一种测旋光性溶液旋光率的实验装置制造方法
【专利摘要】本发明提出了一种测旋光性溶液旋光率的实验装置。它是在一个遮光箱体内设置单色仪，后面设置起偏器、试管及检偏器，试管放置在可设定温度的玻璃水槽中，检偏器上设置角度传感器，检偏器后设置光强度传感器。旋转检偏器，记下有、无试管时入射光经检偏器后光强度最小时检偏器的角度分别为则检偏器的旋转角度就表示光通过待测旋光性溶液的旋光度，由公式即可计算出该旋光性溶液在设定温度下对设定波长单色光的旋光率。本发明可测量不同温度下旋光性溶液的旋光率，采用单色仪来获得单色光源，波长连续可调，实验内容丰富，利用光强度传感器判断视场的明暗变化，原理简单，容易理解，通过角度传感器进行测量，方便省力。
【专利说明】一种测旋光性溶液旋光率的实验装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大学物理实验装置，具体是涉及一种测旋光性溶液旋光率的实验 装直。
【背景技术】
[0002] 根据麦克斯韦的电磁场理论，光是一种电磁波，光的传播就是电场强度Ε和磁场 强度Η以横波的形式传播的过程。Ε与Η互相垂直，都垂直于光的传播方向，因此光波是一 种横波。由于引起视觉和光化学反应的是Ε，所以Ε矢量又称为光矢量，Ε的振动称为光振 动，Ε与光波传播方向之间组成的平面叫振动面。光在传播过程中，光振动始终在某一确定 方向上的光称为线偏振光，简称偏振光。普通光源发射的光是由大量原子或分子辐射产生 的，单个原子或分子辐射的光是偏振的，但由于热运动和辐射的随机性，大量原子或分子所 发射的光的光矢量出现在各个方向的概率是相同的，没有哪个方向的光振动占优势，这种 光源发射的光不显现偏振的性质，称为自然光。将自然光变成偏振光的过程称为起偏，起偏 的装置称为起偏器。常用的起偏器有偏振片、晶体起偏器，另外利用反射或多次透射（光的 入射角为布儒斯特角）也可以获得偏振光。自然光通过偏振片后，所形成偏振光的光矢量 方向与偏振片的偏振化方向（或称透光轴）一致。鉴别光的偏振状态的过程称为检偏，检 偏的装置称为检偏器，实际上起偏器也就是检偏器，两者是通用的。
[0003] 偏振光通过某些晶体或某些物质的溶液（特别是含有不对称碳原子物质的溶液， 如蔗糖溶液等）以后，偏振光的振动面将旋转一定的角度0，这种现象称为旋光现象。这个 角度Ρ称为旋光角或旋光度，它与偏振光通过的溶液的长度L及溶液中旋光性物质的浓度C 成正比，即P = 式中α称为该物质的旋光率。通常L的单位用dm，浓度C定义为每毫 升溶液内溶质的克数，单位用g/ml，那么旋光率α的单位为（° )ml/dm. g。旋光率α在数 值上等于偏振光通过单位长度（1dm)、单位浓度（lg/ml)溶液后振动面旋转的角度。实验表 明，同一旋光性物质对不同波长的光有不同的旋光率，在一定温度下，旋光率与入射光波长 入的平方成反比，即随波长的减小而迅速增大，这种现象称为旋光色散。旋光率还与旋光 性物质溶液的温度有关，因此对于所测的旋光率，必须说明测量时的温度。另外，旋光率还 有正负之分，这是因为迎着射来的光线看去，如果旋光现象使振动面向右（顺时针方向）旋 转，这种溶液称为右旋溶液，如葡萄糖、麦芽糖、蔗糖的水溶液，它们的旋光率用正值表示。 反之，如果振动面向左（逆时针方向）旋转，这种溶液称为左旋溶液，如转化糖、果糖的水溶 液，它们的旋光率用负值表示。若已知待测旋光性溶液的浓度C及光通过溶液的长度L，测 出旋光度根据公式《 = &就可以算出旋光率α。反之，若溶液的旋光率已知，则通过测 量旋光性溶液的旋光度，也可以计算出旋光性溶液的浓度。
[0004] 测旋光性溶液旋光率的实验是大学物理实验中一个常见的实验项目。目前大学物 理实验中，测旋光性溶液旋光率的实验多采用钠光灯作为光源来获得波长为589. 3nm的单 色光作为入射光源，测量时，先将旋光仪中的起偏器和检偏器的偏振化方向调到相互垂直， 这时在目镜中看到最暗的视场。然后装上测试管，转动检偏器，使因振动面旋转而变亮的视 场重新达到最暗，此时检偏器的旋转角度就表示待测溶液的旋光度。由于人的眼睛难以准 确判断视场是否最暗，故多采用半荫法，其原理是在起偏器后面再加一块石英晶体片，石英 片和起偏器的一部分在视场中重叠，随着石英片安放位置的不同，可将视场分为两部分或 者三部分，通过比较视场中相邻两束光的亮度是否相同来确定旋光度。
[0005] 这种装置主要存在以下不足：
[0006] 其一，只有一种波长的单色光，实验内容单一，学生数据容易雷同。
[0007] 其二，实验中多采用半荫法，原理比较复杂难懂，学生理解起来比较困难。
[0008] 其三，一般只能测室温下旋光性溶液的旋光率。
[0009] 其四，直接通过人眼判断视场的明暗变化，通过带角游标的度盘进行测量，眼睛非 常容易疲劳，容易读错数据，从而影响测量结果的准确性。
