Hvad er metoderne til at studere biologi? Biologiske metoder

Refraktometri er en af de enkleste fysiske analysemetoder til en pris minimumsmængde analyt og udføres for en meget kort tid. Denne metode bruges til at identificere stoffer, fastslå deres renhed og bestemme koncentrationen af opløsninger.

Refraktometrimetoden er baseret på måling af brydningsindeks n for analytten. Brydningsindekset er forholdet mellem lysets hastighed i luft og lysets hastighed i det undersøgte stof. Værdien af brydningsindekset afhænger af stoffets art, temperatur og lysets bølgelængde, ved hvilken bestemmelsen foretages. I opløsninger afhænger brydningsindekset også af koncentrationen af det opløste stof og arten af opløsningsmidlet.

Den forskellige udbredelseshastighed af en lysstråle i medier med forskellige tætheder forårsager en ændring i dens retning, når den passerer fra et medium til et andet, dvs. brydning. Forholdet mellem lysets udbredelseshastighed i luft v 1 og lysets udbredelseshastighed i stof v 2, lig med forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen for en lysstråle α og brydningsvinklen β , Hedder brydningsindeks (koefficient) n og er en konstant værdi for en given bølgelængde:

Når en lysstråle går fra et medium med en lavere værdi på n til et medium med et højere brydningsindeks (fig. 13a) β< α. Если угол падения α луча С (рис.13б) приближается к 90 0 , то β < 90 0 . При дальнейшем увеличении угла падения (луч D) падающий свет полностью отражается от границы раздела и не попадает в менее плотную среду, происходит полное внутреннее отражение. Справа (при наблюдении против светового потока) от предельного луча D" находится затемненное поле, слева – освещенное поле.

Fig. 13. Brydning af en lysstråle ved overgang fra et medium til et andet:

a – brydning af en lysstråle, når den går fra et mindre tæt medium 1 til et mere tæt medium 2; b – brydning af en lysstråle ved indfaldsvinkler, der nærmer sig 90 0; grænsestråle D - D" (total intern refleksion).

Brydningsindekset bestemmes ved hjælp af en speciel enhed kaldet et refraktometer. I praksis bruges refraktometre forskellige systemer: laboratorium - RL, universal - RLU, RL - 2, "Karat - MT" osv.

Refraktometeranordningen er baseret på fænomenet med total intern refleksion af en lysstråle ved grænsen af to medier (det ene er et glasprisme, det andet er den analyserede opløsning) eller på placeringen af den begrænsende stråle ved grænsen af lys og lys. skygge (fig. 14).

Ris. 14. Diagram af refraktometeret RL – 2:

1 - lys fra kilden; 2 - spejl; 3 - lysprisme; 4 - måleprisme; 5 - kompensator; 6- linse; 7 - prisme; 8 – plade med trådkors og en brydningsindeksskala; 9 – okular.

Lys fra kilde 1 rammer spejlet 2, og når det reflekteres, passerer det ind i det øvre lysprisme 3 og derefter ind i det nederste måleprisme 4, der er lavet af specialglas med et højt brydningsindeks. Mellem hypotenusoverfladerne på prisme 3 og 4 placeres 1-2 dråber af væsken, der analyseres, ved hjælp af et kapillar. For at undgå mekanisk skade på prismet bør kapillæren ikke røre dens overflade.

Prismets 4 overflade tjener som grænsefladen, ved hvilken lysstrålen brydes. På grund af spredningen af stråler viser grænsen af lys og skygge sig at være iriserende og sløret; dispersionskompensator 5 eliminerer dette fænomen. Dernæst passerer lyset gennem linsen 6 og prismet 7. På pladen 8 er der sigtelinjer (to krydsede lige linjer) og en skala af brydningsindeks observeret i okularet 9. Brydningsindekset aflæses på skalaen med tre decimaler, det fjerde ciffer vurderes efter øje.

