实验** 液体旋光率的测定
[引言]
线偏振光通过某些物质后，偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。旋转的角度称为旋转角或旋光度，能够使线偏振光振动面发生旋转的物质，称为旋光物质。面向光源，如果旋光物质使偏振光的振动面沿逆时针方向旋转，称为左旋物质。反之，若使偏振光的振动面沿顺时针方向旋转，称为右旋物质。最早是发现石英晶体有这种现象，后来相继发现在糖溶液、松节油、硫化汞、氯化钠等液体中和其他一些晶体中都有旋光现象。旋光仪是测定旋光物质旋光度的仪器，通过对旋光度的测定可确定物质的浓度、纯度、比重、含量等，可供一般的成分分析之用，广泛应用于石油、化工、制药、香料、制糖及食品、酿造等工业。
[预习提示]
1. 液体的旋光率与哪些物理量有关？
2. 如何确定旋光仪的零度视场？
3. 本实验采用了什么方法测液体的旋光度？
[实验目的]
1. 了解旋光仪的结构、原理及使用。
2．观察旋光物质的旋光现象。
3. 学会用旋光仪测液体的旋光率和浓度。
[实验仪器]
旋光仪，试管，葡萄糖溶液。
[实验原理]
1．起偏镜 2．起偏镜偏振化方向 3．旋光物质
4．检偏镜偏振化方向 5．旋光角 6．检偏镜 图**-1 旋光的产生示意图
单色偏振光通过液体旋光物质时，其振动面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象，如图**-1 所示。振动面旋转的角度与旋光物质的性质、厚度L、浓度C有关，其关系式为：
∆Φ=αCL （**-1）
其中，∆Φ是用波长为λ的偏振光时测得的旋转角度，称为旋光度，单位为度（°）；α为比例系数，称为物质的旋光率。若溶液浓度C的单位为kg·m-3，溶液厚度L的单位为m，则α的单位为（°）·m2·kg-1。工业上α的单位通常为（°）·cm3·dm-1·g-1。在数值上等于偏振光通过单位长度（1m）、单位浓度（1kg·m-3）的溶液后引起振动面旋转的角度。
1
实验表明，同一旋光物质对不同波长的光有不同的旋光率。在一定温度下，α∝λ，即旋光率随波长减小而迅速增大，这种现象称为旋光色散。旋光率还与旋光物质的温度有关，如蔗糖水溶液，温度每升高（或降低）1℃，其旋光率约减小（或增加）0.024°cm³·dm-1·g-1。
旋光率α值可正、可负。面向光源，如果偏振光的振动面沿顺时针方向旋转，则称为右旋光，旋光率用正值表示。反之，如果振动面沿逆时针方向旋转，则称为左旋光，相应的旋光率用负值表示。
因为人的眼睛难以准确地判断视场是否最暗，故多采用半荫法比较相邻两光束的强度是否相等来确定旋光度。若在起偏镜后加一石英晶片，此石英片和起偏镜的一部分在视场中重叠。随石英片安放的位置不同，可将视场分为二分视场（图**-2（a）所示）或三分视场（图**-2（b）），同时在石英片旁装上一定厚度的玻璃片，补偿由石英片产生的光强变化。取石英片的光轴平行于自身表面并与起偏轴成一角度θ（仅几度）。入射光经起偏镜后变成线偏振光，其中一部分光再经过石英片（其厚度恰使在石英片内分成的e 光和o 光相位差为π的奇数倍，出射的合成光仍为线偏振光）出射，其偏振面相对于入射光的偏振面转过了2θ，所以进入测试管里的光是振动面间夹角为2θ的两束线偏振光。
2
（a）二分视场 （b）三分视场 图**-2 石英片的两种安装方法 图**-3 转动检偏镜时，目镜中视场的亮暗变化图 （a）大于或小于零度视场；（b）零度视场； （c）小于或大于零度视场；（d）全亮视场。
在图**-3中，如果以OP 和OA 分别表示起偏镜和检偏镜，OP′表示透过石英片后偏振光的振动 2
'分别表示通过起偏镜和起方向，β表示OP 与OA 的夹角，β'表示OP′与OA 的夹角；以AP和AP
'的大小将发生变化，从偏镜加石英片的偏振光在检偏镜轴向的振幅分量；当转动检偏镜时，AP和AP
目镜中见到的视场将出现亮暗交替变化（图**-3的下半部分）。
图中列出了四种显著不同的情形：
