旋光效应实验报告

“旋光效应”实验课教案

一、背景知识

1911年，阿喇果（D. F. JArago）发现，当线偏振光通过某些透明物质时，它的振动面将会绕光的传播方向转过一定的角度。这种现象就叫旋光效应，光的振动面转过的角度称为旋光度，使光的振动面产生旋转的物质叫做旋光物质（进一步地，迎着光的传播方向看，使光的振动面顺时针转动的物质叫右旋物质，反之则为左旋物质）。常见的旋光物质有：石英、朱砂、酒石酸、食糖溶液、松节油等。利用旋光仪可以测定这些物质的比重、纯度或浓度。

二、实验目的

1、了解旋光仪设计原理。

2、学会用旋光仪测糖溶液的旋光率及浓度。

三、教学方式

教师讲解与教学互动相结合。旋光效应和牛顿环实验的讲解各占15分钟左右，剩余的120分钟学生独立做这两个实验，详细记录实验数据；课后认真独立完成和提交实验报告。
四、实验器材

旋光仪，已知浓度的糖溶液样品三管，未知浓度的糖溶液一管。

五、实验原理

对于晶体一类的旋光物质，旋光度Q与光所透过的晶体厚度成正比；若为溶液，则正比于溶液在玻璃管中的长度L和溶液的浓度C：

Q=αCL. （1）

式中的比例系数α称为旋光率，其含义为当L=10cm, c=1g/cm³时光振动方向转过的角度（对糖溶液而言，α与入射光波长λ及温度T有关，对某些物质还与物质的浓度有关）。实验采用钠灯作为光源，实验过程中通常温度变化很小，可以忽略。玻璃管长度L已知，转角Q需要测量出来，这样，根据已知浓度C即可算出旋光率α，再根据已知的α即可测定未知糖溶液浓度C。

本实验采用的仪器为旋光仪，它的主要结构如图1 所示。

其中，起偏镜4和检偏镜7由透明的尼科耳棱镜制成；钠黄光经聚光镜3和起偏镜4后成为与尼科耳棱镜透振方向平行的线偏振光。半影片5两侧是透明玻璃，中间为由石英制成的对钠黄光的λ/2波片，三者粘在一起形成平面圆片（如图2所示），以产生三分视场（石英片两侧配以一定厚度的玻璃片，目的之一是为补偿因石英片吸收引起的光强差别）。于是，线偏振光分别经石英晶体和两侧玻璃后成为夹角为2θ（θ为λ/2波片的快轴与起偏镜透振方向之间的夹角）的两束线偏振光，如图3中P_石英和P_玻璃所示。在未放入糖溶液试管情况下，随着检偏器的转动，目镜中将看到的三分视场的变化如图3所示，（a）：中部暗、两侧较亮，视场分界线清晰；（b）：三分视场的界线消失，全视场为很暗的黄色；（c）：中部较亮、两侧很暗，视场分界线清晰；（d）：三分视场的界线消失，整个视场呈亮黄色。

由于人眼判断两个区域的暗度是否相同比判断亮度是否相同要灵敏得多。因此，在未放入待测物质时，应将检偏器透光方向转向图3（b）中“P_检”所示位置，并记下该位置所对应的刻度盘零位读数。

将糖溶液试管放入试管筒。此时，由半影片出射的两束线偏振光的夹角虽然仍为2θ，但通过糖溶液后它们的振动面都沿同一方向转过了相同的角度Q。于是转动检偏镜使视场再次回到图3（b）所示的状况，则检偏镜所转过的角度Q即为被测糖溶液的旋光度。

六、实验步骤

1、打开电源，使钠灯预热5分钟。

2、调节并记录未放入待测物质时的零位读数。

调节望远镜调焦手轮，使三分视场清晰。转动度盘手轮，当三分视场刚消失且整个视场变为较暗的黄色时，看度盘和游标是否在零线上；若不一致，应分别记录两边的初始值，并在测量结果中刨去该初始值。

3、依次选取三支不同长度的、注满已知浓度的糖溶液试管放入旋光仪测试管内，测定溶液的旋光度，并计算旋光率。每支试管各作三次测量（取平均），每次测量都须记录左右游标读数。

