旋光法测定未知糖溶液浓度.doc

目 录摘 要3设计任务及要求4引 言42方案论证及原理42.1 折射率法测定糖溶液浓度42.2 旋光法测定糖溶液浓度63光路设计73.1折射率法测定糖溶液浓度光路设计73.2旋光法测定糖溶液浓度光路设计74 实验步骤84.1 折射率法测定糖溶液浓度实验步骤84.2 旋光法测定糖溶液浓度实验步骤85. 实验数据记录及处理95.1 折射率法测定糖溶液浓度数据处理115.2 旋光法测定糖溶液浓度数据处理116. 实验结论156.1 误差分析156.2 方案对比167. 改进意见168.总结17谢 辞18参考文献19附录一：MATLAB程序20附录二：旋光法光路图21附录三：折射法光路图22附录三：元件表.23摘 要摘要：本课设实现利用光学系统测量糖溶液浓度。实验运用两种方法实现，方法一运用旋光法，测出糖溶液的旋光角，由在同一旋光率与旋光物质厚度下，旋光角的比等于糖溶液浓度的比，由已知溶液浓度求出未知未知溶液浓度。方法二运用折射率法，首先由设计的光路测量数据求出未知浓度糖溶液折射率，然后运用经验公式求出未知溶液浓度。实验结果表明，旋光法测量未知糖溶液精度比折射率法高。关键字：激光，旋光率，旋光角，折射率，偏移量，糖溶液，浓度Abstract:This class is used optical system to measure the sugar solution concentration. We use two kinds of method in the experiment, Method 1 is using rotatory method to measure the solution of sugar spin light Angle. As in the same light by spin rate and rotatory material thickness, the Angle of the light specific value equal to sugar solution concentration specific value, by the known solution concentration get the unknown unknown solution concentration. Method 2 use refractive index method, first we receive experimental data,from which we can solve out the refractive index , and then use experience formula unknown solution concentration.Key word: laser, and the rate of light, the light Angle, the refractive index, and the offset, sugar solution, concentration设计任务及要求1. 设计光路测定糖溶液浓度并验证；2. 利用天平和量筒配置一定浓度的糖溶液，设计方案测定糖溶液浓度，将所测得的浓度数据与理论比较，要求误差在10%以内；3. 分析误差原因并做出方案的改进。引 言大四的上半学年，按照光信息的课程培养要求，我们专业开设了课程设计2，旨在锻炼并提高学生在光学领域的认识与动手实践能力。此次课设，我选择的课题为“糖溶液浓度测定”。原因是我觉得该课题非常接近我们的生活。现在经过大学四年的学习，我终于有机会运用自己的所学设计实验测量日常生活经常用到的东西，学以致用。因此，对以此次课程设计，我满怀激情，积极查找各种材料设计实验验证结果。2方案论证及原理按照设计任务及要求，我设计了2种方案测定糖溶液浓度。2.1 折射率法测定糖溶液浓度图一如图1所示：激光沿与玻璃壁成入射角入射，玻璃缸内壁为空气时为光路1；玻璃缸内壁为水时为光路2；玻璃缸内壁为糖溶液时为光路3。分别为空气，水，糖溶液的折射率且=1，=1.33，分别为激光透过玻璃后在三种物质的折射角，由折射率原理知：1 2 3 4 由2，3式得， 5 6由2，4式得， 7则测出光斑位移量由1, 6就可由MATLAB软件编程计算得到激光入射角，进而由式1,7 求出未知糖溶液折射率。然后由公式： 8得到未知糖溶液浓度。2.2 旋光法测定糖溶液浓度 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2。对于透明的固体来说旋光角与光透过物质的厚度L成正比；而对于液体来说除了厚度之外，还与溶液的浓度c成正比。同时，旋转的角度，还与溶液的温度t以及光的波长有关。实验证明在给定波长(单色光)和一定温度下，如旋光物质为溶液，则旋光角由下式表示： 9在上式中 为旋光率，C为糖溶液的浓度百分数，L为溶液厚度，以毫米为单位3。旋光率随不同的溶液而异，对于同一种溶液来说，它是随波长而异的常数，实验以发射红光的半导体激光器为光源，故波长已定。而温度的改变，对旋光率稍有影响，就大多数物质来讲，当温度升高摄氏1度时，旋光率约减小千分之几，误差可以忽略不计。