【发明内容】
[0010] 为了克服现有技术的上述不足，本发明提出一种测旋光性溶液旋光率的实验装 置，该装置采用单色仪来获得单色光源，该光源单色性能好，波长连续可调，从而可以测量 多组数据，学生数据不易雷同。实验中直接利用光强度传感器判断视场的明暗变化，通过角 度传感器进行测量，原理简单，容易理解，观察测量方便省力，可以提高测量结果的准确性。 另外该装置还可以测量不同温度下旋光性溶液的旋光率。
[0011] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在一个遮光箱体内设置一单色仪 及三只频谱范围不同的光源，单色仪及光源分别通过接口与单色仪控制器相连，通过单色 仪控制器上的数字键盘及单色光波长显示屏可以设定单色仪输出单色光的波长，按下确认 键，则单色仪输出设定波长的单色光，这一部分结构与分光光度计很类似，现有技术也很成 熟，不再赘述。单色仪后面设置起偏器、盛待测旋光性溶液的试管及检偏器，试管放置在一 个一端封闭的玻璃水槽中，玻璃水槽壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效 果。将非旋光性的传热液体注入玻璃水槽内，高度合适，在玻璃水槽内传热液体中靠上部分 设置一半导体制冷装置，用来冷却传热液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量传热液 体的温度，靠下部分设置一加热装置，用来加热传热液体，半导体制冷装置、温度传感器及 加热装置分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定传热液体 的温度。通过温度控制器上的按键设定传热液体的温度，利用温度传感器测量传热液体的 实际温度，温度控制器内部由微处理器进行控制，如果设定温度低于实际温度，则启动半导 体制冷装置，冷却传热液体，直到温度降低到设定值；如果设定温度高于实际温度，则启动 加热装置，加热传热液体，直到温度增加到设定值。通过检偏器转动手轮可以带动检偏器旋 转，检偏器上设置角度传感器，通过接口与检测显示装置相连，用来检测检偏器的角度，并 可在角度显示屏上显示出来。检偏器后设置光强度传感器，通过接口与检测显示装置相连， 用来检测入射光经过检偏器后光的强度，并可在光强度显示屏上显示出来。实验时，通过单 色仪控制器设定单色仪输出单色光的波长，利用单色仪输出的单色光作为入射光源，先不 加试管，通过检偏器转动手轮带动检偏器旋转，通过光强度显示屏观察入射光经过检偏器 后光的强度，直到最小值时停下来，记下角度显示屏上显示的检偏器的角度奶，接下来将盛 待测旋光性溶液的试管放入玻璃水槽内传热液体中，通过温度控制器上的按键设定传热液 体的温度，再次通过检偏器转动手轮带动检偏器旋转，通过光强度显示屏观察入射光经过 检偏器后光的强度，直到最小值时停下来，再次记下角度显示屏上显示的检偏器的角度％， 则检偏器的旋转角度外-奶就表示光通过待测旋光性溶液的旋光度P，代入公式即可计算 出该旋光性溶液在设定温度下对设定波长单色光的旋光率。
[0012] 本发明的有益效果是，该装置一方面可以测量不同温度下旋光性溶液的旋光率， 另一方面采用单色仪来获得单色光源，波长连续可调，实验内容丰富。另外，利用光强度传 感器判断视场的明暗变化，原理简单，容易理解，通过角度传感器进行测量，方便省力，从而 可以提高测量结果的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0014] 附图是本发明的结构示意图。
[0015] 图中1.遮光箱体，2.单色仪,3.光源一，4.光源二,5.光源三,6.单色光波长显 示屏，7.单色仪开关按键，8.单色仪控制器，9.单色光波长设定复位按键，10.数字键盘， 11.确认键，12.起偏器，13.玻璃水槽，14.盛待测旋光性溶液的试管，15.检偏器转动手轮， 16.检偏器，17.光强度传感器，18.角度传感器，19.光强度传感器与检测显示装置之间的 接口，20.角度传感器与检测显示装置之间的接口，21.检测显示装置，22.光强度显示屏， 23.角度显示屏，24.半导体制冷装置，25.温度传感器，26.加热装置，27.半导体制冷装 置与温度控制器之间的接口，28.温度传感器与温度控制器之间的接口，29.加热装置与温 度控制器之间的接口，30.温度显示屏，31.温度控制器，32.数字选择按键，33.上调按键， 34.下调按键，35.指示灯，36.温度设定复位按键，37.温度设定按键。
【具体实施方式】