I okular 9 er et felt med skærende linjer synligt for at etablere grænsefladen. Ved at flytte okularet justeres trådkorset med feltgrænsefladen (fig. 15).

Ris. 15. Synsfelt i refraktometer-okularet:

til venstre - brydningsindeksskala; til højre er en skala over procentdelen af tørre stoffer; Mellem prismerne er der destilleret vand.

Placeringen af feltgrænsefladen svarer til vinklen for total indre refleksion og afhænger af brydningsindekset for den analyserede væske.

Laboratorierefraktometer RL - 2 (fig. 16) har to skalaer - brydningsindeks (fra 1,33 til 1,54) og tørstofindhold, udtrykt i % (vægt) saccharose - fra 0 til 95 % (vægt).

Brydningsindekset måles sædvanligvis ved en temperatur på (20 ± 0,3) º C og en bølgelængde af D-linjen i natriumspektret (589,3 nm). Brydningsindekset bestemt under sådanne forhold er betegnet med indekset n D 20.

Brydningsindekset for destilleret vand er n 1 0 = 1,33299, praktisk taget det samme indeks tages som reference som n 0 = 1,333.

Fig. 16. Refraktometer RL – 2:

1 - base; 2 - kolonne; 3 - krop; 4 – dispersiv skive for at eliminere spektral farvning af lys og skygge; 5 - reflekterende spejl; 6 - kammer i måleprisme; 7 - hængsel, der forbinder prismerne; 8 - lysprisme; 9 - termometer; 10 – hul til justering af refraktometerskalaen; 11 – skala til læsning; 12 - håndtag; 13 – okular

Driftsprocedure:

1. Kontrol af renheden af prismernes kontaktflader (før start af målinger).

2. Kontrol af nulpunktet. Påfør 2-3 dråber destilleret vand på overfladen af måleprismet og dæk forsigtigt med lysprismet. Åbn belysningsvinduet og placer det i retning af lyskildens højeste intensitet ved hjælp af et spejl. Ved at dreje skruerne opnås en skarp og klar skelnen mellem lyse og mørke felter i okularets synsfelt. Ved at dreje skruen justeres linjen af lys og skygge nøjagtigt, indtil den falder sammen med skæringspunktet for linjen i okularets øverste vindue. Lodret linje i det nederste vindue af okularet angiver måleresultatet - brydningsindekset for vand ved 20 ° C - 1,333. I tilfælde af andre aflæsninger, indstil brydningsindekset med en skrue til 1,333, og brug en nøgle (fjern justeringsskruen) for at bringe grænsen mellem lys og skygge til skæringspunktet mellem linjerne.

3. Bestemmelse af brydningsindeks. Efter installation af enheden til nulpunktet, løft kammeret i belysningsprismet og fjern vandet med filterpapir eller en gazeklud. Derefter påføres 1-2 dråber af testopløsningen på måleprismets plan, og kammeret lukkes. Drej skruerne, indtil grænsen af lys og skygge falder sammen med skæringspunktet mellem linjerne. Opløsningens brydningsindeks måles ved hjælp af en skala i det nederste vindue af okularet.

4. Forholdet mellem koncentrationen af en to-komponent opløsning og brydningsindekset fastlægges ved hjælp af en kalibreringsgraf. For at konstruere en graf fremstilles standardopløsninger fra et præparat af et kemisk rent stof, brydningsindeksene måles 3-4 gange, det aritmetiske middel beregnes og den resulterende værdi plottes på ordinataksen, og opløsningernes koncentration. er plottet på abscisseaksen. En sådan graf repræsenterer ofte en næsten lige linje. Efter at have målt brydningsindekset for den analyserede opløsning, findes dens koncentration fra grafen.

5. Afslut arbejdet med refraktometeret. Efter hver bestemmelse er det nødvendigt at skylle begge kamre med vand og tørre med filterpapir eller et serviet lægge et tyndt lag bomuldsuld mellem kamrene.