4、利用测得的旋光率α测量未知糖溶液浓度。将未知浓度的糖溶液试管放入旋光仪中，测旋光度三次取平均值。

5、关闭电源，整理好仪器。
七、思考题

1、旋光度的大小与哪些因素有关？

2、半影片作用是什么？半影片中石英两侧的玻璃的厚度有无要求？为什么？

3、旋光仪中若不使用半影片测量能否进行？两者结果有无差别？

4、为什么要选择亮度相等的暗视场进行读数？

5、根据你的测量结果，能否判断被测糖溶液是左旋物质还是右旋物质？

第二篇：磁光效应实验报告

创新性实验报告

实验课题: 磁光效应

专业班级： XXXXXX

姓名: XXX

学号: XXXXXX

指导教师: 赵骞

磁光效应实验

【实验目的】

1、了解法拉第效应产生的原因。

2、会用消光法检测磁光玻璃的费尔德常数。

3、学会用消光法检测磁光玻璃的费尔德常数能。

【实验仪器】

半导体激光器、起偏器、电磁铁（螺线管）、检偏器、直流稳压电源、多量程电流表、光电功率计

【实验原理】

概述：1845年，法拉第（M.Faraday）在探索电磁现象和光学现象之间的联系时，发现了一种现象：当一束平面偏振光穿过介质时，如果在介质中，沿光的传播方向上加上一个磁场，就会观察到光经过样品后偏振面转过一个角度，即磁场使介质具有了旋光性，这种现象后来就称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系，促进了对光本性的研究。之后费尔德（Verdet）对许多介质的磁致旋光进行了研究，发现了法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。

法拉第效应有许多重要的应用，尤其在激光技术发展后，其应用价值越来越受到重视。，，从而减少光纤中器件表面反射是应用法拉第效应中偏振面的旋转只取决于磁场的方向，而与光的传播方向无关，这样使光沿规定的方向通过同时阻挡反方向传播的光光对光源的干扰；磁光隔离器也被广泛应用于激光多级放大和高分辨率的激光光谱，激光选模等技术中。在磁场测量方面，利用法拉第效应驰豫时间短的特点制成的磁光效应磁强计可以测量脉冲强磁场、交变强磁场。在电流测量方面，利用电流的磁效应和光纤材料的法拉第效应，可以测量几千安培的大电流和几兆伏的高压电流。

法拉第效应

实验表明，在磁场不是非常强时，如图1所示，偏振面旋转的角度与光波在介质中走过的路程及介质中的磁感应强度在光的传播方向上的分量成正比，即：

比例系数由物质和工作波长决定，表征着物质的磁光特性，这个系数称为费尔德（Verdet）常数。

费尔德常数与磁光材料的性质有关，对于顺磁、弱磁和抗磁性材料（如重火石玻璃等），为常数，即与磁场强度有线性关系；而对铁磁性或亚铁磁性材料（如YIG等立方晶体材料），与不是简单的线性关系。

图1 法拉第磁致旋光效应

不同的物质，偏振面旋转的方向也可能不同。习惯上规定，以顺着磁场观察偏振面旋转绕向与磁场方向，满足右手螺旋关系的称为“右旋”介质，其费尔德常数；反向旋转的称为“左旋”介质，费尔德常数。

对于每一种给定的物质，法拉第旋转方向仅由磁场方向决定，而与光的传播方向无关（不管传播方向与磁场同向或者反向），这是法拉第磁光效应与某些物质的固有旋光效应的重要区别。固有旋光效应的旋光方向与光的传播方向有关，即随着顺光线和逆光线的方向观察，线偏振光的偏振面的旋转方向是相反的，因此当光线往返两次穿过固有旋光物质时，线偏振光的偏振面没有旋转。而法拉第效应则不然，在磁场方向不变的情况下，光线往返穿过磁致旋光物质时，法拉第旋转角将加倍。利用这一特性，可以使光线在介质中往返数次，从而使旋转角度加大。这一性质使得磁光晶体在激光技术、光纤通信技术中获得重要应用。

与固有旋光效应类似，法拉第效应也有旋光色散，即费尔德常数随波长而变，一束白色的线偏振光穿过磁致旋光介质，则紫光的偏振面要比红光的偏振面转过的角度大，这就是旋光色散。实验表明，磁致旋光物质的费尔德常数随波长的增加而减小，如图2所示，旋光色散曲线又称为法拉第旋转谱。