[0016] 图中，在一个遮光箱体1内设置一单色仪2及三只频谱范围不同的光源，分别为光 源一 3、光源二4及光源三5,单色仪及光源分别通过接口与单色仪控制器8相连，通过单色 仪控制器8上的数字键盘10及单色光波长显示屏6可以设定单色仪输出单色光的波长，通 过单色仪控制器8上的单色光波长设定复位按键9,可以重新输入单色光波长，按下确认键 11，则单色仪2输出设定波长的单色光。单色仪2后面设置起偏器12、盛待测旋光性溶液 的试管14及检偏器16,试管放置在一个一端封闭的玻璃水槽13中，玻璃水槽壁采用双层 结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果。将非旋光性的传热液体注入玻璃水槽13内， 高度合适，在玻璃水槽13内传热液体中靠上部分设置一半导体制冷装置24,用来冷却传热 液体，中间部分设置一温度传感器25,用来测量传热液体的温度，靠下部分设置一加热装置 26,用来加热传热液体，半导体制冷装置24、温度传感器25及加热装置26分别通过半导体 制冷装置与温度控制器之间的接口 27、温度传感器与温度控制器之间的接口 28及加热装 置与温度控制器之间的接口 29与温度控制器31相连接。通过温度控制器31上的温度设 定按键37,数字选择按键32,上调按键33,下调按键34,可以设定传热液体的温度，并可在 温度显示屏30上显示出来。指示灯35用来指示传热液体温度是否达到设定温度，传热液 体温度不等于设定温度，指示灯35显示为红灯，传热液体温度达到设定温度，指示灯35显 示为绿灯。通过检偏器转动手轮15可以带动检偏器16旋转，检偏器16上设置角度传感器 18,通过角度传感器与检测显示装置之间的接口 20与检测显示装置21相连，用来检测检偏 器16的角度，并可在角度显示屏23上显示出来。检偏器16后设置光强度传感器17,通过 光强度传感器与检测显示装置之间的接口 19与检测显示装置21相连，用来检测入射光经 过检偏器16后光的强度，并可在光强度显不屏22上显不出来。
[0017] 具体实验操作步骤为：
[0018] (1)通过单色仪控制器8设定单色仪2输出单色光的波长，利用输出的单色光作为 入射光源，先不加盛待测旋光性溶液的试管14,通过检偏器转动手轮15带动检偏器16旋 转，通过光强度显示屏22观察入射光经过检偏器16后光的强度，至最小值时停下来，记下 角度显示屏23上显示的检偏器的角度仍。
[0019] (2)接下来将盛待测旋光性溶液的试管14放入玻璃水槽13内非旋光性的传热液 体中，通过温度控制器31上的温度设定按键37,数字选择按键32,上调按键33,下调按键 34,设定传热液体的温度为t，直到指示灯35由红灯变为绿灯，即传热液体温度达到设定 值。
[0020] (3)再次通过检偏器转动手轮15带动检偏器16旋转，通过光强度显示屏22观察 入射光经过检偏器16后光的强度，至最小值时停下来，再次记下角度显示屏23上显示的检 偏器的角度％，则检偏器的旋转角度％ -奶就表示光通过待测旋光性溶液的旋光度P。
【权利要求】
1. 一种测旋光性溶液旋光率的实验装置，具体是在一个遮光箱体内设置一单色仪及三 只频谱范围不同的光源，单色仪及光源分别通过接口与单色仪控制器相连，其特征是：通过 单色仪控制器上的数字键盘及单色光波长显示屏可以设定单色仪输出单色光的波长，按下 确认键，则单色仪输出设定波长的单色光。
2. 根据权利要求1所述的一种测旋光性溶液旋光率的实验装置，其特征是：单色仪后 面设置起偏器、盛待测旋光性溶液的试管及检偏器，试管放置在一个一端封闭的玻璃水槽 中，玻璃水槽壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到良好的保温效果，将非旋光性的传热 液体注入玻璃水槽内，高度合适，在玻璃水槽内传热液体中靠上部分设置一半导体制冷装 置，用来冷却传热液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量传热液体的温度，靠下部分 设置一加热装置，用来加热传热液体，半导体制冷装置、温度传感器及加热装置分别通过接 口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定传热液体的温度。
3. 根据权利要求1所述的一种测旋光性溶液旋光率的实验装置，其特征是：通过检偏 器转动手轮可以带动检偏器旋转，检偏器上设置角度传感器，通过接口与检测显示装置相 连，用来检测检偏器的角度，并可在角度显示屏上显示出来，检偏器后设置光强度传感器， 通过接口与检测显示装置相连，用来检测入射光经过检偏器后光的强度，并可在光强度显 示屏上显示出来。
【文档编号】G01N21/21GK104048921SQ201410265686
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月9日 优先权日:2014年6月9日
【发明者】田凯, 王照平, 孙彩霞, 王博, 王宁 申请人:黄河科技学院