'通过检偏镜观察时，与石英片对应的部分为暗区，与起偏镜对应的部分（a）β'>β、AP>AP
为亮区，视场被分成清晰的二（或三）部分。当β'=π2时，亮暗反差最大。
'通过检偏镜观察时，视场中二（或三）部分界线消失，亮度相等，较暗。（b）β'=β、AP=AP
'通过检偏镜观察时，视场又被分成清晰的两（或三）部分，与石英片对（c））β'应的部分为亮区，与起偏镜对应的部分为暗区。当β=π2时，亮暗反差最大。
'通过检偏镜观察时，视场中二（或三）部分界线消失，亮度相等，较亮。（d）β'=β、AP=AP
由于在亮度不太强的情况下，人眼辨别亮度微小差别的能力较大，所以常取图**-3b所示的视场作为参考视场（称为零度视场），并将此时检偏镜的偏振轴所指的位置取作刻度盘的零点。在旋光仪中放上测试管后，透过起偏镜和石英片的两束偏振光均通过测试管，它们的振动面转过相同的角度，并保持两振动面间的夹角2θ不变。如果转动检偏镜，使视场仍旧回到图**-3b所示的状态（零度视场）。则检偏镜转过的角度即为被测试溶液的旋光度∆Φ。
[仪器描述
]
图**-4 旋光仪结构示意图
1-光源；2-会聚透镜；3-滤色片；4-起偏镜；5-石英片；6-测试管；
7-检偏镜；8-望远镜物镜；9-刻度盘；10-望远镜目镜；11-刻度盘转动手轮
旋光仪是测量旋光溶液的旋光度∆Φ的仪器，其结构如图**-4所示。测量时，先将旋光仪中起偏 3
镜4和检偏镜7的偏振轴调成相互正交，即在目镜10中看到最暗的视场；然后装上测试管6，因旋光现象引起振动面旋转，目镜中的视场变亮，转动检偏镜7，使其变为最暗，此时偏振镜旋转的角度即为管测溶液的旋光度∆Φ。
仪器的读数装置由刻度盘和游标盘组成，其中刻度盘与检偏镜连为一体，利用刻度盘调节手轮调节。刻度盘上等分为360个格，每格为1°，角游标上等分20个格，其分度为0.05°。为消除刻度盘的偏心差，采用双游标读数，测量时两个游标都读数，取其平均值。
[实验内容]
1．调整旋光仪
（1）接通旋光仪电源，开启开关，预热10分钟，待钠光灯发光正常可开始工作。
（2）在没有放测试管时，调节望远镜调焦手轮，使三分视场清晰。调节刻度盘转动手轮，观察并熟悉视场明暗变化的规律。
（3）定零度位置。在仪器中放入空试管后，转动刻度盘转动手轮，使三分视场亮度相等且较暗，即为零度视场，此时刻度盘上读数即为零点位置读数。从左右两个读数视窗分别读数Φ0左、Φ0右，求二者平均值为Φ0，多次测量再去平均值0为仪器的零点位置读数。
2．测定旋光性溶液的旋光率和浓度
（1）将事先配制成不同浓度的测试溶液，分别注入各测试管内。
（2）转动刻度盘转动手轮，找到零度视场位置，记录左右读数视窗的读数Φ左、Φ右，多次测量，求平均值，这时溶液的旋光度为∆Φ=-0。
（3）将装有未知浓度的溶液的测试管放入旋光仪，重复上步骤（2），测出其旋光度。
（4）测试完毕，关闭开关，切断电源。
[注意事项]
1．溶液应装满试管，不能有较大气泡。注意让残留气泡留在试管中间的凸起部分。
2．注入溶液后，试管和试管两端透光窗均应擦净才可装上旋光仪。
3．只能沿同一方向转动刻度盘转动手轮，以免产生空程误差。
4．试管的两端经精密磨制，以保证其长度为确定值，使用时应十分小心，以防损坏试管。
5．所有镜片，包括测试管两头的护片玻璃都不能用手直接揩拭，应用柔软的绒布或镜头纸擦拭。
6. 每次调换溶液，试管应清洁干净。
[数据处理]
室温t= °C
4
数据处理要求：
（1）由公式（**-1）求出已知浓度的糖溶液的旋光率α。
（2）测出未知浓度糖溶液的旋光率，并由公式（**-1），求出其浓度。
（3）判断本实验用的糖溶液是何种旋光物质（是左旋还是右旋物质）？
[讨论及拓展]
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？
2．为什么在装待测液的试管中不能留有较大气泡？
[参考文献]
1. 石星军.大学物理实验.国防工业出版社，2006.
2. 方利广.大学物理实验.同济大学出版社，2006.
