圖示法解讀旋光儀實(shí)驗(yàn)的嘗試

于希梅

(淮陰工學(xué)院數(shù)理學(xué)院 江蘇 淮安 223003)

受電子集成思想的影響，在各種大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，教學(xué)儀器的集成化程度越來越高，各種部件往往被封裝在一起，精心設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)界面趨于友好，調(diào)節(jié)方式趨于簡單．這種儀器的優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生可以很方便地操作儀器來觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，測量所需結(jié)果，在較短時(shí)間內(nèi)就能完成實(shí)驗(yàn)操作．然而，由于儀器結(jié)構(gòu)被封裝隱藏，教材對此又不能詳細(xì)介紹，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)往往只是機(jī)械地執(zhí)行操作步驟，對其中的原因、目的并不清楚，以至實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對測量原理還一知半解，影響了做實(shí)驗(yàn)的興趣，這對動(dòng)手能力和思考能力的培養(yǎng)都大為不利．

面對實(shí)驗(yàn)儀器的這種發(fā)展趨勢，發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)、解決弊病是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須要解決的問題．本人結(jié)合自己的教學(xué)體會(huì)，通過實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“用旋光儀測糖溶液的濃度”的教學(xué)案例說明，充分運(yùn)用圖示加強(qiáng)對儀器結(jié)構(gòu)和測量原理的解讀，將測量過程變成一幅幅流動(dòng)的物理圖像，是一種能夠有效地應(yīng)對儀器集成化趨勢的教學(xué)方法．

1 圖示法解讀旋光儀的結(jié)構(gòu)和測量原理

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，“用旋光儀測糖溶液的濃度”是一個(gè)典型的儀器外形簡單、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作步驟容易的例子.學(xué)生往往在較短時(shí)間內(nèi)就能得到測量數(shù)據(jù)，但完成實(shí)驗(yàn)后還不清楚旋光儀為何能夠測出這些數(shù)據(jù)．在各種實(shí)驗(yàn)教材中[1]，對旋光儀的結(jié)構(gòu)和測量原理一般有簡單的圖示解釋，但這些圖示與觀察到的現(xiàn)象相距太遠(yuǎn)，不能對其有直接的了解，特別是“三分視場”現(xiàn)象，是本實(shí)驗(yàn)的一大特色，其實(shí)現(xiàn)過程卻往往被省略．

設(shè)計(jì)旋光儀所用到的理論不超出大學(xué)物理中偏振光部分的內(nèi)容，適當(dāng)作出圖示，能夠使學(xué)生在較短時(shí)間內(nèi)掌握其測量原理．下面依照本實(shí)驗(yàn)的3個(gè)步驟分別作圖，對儀器結(jié)構(gòu)和測量原理給出清晰直觀的解釋．

1.1 觀察零度視場

如圖1所示，旋光儀的基本結(jié)構(gòu)是由鈉光源、起偏鏡、波片、檢偏鏡組成.

圖1 觀察零度視場示意圖

鈉光源發(fā)出的光經(jīng)起偏鏡后，變?yōu)檠卅两嵌确较蛘駝?dòng)的線偏振光．由于通過人眼識(shí)別最暗視場存在較大誤差，因此利用三分視場法提高識(shí)別精度，具體做法為：在起偏鏡后加一塊石英晶體制作的半波片，從圖1可看出，此波片為長條形，位于視場中央部分，中央部分的光通過波片后振動(dòng)方向?qū)l(fā)生改變，變?yōu)檠卅陆嵌确较蛘駝?dòng)的線偏振光，圖中用虛線表示；波片兩側(cè)安裝一定厚度的玻璃片，以補(bǔ)償波片吸收導(dǎo)致的光強(qiáng)變化，兩側(cè)的光通過玻璃片后仍為沿α角度方向振動(dòng)的線偏振光，振幅與中央的光相同，兩表示振幅的線段等長．由此，從偏振角度講，整個(gè)視場中的光在空間分布上已經(jīng)發(fā)生了變化，分成了三個(gè)部分，這就是所謂的三分視場．要注意的是，此時(shí)整個(gè)視場的光強(qiáng)仍是相同的．

