптично активні речовини.
Інша інформація для вчителів (4/5)
Вказівки щодо складання та виконання
Дослід треба виконувати в дуже добре затемненому приміщенні.
Учитель має завчасно приготувати достатню кількість концентрованого розчину цукру - правообертальний зі звичайного харчового цукру, лівообертальний із фруктози (по 100 мл для кожної групи учнів).
Високу концентрацію розчину цукру (0,5 г/мл) обрано для того, щоб відносні похибки вимірювання кута обертання, який можна зчитати щонайточніше до 1 градуса, не були надто великими.
Інша інформація для вчителів (5/5)
Зауваження
Виміряні значення слід розглядати як приклади, бо вони залежать від використаного сорту цукру.
З міркувань часу доцільно, щоб останній крок досліду з лівообертальним розчином цукру виконали лише ті групи учнів, які працюють найшвидше. Свій результат вони можуть повідомити решті учнів.
Для пояснення поняття «правообертальний» може стати в пригоді рисунок.
- напрямок поляризації поляризатора
- напрямок поляризації аналізатора
- кут обертання до гасіння
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
У цьому досліді йдеться про дослідження так званої моделі сахариметра. За допомогою цієї моделі можна визначити концентрацію розчину цукру. Це використовують, наприклад, під час процесу розщеплення сахарози на глюкозу та фруктозу, щоб визначити перебіг хімічної реакції.
Зображення цукрової гірки
Завдання
Як працює сахариметр?
Складіть модель сахариметра й дослідіть, як поводиться розчин цукру, крізь який проходить поляризоване світло різної довжини хвилі. Дослідіть також, чи залежать спостережувані явища від товщини шару та концентрації розчину цукру і як саме.
Схема досліду
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Освітлювач галогенний, 12 В / 20 Вт | 09801-00 | 1 |
| 2 | Основа зі стрижнем для освітлювача для оптичної лави | 09802-20 | 1 |
| 3 | Оптична лава для учнівських дослідів, l = 600 мм | 08376-00 | 1 |
| 4 | Набір світлофільтрів для адитивного змішування кольорів | 09807-00 | 1 |
| 5 | Діафрагми з отворами, d = 1, 2, 3 і 5 мм | 09815-00 | 1 |
| 6 | Лінза на ковзній опорі, f = +50 мм | 09820-01 | 1 |
| 7 | Лінза на ковзній опорі, f = +100 мм | 09820-02 | 1 |
| 8 | Ковзна опора для оптичної лави | 09822-00 | 2 |
| 9 | Оправа зі шкалою на ковзній опорі | 09823-00 | 1 |
| 10 | Столик зі стрижнем | 09824-00 | 1 |
| 11 | Кювета, подвійний півкруг, r = 30 мм | 09810-06 | 1 |
| 12 | Екран, білий, 150x150 мм | 09826-00 | 1 |
| 13 | Поляризаційний фільтр, 50 мм x 50 мм | 08613-00 | 2 |
| 14 | Тримач діафрагм, накидний | 11604-09 | 2 |
| 15 | Мензурка, низька, 250 мл | 46054-00 | 1 |
| 16 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
Додаткове обладнання
| Позиція | Обладнання | Кількість |
|---|---|---|
| 1 | D(-) - фруктоза | |
| 2 | Лінійка | 1 |
| 3 | Вбирний папір |
Складання (1/3)
Складання (1/2)
Складіть оптичну лаву з обох штативних стрижнів і змінної штативної основи та прикладіть масштабну лінійку.
Складання (2/3)
- Складіть освітлювач за рисунками праворуч угорі та закріпіть освітлювач у лівій частині штативної основи так, щоб він був повернутий боком із лінзою від оптичної лави.
- Насуньте світлонепроникну діафрагму перед лінзу освітлювача. Закріпіть екран у правій частині штативної основи.
Складання (3/3)
- Поставте лінзу з безпосередньо біля освітлювача на оптичну лаву.
Вставте діафрагму з отвором і поляризаційний фільтр (поляризатор) у тримач діафрагм і насуньте його на оправу лінзи з (діафрагмою з отвором до лінзи).
Виконання (1/5)
- Під'єднайте освітлювач до блока живлення (12 В~) і увімкніть блок живлення.