Et stofs brydningsegenskaber, bestemt af strukturen af dets molekyle, er karakteriseret ved molekylær brydning Rm og er beskrevet af Lorentz-Lorentz-ligningen:

hvor M – Molar masse stoffer, g/mol;

d – massefylde x 10 3 kg/m 3.

Molekylær brydning afhænger ikke af temperatur og aggregeringstilstand stoffer. Til kemiske forbindelser det er en additiv værdi, der bruges til at etablere sammensætning og struktur organisk stof. Molekylær brydning beregnes som summen af atomare refraktioner og stigninger af multiple bindinger (tabel 1). På den anden side måles brydningsindekset og densiteten af det identificerede stof ved 20 º C. Disse værdier, såvel som stoffets molære masse, indtastes i ligningen. I begge tilfælde bør næsten den samme molekylære brydning opnås.

tabel 1

Atombrydning af nogle kemiske elementer og stigninger af multiple bindinger (20 0 C, λ = 589 nm)

Lad os overveje beregningen af molekylær brydning ved hjælp af eksemplet med chlorbenzen, hvis molekyle indeholder 6 carbonatomer, 5 hydrogenatomer, 1 chloratom og også har 3 dobbeltbindinger, derfor:

Rm= 6x2,418 + 5x1,100 + 1x5,967 + 3x1,733 = 31,2.

Det er eksperimentelt fundet, at brydningsindekset for den analyserede væske er 1,5248. Densiteten af chlorbenzen er 1,107 × 10 3 kg/m 3, molær masse er 112,56 g/mol. Vi indtaster disse værdier i formlen og får:

Lille forskel mellem to værdier Rm(31,2 – 30,9 = 0,3) indikerer, at væsken, der analyseres, faktisk er chlorbenzen. Betydelige uoverensstemmelser mellem værdierne af Rm fundet ved de to metoder kan skyldes eksperimentelle fejl, betydelig kontaminering af analytten og også det faktum, at lægemidlet ikke er chlorbenzen.

Forholdsregler under drift

Prismer i enheden fejler hurtigst, så følgende forholdsregler skal overholdes ved håndtering af dem.

1. Inden brydningsindekset bestemmes, renses prismerne grundigt for snavs og støv.

2. Brydningsindekserne for syrer og baser måles ikke, da de korroderer prismernes overflade.

3. Efter målinger skal du tørre overfladen af prismerne af med en ren, blød klud fugtet med vand eller alkohol, tørre af og anbringe en lille, tør, ren klud eller vat mellem prismerne.

b) lad testvæsken ligge mellem prismerne i lang tid, da prismernes overflade så er dækket af et tyndt mat lag, og måling af brydningsindekset bliver umulig.

Laboratorieopgave nr. 7

1. Bestem brydningsindekserne for organiske opløsningsmidler og sammenlign med kendte værdier n 20 D. Analyser de opnåede resultater.

Organiske opløsningsmidler n 20 D

Ethanol 1,3613

Chloroform 1,4467

Toluen 1,4992

Methyliodid 1,5207

Anilin 1,5863

1 – Bromonaftalen 1.6582

2. Konstruer en kalibreringsgraf over brydningsindeksernes afhængighed af koncentrationen af ethylalkohol i vand.

3. Bestem koncentrationen af opløsningen af ethylalkohol i vand givet af læreren.

4. Bestem og beregn eksperimentelt ethanolens molekylære brydning. Analyser de opnåede resultater.

Laboratoriearbejde №8

Fysikkens love spiller en meget vigtig rolle, når man udfører beregninger for at planlægge en specifik strategi for produktionen af ethvert produkt, eller når man udarbejder et projekt til konstruktion af strukturer til forskellige formål. Der beregnes mange mængder, så der foretages målinger og beregninger inden planlægningsarbejdet påbegyndes. For eksempel er brydningsindekset for glas lig med forholdet mellem sinus for indfaldsvinklen og sinus for brydningsvinklen.

