大学物理实验报告之旋光仪

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2024年1月4日发(作者：)

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大学物理实验报告

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实验日期 2017 年6 月13 日 实验地点：实验楼B415室

实验名称

【实验目的】

1.了解旋光仪的原理及构造。

2.观察偏振光通过旋光性药物的旋光现象。

3.掌握用旋光仪测量旋光性物质溶液浓度的方法。

【实验器材】

旋光仪、待测溶液（蒸馏水、葡萄糖、维生素Ｃ、左旋多巴）、温度计。

【实验原理】

光是电磁波，它的电场和磁场矢量互相垂直，且又垂直于光的传播方向。通常用电矢量代表光矢量，并将光矢量与光的传播方向所构成的平面称为振动面。在传播方向垂直的平面，光矢量可能有各种各样的振动状态，被称为光的偏振态。若光的矢量方向是任意的，且各方向上光矢量大小的时间平均值是相等的，这种光称为自然光。若光矢量可以采取任何方向，但不同的方向其振幅不同，某一方向振动的振幅最强，而与该方向垂直的方向振动最弱，则称为部分偏振光。若光矢量的方向始终不变，只是其振幅随位相改变，光矢量的末端轨迹是一条直线，则称为线偏振光。

当线偏振光通过某些透明物质（例如葡萄糖溶液）后，偏振光的振动面将以光的用旋光仪测量液体的浓度

组号 第 组

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传播方向为轴线旋转一定角度，这种现象称为旋光现象（如图1），能使其振动面旋转的物质称为旋光性物质，旋转的角度φ称为旋光度。旋光性物质不仅限于像糖溶液、松节油等液体，还包括石英、朱砂、松节油、各种糖类及酒石酸都是旋光物质。不同的旋光性物质可使偏振光的振动面向不同方向旋转。若面对光源，使偏振光的振动面顺时针旋转的物质称为右旋物质；使振动面沿逆时针旋转的物质称为左旋物质。

物质的旋光性是和它的生理活性密切相关的。例如，某些药物中具有左旋特性的成分是对生物有效的，而具有右旋特性的成分可能是完全无效的。又如某些物质用特定的溶剂配制时，为左旋；以另一种溶剂配制时又表现为右旋。因此，对旋光现象的观察，能帮助我们分析药物的作用机制，以及研究怎样通过合理的溶质、溶剂的配制来提高药物的疗效，这在药物分析及制剂中经常要用到。

振动面旋转的角度，在给定波长的情况下，对固体来说，与旋光物质的厚度成正比；而对液体来说，不仅与厚度有关，还与旋光物质的溶液浓度成正比，用下式表示：=[]t，式1中φ表示偏振光振动面旋转的角度，称为旋光度，它的单位CL（式1）为度；C表示溶液的浓度，单位为g/ml；L表示光通过的溶液厚度，单位为dm。比例常数α称为该旋光物质的旋光率，又称为比旋度。α的上下标t和λ分别表示实验时的温度和所用光源的波长，如用纳光源就记为D，即[]tD。

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若已知旋光物质在测量温度时的旋光率，测得旋光度后，根据式1就可以计算溶液浓度。如果溶液浓度已知，则能计算出物质在某一温度下的旋光率[]tD。由化学知识可知，分子结构的不对称是造成这种物质具有旋光性的原因。因此，我们还可以通过对旋光现象的观察，来鉴定旋光性溶质的性质，研究物质的分子结构及结晶形状。

物质的旋光性测量的简单原理如图2所示。首先将起偏镜与检偏镜的偏振方向调到正交，我们观察到视场最暗。然后装上待测旋光溶液的试管，因旋光溶液的振动面的旋转，视场变亮，为此调节检偏镜，再次使视场调至最暗，这时检偏镜所转过的角度，即为待测溶液的旋光度。

光源

溶液

P1

图2 物质的旋光性测量简图

P2

眼睛

由于人们的眼睛很难准确地判断视场是否全暗，因而会引起测量误差。为此该旋光仪采用了三分视场的方法来测量旋光溶液的旋光度。从旋光仪目镜中观察到的视场分为三个部分，一般情况下，中间部分和两边部分的亮度不同。当转动检偏镜时，中间部分和两边部分将出现明暗交替变化。

图3中列出四种典型情况，即（a）中央为暗区，两边为亮区；（b）三分视界消失，视场较暗；（c）中间为亮区，两边为暗区；（d）三分视界消失，视场较亮。

中间为暗区两边为亮区

（a）

三分视界消失

视场较暗

（b）

中间为亮区两边为暗区

（c）

三分视界消失

视场较亮

（d）

图3 转动检偏镜时，目镜中视场明暗变化

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在图4中,

OP表示通过起偏镜后的光矢量，而OP´则表示通过起偏镜与石英片后的偏振光的光矢量，OA表示检偏镜的偏振化方向，OP和OP´与OA的夹角分别为β和β´，OP和OP´在OA轴上的分量分别为OPA和OPA´。转动检偏镜时，OPA和OPA´的大小将发生变化，于是从目镜中所看到的三分视场的明暗也将发生变化(见图4的下半部分)。图中画出了四种不同的情形：

(1)

β´>β,OPA>OPA´，从目镜观察到三分视场中与石英片对应的中部为暗区，与起偏镜直接对应的两侧为亮区，三分视场很清晰。当β´=π/2时，亮区与暗区的反差最大。

(2)

β´=β,OPA=OPA´三分视场消失，整个视场为较暗的黄色。

(3)

β´<β,OPA

(4)

β´=β,OPA=OPA´三分视场消失，由于此时OP和OP´在OA轴上的分量比第二种情形时大，因此整个视场为较亮的黄色。

由于在亮度较弱的情况下，人眼辨别亮度微小差别的能力较强，所以常取图4（2）. .word.资料. ..