Установіть лінзу з приблизно на 39 см і, пересуваючи лінзу, отримайте різке зображення отвору діафрагми.
Вставте другий поляризаційний фільтр (аналізатор) у другий тримач діафрагм і насуньте його на оправу зі шкалою так, щоб її позначка стояла над нульовою поділкою шкали.
Виконання (2/5)
- Установіть оправу зі шкалою приблизно на 20 см; якщо екран не темний або темний не повністю, повертайте поляризатор, доки світла пляма не зникне, тобто доки фільтри не будуть схрещені.
Установіть ковзну опору зі столиком приблизно на 13 см; поставте на столик лабораторний стакан зі 100 мл концентрованого розчину цукру (50 г цукру в 100 мл розчину, тобто концентрація c = 0,5 г/мл) так, щоб пучок світла проходив крізь розчин цукру вздовж діаметра стакана, і спостерігайте за екраном.
Повільно повертайте аналізатор від 0° до 90° праворуч і знову назад до 0°, спостерігайте при цьому за екраном і запишіть спостереження.
Виконання (3/5)
Налаштування червоного світлофільтра
- Насуньте червоний світлофільтр у гніздо освітлювача й повертайте аналізатор праворуч, доки екран не стане темним. Зчитайте потрібний кут обертання .
Замініть червоний світлофільтр послідовно на зелений і синій, щоразу вимірюйте кут обертання, потрібний для гасіння.
Зауваження: світло, яке пропускають світлофільтри, не зовсім одноколірне. Тому абсолютної темряви на екрані досягти не вдасться. Для вимірювань установлюйте кути обертання так, щоб настало якнайбільше гасіння. Зокрема, при використанні синього світлофільтра треба зважати на те, що він пропускає значну частку червоного; тому аналізатор доводиться повертати доти, доки світла пляма не набуде червоного вигляду.
Виконання (4/5)
Вставте зелений світлофільтр і далі працюйте лише із зеленим світлом.
Виміряйте внутрішній радіус кювети з подвійним півкругом і поставте кювету замість лабораторного стакана на столик так, щоб її перегородка стояла перпендикулярно до оптичної осі.
Спочатку налийте розчин цукру лише в одну половину кювети - стільки, щоб пучок світла повністю проходив крізь розчин, - і виміряйте кут обертання, потрібний для гасіння. Запишіть внутрішній радіус (товщину шару d) і кут обертання .
Наповніть розчином цукру й другу половину кювети (подвоєння товщини шару); виміряйте кут обертання і запишіть його разом із товщиною шару.
Виконання (5/5)
- Виміряйте внутрішній діаметр лабораторного стакана.
Перелийте розчин цукру з кювети назад у лабораторний стакан; додайте 100 мл води і в такий спосіб удвічі зменште концентрацію; перемішайте розчин, поставте лабораторний стакан на столик, як під час першого вимірювання, виміряйте кут обертання.
Вилийте 100 мл розчину з лабораторного стакана і знову долийте в стакан 100 мл води - так ви зменшите концентрацію до чверті. Перемішайте розчин, виміряйте кут обертання.
Спорожніть лабораторний стакан і наповніть його 100 мл концентрованого розчину фруктози. Знову визначте кут обертання для зеленого світла. Запишіть кут обертання і напрямок обертання.
Вимкніть блок живлення й почистіть використані прилади.
Протокол
Завдання 1
Поясніть свої спостереження. Обертання площини поляризації світла, що проходить крізь розчин цукру, залежить від ____ світла. За певного кута повороту аналізатора завжди гаситься певний колір спектра, і світла пляма на екрані має вигляд змішаного кольору, ____ до згаслого. Площина поляризації червоного світла повертається ____, а синього світла - ____.
Завдання 2
Питання
Питання
Питання
Завдання 3
Питання
Завдання 4
Як у принципі побудований сахариметр і для чого його можна використовувати? Сахариметр складається з джерела ____ світла, ____ посудини для досліджуваної цукровмісної рідини та аналізатора. ____ містить вимірювальний пристрій для зчитування ____ або концентрації розчину цукру. Сахариметр можна використовувати, наприклад, для контролю вмісту цукру у фруктовому соку чи вині.