Så først processen er i gang mål vinklerne, beregn derefter deres sinus, og først derefter kan du få den ønskede værdi. På trods af tilgængeligheden af tabeldata er det værd at udføre yderligere beregninger hver gang, da opslagsbøger ofte bruger ideelle forhold der kan opnås i I virkeligheden næsten umuligt. Derfor vil indikatoren i virkeligheden nødvendigvis adskille sig fra tabellen, og i nogle situationer er dette af grundlæggende betydning.

Absolut indikator

Det absolutte brydningsindeks afhænger af glasmærket, da der i praksis er et stort antal muligheder, der adskiller sig i sammensætning og grad af gennemsigtighed. I gennemsnit er den 1,5 og svinger omkring denne værdi med 0,2 i den ene eller anden retning. I sjældne tilfælde kan der være afvigelser fra dette tal.

Igen, hvis det er vigtigt nøjagtig indikator, så er yderligere mål uundværlige. Men de giver heller ikke et 100% pålideligt resultat, da den endelige værdi vil blive påvirket af solens position på himlen og skyet på måledagen. Heldigvis er det i 99,99% af tilfældene nok blot at vide, at brydningsindekset for et materiale som glas er større end en og mindre end to, og alle andre tiendedele og hundrededele er ligegyldige.

På fora, der hjælper med at løse fysikproblemer, dukker spørgsmålet ofte op: hvad er brydningsindekset for glas og diamant? Mange mennesker tror, at da disse to stoffer ligner hinanden i udseende, så burde deres egenskaber være omtrent de samme. Men dette er en misforståelse.

Den maksimale brydning af glas vil være omkring 1,7, mens denne indikator for diamant når 2,42. Det perle er et af de få materialer på Jorden, hvis brydningsindeks overstiger 2. Dette skyldes dens krystallinske struktur og det høje niveau af spredning af lysstråler. Snittet spiller en minimal rolle i ændringer i tabelværdien.

Relativ indikator

Den relative indikator for nogle miljøer kan karakteriseres som følger:

- brydningsindekset for glas i forhold til vand er ca. 1,18;
- brydningsindekset for det samme materiale i forhold til luft er lig med 1,5;
- brydningsindeks i forhold til alkohol - 1.1.

Målinger af indikatoren og beregninger af den relative værdi udføres i henhold til en velkendt algoritme. For at finde en relativ parameter skal du dividere en tabelværdi med en anden. Eller lav eksperimentelle beregninger for to miljøer, og opdel derefter de opnåede data. Sådanne operationer udføres ofte i laboratoriefysikklasser.

Bestemmelse af brydningsindeks

Bestemmelse af brydningsindekset for glas i praksis er ret vanskeligt, fordi højpræcisionsinstrumenter er nødvendige for at måle de indledende data. Enhver fejl vil stige, da beregningen bruger komplekse formler, der kræver fravær af fejl.

Generelt viser denne koefficient, hvor mange gange lysstrålernes udbredelseshastighed bremses, når de passerer gennem en bestemt forhindring. Derfor er det kun typisk for gennemsigtige materialer. Gassernes brydningsindeks tages som referenceværdien, det vil sige som en enhed. Dette blev gjort, så det var muligt at tage udgangspunkt i en eller anden værdi, når man lavede beregninger.

Hvis Solstråle falder på overfladen af glas med et brydningsindeks, der er lig med tabelværdien, så kan det ændres på flere måder:

1. Lim en film ovenpå, hvis brydningsindeks vil være højere end glas. Dette princip bruges ved toning af bilruder for at forbedre passagerernes komfort og give føreren et bedre overblik over trafikforholdene. Filmen vil også hæmme ultraviolet stråling.
2. Mal glasset med maling. Det er, hvad producenter af billige produkter gør solbriller, men det er værd at overveje, at dette kan være skadeligt for synet. I gode modeller Glasset fremstilles straks farvet ved hjælp af en speciel teknologi.
3. Nedsænk glasset i noget væske. Dette er kun nyttigt til eksperimenter.