实验通过比较法测量未知糖溶液浓度如下：已知浓度为C1的某种旋光性溶液，其厚度为L1，可测出其旋光角1。要测同种未知浓度的溶液，只要测定该溶液在厚度为L2时的旋光角就可计算出未知浓度。 10 11得 12如果两溶液厚度相同，则 13这样便可由已知浓度的糖溶液测量未知浓度的糖溶液。3光路设计3.1折射率法测定糖溶液浓度光路设计图二1 .红外激光器 2 .玻璃容器 3 .光探头 4 . 光功率计3.2旋光法测定糖溶液浓度光路设计 图三0 . 红外激光器 1起偏镜 2起偏镜偏振化方向 3旋光物质 (玻璃容器)4检偏镜偏振化方向 5旋光角 6检偏镜 7.光探头 8. 光功率计4 实验步骤4.1 折射率法测定糖溶液浓度实验步骤1. 配置浓度百分数分别为10%，%15, 20%的糖溶液；2. 找一矩形玻璃容器，在不同点测量两个间距较远的侧面之间的距离L，将玻璃缸底部画在纸板上，并将纸板固定在平台；3. 打开红外激光器将激光光路调平行，按照4.1所示光路图连好光路；4. 使红外激光器光线沿空玻璃缸外壁斜入射，并从另一平行侧面射出；5. 光功率探头探测激光功率，旋转光探头所在导轨旋钮，使光功率计读数最大，记下此时读数；6. 保持光路不变，向玻璃容器倒入一定量的水，水面没过光线；7. 旋转光探头导轨旋钮，使光功率计的读数最大，记下此时读数；8. 将水倒出，擦拭干净玻璃容器内壁，使其干燥，将玻璃容器放回纸板格子所在位置，向玻璃容器中倒入10%的糖溶液；9. 旋转光探头导轨旋钮，使光功率计的读数最大，记下此时读数；10. 取不同浓度糖溶液，重复上述49步骤操作；11. 实验结束，整理实验器材。4.2 旋光法测定糖溶液浓度实验步骤 1. 配置浓度百分数分别为5%，10%，%15, 19.21%的糖溶液；2. 找一矩形玻璃容器，将玻璃缸底部画在纸板上，并将纸板固定在平台；3. 打开红外激光器将激光光路调平行，按照4.2所示光路图连好光路；4. 使红外激光器光线沿空玻璃缸外壁垂直入射，并从另一平行侧面射出；5. 调整检偏器6，使光功率计在小量程下的的读数最小，此时处于最佳消光状态，记下检偏器初始读数；6. 向玻璃容器倒入一定量5%浓度的糖溶液，使糖溶液没过激光光线，调整检偏器6，使光功率计处于最佳消光状态，记下检偏器读数；7. 将玻璃容器的糖溶液倒出，将容器放回固定格子内，改变起偏器角度，重复4，5,6步操作，测10组数据；8. 分别换浓度为10%，15%，19.21%糖溶液，重复上述4,5,6,7步操作；9. 实验结束，整理实验器材。5. 实验数据记录及处理5.1折射率法测定糖溶液浓度数据处理表一玻璃容器内壁宽度h组号12345(平均)h（mm）50.050.250.150.050.350.12表二糖溶液的溶液质量分数为10%时记录数据(空气)（水）（10%浓度）20.5729.6909.50310.88211.06923.88012.69012.48011.19011.40014.9865.3104.9509.67610.036平均10.58310.836将数据，h代入6式，联合1式运用MATLAB软件解得，sin=0.5599，则tan=0.676,。将其与，h代入7式解得tan=0.4595,则sin=0.4176，代入1式解得=1.341。糖溶液浓度%，=547.21n2-726.84=547.211.341-726.84=6.97误差： 表三糖溶液的溶液质量分数为15%时记录数据(单位：mm)(空气)（水）（10%浓度）22.16913.20512.6508.9649.51920.98012.18611.6838.7949.29722.17511.21510.71210.96011.464平均9.57310.093将数据，h代入6式，联合1式运用MATLAB软件解得，sin=0.5314，则tan=0.6273。将其与，h代入7式解得tan=0.426,则sin=0.392，代入1式解得=1.355糖溶液浓度%，=547.21n2-726.84=547.211.355-726.84=14.63误差： =2.47%表四糖溶液的溶液质量分数为20%时记录数据(单位：mm)(空气)（水）（10%浓度）20.5729.6908.75010.88211.82223.88012.69011.75011.19012.13015.9865.3104.27510.67611.711平均10.91611.887将数据，h代入6式，联合1式运用MATLAB软件解得，sin=0.586，则tan=0.723,。将其与，h代入7式解得tan=0.486,则sin=0.337，代入1式解得=1.738糖溶液浓度%，=547.21n2-726.84=547.211.738-726.84=22.42误差： =12.1%5.2旋光法测定糖溶液浓度数据处理表五糖溶液的溶液质量分数为10%时记录数据 浓度10%（）（）（）175.870.05.8286.180.25.9388.683.25.4491.095.84.85101.095.85.2689.083.25.8770.064.15.9880.074.25.8981.675.16.54061.256.25.0平均（）5.61以溶液质量分数为10%的糖溶液为已知浓度的溶液对一下未知溶液的浓度进行测定并与理论值比较，分析误差。