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所示的视场为参考视场，并将此时检偏镜偏振化方向所在的位置作为刻度盘的零点，故称该视场为零度视场。

当放进了待测旋光液的试管后，由于溶液的旋光性，使线偏振光的振动面旋转了一定角度，使零度视场发生了变化，只有将检偏镜转过相同的角度，才能再次看到图4（2）所示的视场，这个角度就是旋光度，它的数值可以由刻度盘和游标上读出。

实验时，将旋光性溶液注入已知长度L的测试管中，把测试管放入旋光仪的试管筒，这时OP和OP´两束线偏振光均通过测试管，它们的振动面都转过相同的角度α，并保持两振动面间的夹角为2θ不变。转动检偏镜使视场再次回到图4(2)状态，则检偏镜所转过的角度就是被测溶液的旋光角α。

【实验步骤】

1.首先用蒸馏水校正仪器的零点。打开光源几分钟后，调整目镜聚焦，使视场清晰，将装满蒸馏水的测试管置于测试管架上，旋转检偏镜使三部分（三萌板式旋光计)视野暗度相等，记下分度盘读数，重复测量5次取平均值，此平均值即为零点，并做好记录。

2.观察维生素Ｃ、左旋多巴等药物的旋光性（定性）。将已装好的维生素Ｃ、左旋多巴溶液的测试管先后置于测试管架上观察它们的旋光性，并注意它们的旋转方向，确定待测物质是左旋或是右旋。

3.测定已知浓度葡萄糖溶液的旋光率。把装有浓度为5%的葡萄糖溶液的测试管放到测试管架，旋转检偏镜使视场三部分（三萌板式旋光计）一样暗时，记下刻度盘上的读数，重复5次取平均值，校正零点的读数后. .word.资料. ..

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得到实际旋光度的读数φ，由式１=[]CL求出葡萄糖的旋光率，并与标准值进行比较，计算绝对误差和相对误差。

4.测定葡萄糖溶液的浓度。用未知浓度的葡萄糖洛液，按上述方法测出旋光度φ，应用步骤3中所求得的旋光率，计算未知溶液含糖百分比，并记下实验温度。

【数据记录与处理】

室温t=

°C

1次

空管

t2次 3次

管长L左

右

左

右

左

右



（mm）



C标准

C未

标准浓度的糖溶液的旋光率=

未知浓度糖溶液的浓度c=

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【原始实验数据粘贴处】

【思考题】

1． 为什么用半荫法比只用起偏镜和检偏镜测旋光度更准确？

因为人的眼睛难以准确地判断视场是否最暗，故多采用半荫法，用比较视场中相邻两光束的强度是否相同来确定旋光度。

用两块偏振片测量时，需将两块偏振片的偏振轴调至正交，此时，从目镜中看到的视场将是最暗的，这就是测量需确定的零点。实际操作中，因人眼很难准确地判断视场是否最暗，即难以把握两块偏振片的偏振轴完全正交，所以测量时，判断较难，误差较大。

而采用半荫法，是用比较视场中相邻两光束的强度是否相同来代替视场是否达到最暗，即把目镜中三分视场的分界线消失、亮度均匀且较暗的状态作为参考视场（零点）进行测量，所以测量中既便于观察调节，又容易判. .word.资料. ..

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断。由此可知用半荫法测量比单用两块偏振片测量更方便、更准确。

2． 为什么在装待测液的试管中不能留有较大气泡？

因为若试管中留下较大气泡，则试管中的溶液厚度就不能用试管长度代替，而其厚度难以测定，故而影响对其旋光率和浓度的测定。同时，大的气泡会影响观察视场中的变化，从而影响旋光度的测量，所以试管中不应留有较大气泡。

3． 实验结果的误差来源主要有哪些？

1. 空程引入的误差

实验中旋转检偏器的度盘转动手轮时，如果操作不当会产生空程误差，正确的做法应该是朝一个方向旋转检偏器的度盘转动手轮，直到视场中三部分弱照度相等(零度视场)为止。

2.

调焦引入的误差

没有放人糖溶液的时候我们调清晰的视场会在放入糖溶液后变得模糊，由于糖的折射率与溶液的浓度有关，因而不同浓度的试管放入后，由于折射率的变化，调清晰的视场也会变得模糊，均需要重新调节焦距，此时如果忘记调焦也会产生实验误差，如果每次测量都调焦会提高测量的精度。

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3.

试管长度差异引起的误差

对同一浓度的几只试管，由于长度不可能严格相等，同一浓度的不同试管换过之后也要注意，如果视场模糊也需调焦。

4. 气泡、温度、测量等引起的误差

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本文标签： 视场溶液物质测量