初始時(shí)未放置樣品管，兩種偏振光通過空腔后遇到檢偏鏡．檢偏鏡與刻度盤連接在一起，可進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)．對處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的旋光儀來說，若轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡使刻度盤處于零度位置，則檢偏鏡的偏振化方向如圖1所示(與波片光軸方向垂直或平行)．根據(jù)馬呂斯定律，中央和兩側(cè)的兩種不同偏振方向的線偏振光通過檢偏器后，透射光強(qiáng)各滿足一個(gè)余弦關(guān)系式．該關(guān)系可通過振幅投影來直觀反映.將兩種偏振光的振幅都向檢偏鏡的偏振化方向投影，作出其左視圖，容易看出投影值a和b的大小相等，且數(shù)值較小．經(jīng)檢偏鏡后光到達(dá)眼睛，因此可看到整個(gè)視場中央和兩側(cè)的亮度相同，恰不出現(xiàn)三分視界線，且整個(gè)視場比較暗，這就是所謂的零度視場．因投影后振幅變小，到達(dá)眼睛的光強(qiáng)與檢偏鏡前的光強(qiáng)相比整體變小．

1.2 放入糖溶液樣品管后觀察視場的變化

如圖2所示，將裝有糖溶液的樣品管放入旋光儀后，從波片和光學(xué)玻璃出來的兩種線偏振光通過糖溶液后都產(chǎn)生了旋光現(xiàn)象——兩束光的光振動(dòng)方向都旋轉(zhuǎn)了φ角度，φ即要測量的旋光度數(shù)．為區(qū)別起見，圖中將旋轉(zhuǎn)前的振動(dòng)方向以較細(xì)的線表示．此時(shí)檢偏鏡仍然處于零度位置，類似地作出兩線偏振光振幅投影的左視圖，容易看出兩側(cè)部分的投影值c小于中央部分的投影值d，根據(jù)光強(qiáng)與振幅的關(guān)系即可判斷，將看到中央比較明亮而兩側(cè)比較昏暗的現(xiàn)象，三分視界線出現(xiàn)．若旋轉(zhuǎn)檢偏鏡，由于兩偏振光投影狀況的改變，視場中間和兩側(cè)的光強(qiáng)也將發(fā)生相應(yīng)變化，從而可看到其他的視場類型．

圖2 觀察放入糖溶液后視場變化的示意圖

1.3 再次獲得零度視場測量旋光度

眾所周知，檢偏鏡轉(zhuǎn)過的角度可通過刻度盤的讀數(shù)窗口記錄，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏鏡再次觀察到零度視場時(shí)，也就是中央和兩側(cè)亮度相同且比較暗時(shí)，檢偏鏡轉(zhuǎn)過的角度正好就是旋光度φ．如何直觀地解釋其原因呢？對比圖1和圖2，可以發(fā)現(xiàn)發(fā)生的變化是中央和兩側(cè)的光振動(dòng)方向都旋轉(zhuǎn)了角度φ，而檢偏鏡方位沒變，由此視場明暗狀況出現(xiàn)了變化，若在圖2基礎(chǔ)上進(jìn)一步將檢偏鏡也轉(zhuǎn)過φ角度，則相當(dāng)于將圖1中的投影圖整體轉(zhuǎn)動(dòng)了φ角度，則投影的結(jié)果將恢復(fù)到與圖1相同，出現(xiàn)同樣的零度視場，如圖3；反過來，當(dāng)再次出現(xiàn)零度視場時(shí)，就說明檢偏鏡剛好轉(zhuǎn)過φ角度，由此說明了測量旋光度的原理．

圖3 觀察放入糖溶液后零度視場示意圖

2 總結(jié)

三幅示意圖完整地展示了光在整個(gè)儀器中先后經(jīng)過各部件的空間流程和測量步驟流程，對三分視場產(chǎn)生的原理和各種視場類型出現(xiàn)的具體原因都給予了直觀的說明．借助各圖示，學(xué)生對觀察到的各種現(xiàn)象都能分析出其來龍去脈，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)不斷在大腦中復(fù)現(xiàn)相應(yīng)的物理圖像，從而將觀察現(xiàn)象、操作儀器和分析原理緊密結(jié)合，避免了機(jī)械記錄數(shù)據(jù)的弊端，在很大程度上能夠彌補(bǔ)儀器集成導(dǎo)致的學(xué)生囫圇吞棗式完成實(shí)驗(yàn)的缺陷．

需要注意的是，教學(xué)過程中三幅圖示要分別作圖，且作圖完整，從而便于比較，不可只在同一幅圖上改動(dòng)過渡，否則容易使初學(xué)者感覺混亂，影響教學(xué)效果．

參考文獻(xiàn)

1 徐寒，周在進(jìn)，印海辰. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程.南京：東南大學(xué)出版社，2009.174～180