表六糖溶液的溶液质量分数为15%时记录数据浓度15%（）（）（）176.067.98.12101.893.08.8368.059.98.1475.867.28.6579.070.09.0680.071.09.0725.617.38.3839.630.88.8968.260.18.11086.878.28.6平均（）8.54表七糖溶液的溶液质量分数为5%时记录数据浓度5%（）（）（）161.959.02.9243.841.82.0327.925.82.1414.112.02.1526.023.82.2617.015.02.0725.722.92.8812.09.62.493.81.02.810349.5346.92.6平均（）2.39表八糖溶液的溶液质量分数为19.21%时记录数据浓度19.21%（）（）（）194.283.410.8291.680.011.6389.778.411.3486.074.411.6585.674.910.7689.379.99.4786.175.610.5885.074.011.0990.579.810.71076.064.811.2平均（）10.886. 实验结论6.1 误差分析使用折射率法测定糖溶液浓度的实验中，测定理论浓度为10%的糖溶液得到浓度为6.97%，误差为30.3%，大于实验要求的10%之内，误差较大；测定理论浓度为15%的糖溶液得到浓度为14.93%，误差为2.47%，在实验误差要求10%之内，测定理论浓度为20%的糖溶液得到浓度为22.42%，误差为12.1%，比实验要求误差10%稍微偏大造成误差的因素有：1. 实验溶液温度较低，而经验公式要求在温度22时候使用，造成误差；2. 由于功率计的精度达不到要求，使测量光斑功率最大值时存在仪器误差；3. 每次取放溶液时由于玻璃容器的移动使透过容器的光路前后不一致，玻璃容器入射面与出射面不严格平行造成测量光斑偏移量时存在误差。使用旋光法测定糖溶液浓度的实验中，测定理论浓度为15%的糖溶液得到浓度为15.22%，误差为1.47%；测定理论浓度为19.21%的糖溶液得到浓度为19.39%，误差为0.94%。误差范围均小于实验要求的10%，故符合要求。造成误差的因素可能有：1. 运用功率计检测光学系统的消光状态时，由于功率计的仪器误差使检偏器对光路检偏存在误差；2. 对检偏器进行读数时由于估读造成的误差；3. 每次取放溶液时由于玻璃容器的移动使透过容器的光路前后不一致，导致旋光体的光程不一致造成的微小误差。测定理论浓度为5%的糖溶液得到浓度为4.26%，误差为14.8%，误差较大，大于实验要求的10%，造成误差的原因是本次实验所用的起偏器与检偏器的最小刻度为2，而浓度为5%的糖溶液的旋光角在2 3的范围，角度较小，由于仪器限制，故在测量与读数时存在较大误差，从而导致计算结果误差较大。6.2 方案对比通过对折射率法测定糖溶液浓度与旋光法测定糖溶液浓度的实验操作，数据处理过程与最后结果进行对比，我得到的结论是在实际糖溶液浓度测定实验中，旋光法测定糖溶液浓度更具优势。理由如下：1. 旋光法比折射率法光路系统组成更简单，操作简便；2. 旋光法的实验数据处理比折射率法的实验数据处理简单易懂；3. 旋光法的精确度远高于折射率法的精确度，而且经济实用。7. 改进意见对于折射率法测定糖溶液浓度的改进如下：1. 选用入射面与出射面间距大而且对边平行度好的玻璃容器进行实验，增加光斑偏移量的可测量程度，提高实验数据精度；2. 使用固定槽固定玻璃容器，确保玻璃容器每次取放溶液时均能处于实验平台的同一位置，使激光光路在玻璃容器的入射点与出射点保持不变；3. 使用精确度较高的光功率计，这样就能较精确确定光斑功率最大点，使用刻度更精确的光探头导轨，这样就能较准确测出光斑位移量。对于旋光法测定糖溶液浓度的改进如下：1. 选用对边平行度好的玻璃容器进行实验，减少激光的光程误差；2. 使用固定槽固定玻璃容器，确保玻璃容器每次取放溶液时均能处于实验平台的同一位置，使激光光路在玻璃容器的入射点与出射点保持不变；3.实验选用精度更高的起偏器，检偏器及光功率计，这样就能测定数值更精确的糖溶液浓度，也能测定数值更低的糖溶液浓度。8.总结经过了近两个星期，在自己的努力之下，加上老师的精心指导课程设计终于取得了圆满的成功。在课设的整个过程中，我觉得我学到了很多东西，也很好地锻炼了自己的动手能力。比如说，如何找资料结合实验室有限的仪器设计方案；如何搭建精确的光路，避免误差；如何在实验中进行正规操作减少数据误差，如何根据测量得到的数据对实验进行反思，使实验误差减小到最小等等。课设就要结束了，课设期间我做到了学以致用，过得很充实。谢 辞这次课设我之所以能够成功做出作品并使其测定糖溶液浓度达到规定误差范围，首先得感谢我的指导老师，因为除了他的耐心指导之外，他还给我讲解一些我们学生容易忽略的问题。因为老师的讲解，我更加透彻地理解了光学测量糖溶液浓度实验的工