Hvis en lysstråle passerer fra glas, så er brydningsindekset næste materiale beregnes ved hjælp af en relativ koefficient, som kan fås ved at sammenligne tabelværdier. Disse beregninger er meget vigtige i design af optiske systemer, der bærer praktiske eller eksperimentelle belastninger. Fejl her er uacceptable, fordi de vil føre til forkert drift af hele enheden, og så vil enhver data, der er opnået med dens hjælp, være ubrugelig.

For at bestemme lysets hastighed i glas med et brydningsindeks skal du dividere den absolutte værdi af hastigheden i et vakuum med brydningsindekset. Vakuum bruges som referencemedium, fordi brydning ikke fungerer der på grund af fraværet af stoffer, der kan forstyrre den jævne bevægelse af lysstråler langs en given bane.

I alle beregnede indikatorer vil hastigheden være mindre end i referencemediet, da brydningsindekset altid er større end enheden.

Lektion 25/III-1 Spredning af lys i forskellige medier. Brydning af lys ved grænsefladen mellem to medier.

At lære nyt stof.

Indtil nu har vi overvejet udbredelsen af lys i ét medium, som sædvanligt - i luft. Lys kan forplante sig i forskellige medier: flytte fra et medium til et andet; Ved indfaldspunkterne reflekteres strålerne ikke kun fra overfladen, men passerer også delvist gennem den. Sådanne overgange forårsager mange smukke og interessante fænomener.

Ændring af udbredelsesretningen for lys, der passerer gennem grænsen mellem to medier, kaldes lysbrydning.

En del af lysstrålen, der falder ind på grænsefladen mellem to transparente medier, reflekteres, og en del passerer ind i det andet medium. I dette tilfælde ændres retningen af lysstrålen, der er gået over i et andet medie. Derfor kaldes fænomenet brydning, og strålen kaldes brydet.

1 – indfaldende stråle

2 – reflekteret stråle

3 – brudt stråle α β

OO 1 – grænseflade mellem to medier

MN - vinkelret O O 1

Vinklen dannet af strålen og en vinkelret på grænsefladen mellem to medier, sænket til strålens indfaldspunkt, kaldes brydningsvinklen y (gamma).

Lys i et vakuum bevæger sig med en hastighed på 300.000 km/s. I ethvert medium er lysets hastighed altid mindre end i vakuum. Derfor, når lys passerer fra et medium til et andet, falder dets hastighed, og dette forårsager lysets brydning. Jo lavere lysudbredelseshastigheden i et givent medium er, jo større er den optiske tæthed af dette medium. For eksempel har luft en højere optisk tæthed end vakuum, fordi lysets hastighed i luft er lidt lavere end i vakuum. Vandets optiske tæthed er større end luftens optiske densitet, fordi lysets hastighed i luft er større end i vand.

Jo mere de optiske tætheder af to medier er forskellige, jo mere lys brydes ved deres grænseflade. Jo mere lyshastigheden ændrer sig ved grænsefladen mellem to medier, jo mere brydes den.

For hvert gennemsigtigt stof er der et så vigtigt fysiske egenskaber, som lysets brydningsindeks n. Det viser, hvor mange gange lysets hastighed i et givent stof er mindre end i vakuum.

Lysets brydningsindeks

Stof	Stof	Stof
	Stensalt	Terpentin
	Cederolie	Ethanol

Glycerol	Plexiglas	Glas (letvægt)
	Kulstofdisulfid

Forholdet mellem indfaldsvinklen og brydningsvinklen afhænger af den optiske tæthed af hvert medium. Hvis en lysstråle går fra et medium med en lavere optisk tæthed til et medium med en højere optisk tæthed, så vil brydningsvinklen være mindre end indfaldsvinklen. Hvis en lysstråle kommer fra et medium med en højere optisk tæthed, så vil brydningsvinklen være mindre end indfaldsvinklen. Hvis en lysstråle går fra et medium med en højere optisk tæthed til et medium med en lavere optisk tæthed, så er brydningsvinklen større end indfaldsvinklen.