5
实验** 液体旋光率的测定
[引言]
线偏振光通过某些物质后，偏振光的振动面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象。旋转的角度称为旋转角或旋光度，能够使线偏振光振动面发生旋转的物质，称为旋光物质。面向光源，如果旋光物质使偏振光的振动面沿逆时针方向旋转，称为左旋物质。反之，若使偏振光的振动面沿顺时针方向旋转，称为右旋物质。最早是发现石英晶体有这种现象，后来相继发现在糖溶液、松节油、硫化汞、氯化钠等液体中和其他一些晶体中都有旋光现象。旋光仪是测定旋光物质旋光度的仪器，通过对旋光度的测定可确定物质的浓度、纯度、比重、含量等，可供一般的成分分析之用，广泛应用于石油、化工、制药、香料、制糖及食品、酿造等工业。
[预习提示]
1. 液体的旋光率与哪些物理量有关？
2. 如何确定旋光仪的零度视场？
3. 本实验采用了什么方法测液体的旋光度？
[实验目的]
1. 了解旋光仪的结构、原理及使用。
2．观察旋光物质的旋光现象。
3. 学会用旋光仪测液体的旋光率和浓度。
[实验仪器]
旋光仪，试管，葡萄糖溶液。
[实验原理]
1．起偏镜 2．起偏镜偏振化方向 3．旋光物质
4．检偏镜偏振化方向 5．旋光角 6．检偏镜 图**-1 旋光的产生示意图
单色偏振光通过液体旋光物质时，其振动面将旋转一定的角度，这种现象称为旋光现象，如图**-1 所示。振动面旋转的角度与旋光物质的性质、厚度L、浓度C有关，其关系式为：
∆Φ=αCL （**-1）
其中，∆Φ是用波长为λ的偏振光时测得的旋转角度，称为旋光度，单位为度（°）；α为比例系数，称为物质的旋光率。若溶液浓度C的单位为kg·m-3，溶液厚度L的单位为m，则α的单位为（°）·m2·kg-1。工业上α的单位通常为（°）·cm3·dm-1·g-1。在数值上等于偏振光通过单位长度（1m）、单位浓度（1kg·m-3）的溶液后引起振动面旋转的角度。
1
实验表明，同一旋光物质对不同波长的光有不同的旋光率。在一定温度下，α∝λ，即旋光率随波长减小而迅速增大，这种现象称为旋光色散。旋光率还与旋光物质的温度有关，如蔗糖水溶液，温度每升高（或降低）1℃，其旋光率约减小（或增加）0.024°cm³·dm-1·g-1。
旋光率α值可正、可负。面向光源，如果偏振光的振动面沿顺时针方向旋转，则称为右旋光，旋光率用正值表示。反之，如果振动面沿逆时针方向旋转，则称为左旋光，相应的旋光率用负值表示。
因为人的眼睛难以准确地判断视场是否最暗，故多采用半荫法比较相邻两光束的强度是否相等来确定旋光度。若在起偏镜后加一石英晶片，此石英片和起偏镜的一部分在视场中重叠。随石英片安放的位置不同，可将视场分为二分视场（图**-2（a）所示）或三分视场（图**-2（b）），同时在石英片旁装上一定厚度的玻璃片，补偿由石英片产生的光强变化。取石英片的光轴平行于自身表面并与起偏轴成一角度θ（仅几度）。入射光经起偏镜后变成线偏振光，其中一部分光再经过石英片（其厚度恰使在石英片内分成的e 光和o 光相位差为π的奇数倍，出射的合成光仍为线偏振光）出射，其偏振面相对于入射光的偏振面转过了2θ，所以进入测试管里的光是振动面间夹角为2θ的两束线偏振光。
2
（a）二分视场 （b）三分视场 图**-2 石英片的两种安装方法 图**-3 转动检偏镜时，目镜中视场的亮暗变化图 （a）大于或小于零度视场；（b）零度视场； （c）小于或大于零度视场；（d）全亮视场。
在图**-3中，如果以OP 和OA 分别表示起偏镜和检偏镜，OP′表示透过石英片后偏振光的振动 2
'分别表示通过起偏镜和起方向，β表示OP 与OA 的夹角，β'表示OP′与OA 的夹角；以AP和AP
'的大小将发生变化，从偏镜加石英片的偏振光在检偏镜轴向的振幅分量；当转动检偏镜时，AP和AP
目镜中见到的视场将出现亮暗交替变化（图**-3的下半部分）。
图中列出了四种显著不同的情形：