Det vil sige, hvis n 1 y; hvis n 1 > n 2 så α<γ.

Loven om lysbrydning :

Den indfaldende stråle, den brudte stråle og den vinkelrette på grænsefladen mellem de to medier ved strålens indfaldspunkt ligger i samme plan.

Forholdet mellem indfaldsvinklen og brydningsvinklen bestemmes af formlen.

hvor er sinus for indfaldsvinklen og er sinus for brydningsvinklen.

Værdien af sinus og tangenter for vinkler 0 – 900

grader	grader	grader

Loven om lysbrydning blev først formuleret af den hollandske astronom og matematiker W. Snelius omkring 1626, en professor ved universitetet i Leiden (1613).

I det 16. århundrede var optik en ultramoderne videnskab Fra en glaskugle fyldt med vand, som blev brugt som linse, opstod et forstørrelsesglas. Og ud fra det opfandt de et teleskop og et mikroskop. På det tidspunkt havde Holland brug for teleskoper til at se kysten og flygte fra fjender i tide. Det var optikken, der sikrede navigationens succes og pålidelighed. Derfor var mange forskere i Holland interesserede i optik. Hollænderen Skel Van Rooyen (Snelius) observerede, hvordan en tynd lysstråle blev reflekteret i spejlet. Han målte indfaldsvinklen og reflektionsvinklen og fastslog: reflektionsvinklen er lig med indfaldsvinklen. Han ejer også lovene for lysreflektion. Han udledte loven om lysets brydning.

Lad os overveje loven om lysbrydning.

Det indeholder det relative brydningsindeks for det andet medium i forhold til det første, i det tilfælde, hvor det andet har en højere optisk tæthed. Hvis lys brydes og passerer gennem et medium med lavere optisk tæthed, så α< γ, тогда

Hvis det første medium er vakuum, så er n 1 =1 og derefter .

Denne indikator kaldes det absolutte brydningsindeks for det andet medium:

hvor er lysets hastighed i et vakuum, lysets hastighed i et givet medie.

En konsekvens af lysets brydning i Jordens atmosfære er, at vi ser Solen og stjernerne lidt højere end deres faktiske position. Lysets brydning kan forklare udseendet af luftspejlinger, regnbuer... fænomenet lysbrydning er grundlaget for driftsprincippet for numeriske optiske enheder: mikroskop, teleskop, kamera.

Optik er en gren af fysikken, der studerer arten af lysstråling, dens udbredelse og interaktion med stof. Lysbølger er elektromagnetiske bølger. Bølgelængden af lysbølger er indeholdt i intervallet. Bølger i dette område opfattes af det menneskelige øje.

Lys bevæger sig langs linjer kaldet stråler. I den stråle (eller geometriske) optik tilnærmelse negligeres de endelige bølgelængder af lys, idet det antages, at λ→0. I mange tilfælde giver geometrisk optik mulighed for at beregne det optiske system ganske godt. Det enkleste optiske system er en linse.

Når man studerer interferens af lys, skal det huskes, at interferens kun observeres fra sammenhængende kilder, og at interferens er forbundet med omfordeling af energi i rummet. Her er det vigtigt at kunne nedskrive betingelserne for maksimal og minimum lysintensitet korrekt og være opmærksom på emner som farverne på tynde film, striber af samme tykkelse og samme hældning.

Når man studerer fænomenet lysdiffraktion, er det nødvendigt at forstå Huygens-Fresnel princippet, Fresnel zone metoden, og forstå hvordan man beskriver diffraktionsmønsteret på en enkelt spalte og på et diffraktionsgitter.

Når du studerer fænomenet med polarisering af lys, skal du forstå, at grundlaget for dette fænomen er lysbølgernes tværgående retning. Vær opmærksom på metoder til frembringelse af polariseret lys og til lovene i Brewster og Malus.