'通过检偏镜观察时，与石英片对应的部分为暗区，与起偏镜对应的部分（a）β'>β、AP>AP
为亮区，视场被分成清晰的二（或三）部分。当β'=π2时，亮暗反差最大。
'通过检偏镜观察时，视场中二（或三）部分界线消失，亮度相等，较暗。（b）β'=β、AP=AP
'通过检偏镜观察时，视场又被分成清晰的两（或三）部分，与石英片对（c））β'应的部分为亮区，与起偏镜对应的部分为暗区。当β=π2时，亮暗反差最大。
'通过检偏镜观察时，视场中二（或三）部分界线消失，亮度相等，较亮。（d）β'=β、AP=AP
由于在亮度不太强的情况下，人眼辨别亮度微小差别的能力较大，所以常取图**-3b所示的视场作为参考视场（称为零度视场），并将此时检偏镜的偏振轴所指的位置取作刻度盘的零点。在旋光仪中放上测试管后，透过起偏镜和石英片的两束偏振光均通过测试管，它们的振动面转过相同的角度，并保持两振动面间的夹角2θ不变。如果转动检偏镜，使视场仍旧回到图**-3b所示的状态（零度视场）。则检偏镜转过的角度即为被测试溶液的旋光度∆Φ。
[仪器描述
]
图**-4 旋光仪结构示意图
1-光源；2-会聚透镜；3-滤色片；4-起偏镜；5-石英片；6-测试管；
7-检偏镜；8-望远镜物镜；9-刻度盘；10-望远镜目镜；11-刻度盘转动手轮
旋光仪是测量旋光溶液的旋光度∆Φ的仪器，其结构如图**-4所示。测量时，先将旋光仪中起偏 3
镜4和检偏镜7的偏振轴调成相互正交，即在目镜10中看到最暗的视场；然后装上测试管6，因旋光现象引起振动面旋转，目镜中的视场变亮，转动检偏镜7，使其变为最暗，此时偏振镜旋转的角度即为管测溶液的旋光度∆Φ。
仪器的读数装置由刻度盘和游标盘组成，其中刻度盘与检偏镜连为一体，利用刻度盘调节手轮调节。刻度盘上等分为360个格，每格为1°，角游标上等分20个格，其分度为0.05°。为消除刻度盘的偏心差，采用双游标读数，测量时两个游标都读数，取其平均值。
[实验内容]
1．调整旋光仪
（1）接通旋光仪电源，开启开关，预热10分钟，待钠光灯发光正常可开始工作。
（2）在没有放测试管时，调节望远镜调焦手轮，使三分视场清晰。调节刻度盘转动手轮，观察并熟悉视场明暗变化的规律。
（3）定零度位置。在仪器中放入空试管后，转动刻度盘转动手轮，使三分视场亮度相等且较暗，即为零度视场，此时刻度盘上读数即为零点位置读数。从左右两个读数视窗分别读数Φ0左、Φ0右，求二者平均值为Φ0，多次测量再去平均值0为仪器的零点位置读数。
2．测定旋光性溶液的旋光率和浓度
（1）将事先配制成不同浓度的测试溶液，分别注入各测试管内。
（2）转动刻度盘转动手轮，找到零度视场位置，记录左右读数视窗的读数Φ左、Φ右，多次测量，求平均值，这时溶液的旋光度为∆Φ=-0。
（3）将装有未知浓度的溶液的测试管放入旋光仪，重复上步骤（2），测出其旋光度。
（4）测试完毕，关闭开关，切断电源。
[注意事项]
1．溶液应装满试管，不能有较大气泡。注意让残留气泡留在试管中间的凸起部分。
2．注入溶液后，试管和试管两端透光窗均应擦净才可装上旋光仪。
3．只能沿同一方向转动刻度盘转动手轮，以免产生空程误差。
4．试管的两端经精密磨制，以保证其长度为确定值，使用时应十分小心，以防损坏试管。
5．所有镜片，包括测试管两头的护片玻璃都不能用手直接揩拭，应用柔软的绒布或镜头纸擦拭。
6. 每次调换溶液，试管应清洁干净。
[数据处理]
室温t= °C
4
数据处理要求：
（1）由公式（**-1）求出已知浓度的糖溶液的旋光率α。
（2）测出未知浓度糖溶液的旋光率，并由公式（**-1），求出其浓度。
（3）判断本实验用的糖溶液是何种旋光物质（是左旋还是右旋物质）？
[讨论及拓展]
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？
2．为什么在装待测液的试管中不能留有较大气泡？
[参考文献]
1. 石星军.大学物理实验.国防工业出版社，2006.
2. 方利广.大学物理实验.同济大学出版社，2006.
5