兩種旋光儀測量葡萄糖溶液濃度的教學研究

厲桂華，叢曉燕，張 紅，趙文麗

(山東農業大學 信息科學與工程學院，山東 泰安 271000)

光是電磁橫波，其電場矢量和磁場矢量振動的方向與光的傳播方向垂直。由于電場的物理效應通常比磁場顯著，因此用電場矢量表示光矢量。在與光傳播方向垂直的平面內，光矢量可以分為自然光、部分偏振光、線偏振光、圓偏振光和橢圓偏振光[1]。1811年，阿喇果發現，當線偏振光通過某些透明物質時，它的振動面將圍繞光的傳播方向轉過一定的角度，這種現象叫作旋光效應，使光的振動面產生旋轉的物質叫作旋光物質。迎著光的傳播方向看，使光的振動面順時針轉動的物質叫右旋物質，反之則為左旋物質[2-4]。這些物質的旋光效應在科研檢測部門有很多應用。例如醫藥工業，藥檢部門，商品檢測部門經常采用旋光法測量藥物或商品的濃度；在制糖工業和食品工業中，旋光儀也是經常應用的儀器之一。所以，偏振光旋光實驗是綜合性大學、工科院校、醫學類院校重要的光學實驗。

在偏振光旋光實驗中，大家普遍采用WXG-4型旋光儀進行測量[5]。由于長時間使用旋光儀，人眼對視場位置中等亮、等暗視場的敏感度下降，導致較大的實驗誤差。在FD-PE-B偏振光旋光實驗儀中增加一個樣品管調節架后，組成了自組裝分體式旋光儀。經實踐發現，一方面它所測數據的精確度很高，不遜色于WXG-4型旋光儀。另一方面它采用分立元件組裝測量光路，既鍛煉了學生動手能力，也讓學生加深了對旋光的認識。

1 實驗原理

(1)

式中“+”表示右旋，“-”表示左旋。實驗中忽略以上兩個因素，假設λ一定時，α是常數。所以有

φ=αlc/100

(2)

其中L為溶液玻璃管的長度，單位dm，c為溶液濃度，單位g·(100 mL)-1。反之，對已知旋光率的物質，可以通過測量旋光度求得該物質的溶液濃度，即

c=100φ/αl

(3)

實驗中α采用(1)式中的值。實驗屬于驗證性實驗，裝入玻璃管的糖溶液濃度為10 g·(100 mL)-1，在數據分析時可以作為參考值。

2 實驗過程

2.1 WXG-4型旋光儀測量葡萄糖溶液濃度

實驗裝置及各部件名稱如圖1所示。

圖1 WXG-4型旋光儀

由于亮度低的情況下，人眼對光線的反應更敏感，所以選擇采用等暗視場測量溶液濃度。

表2 WXG-4旋光儀得到的溶液濃度(濃度單位g·(100 mL)-1)

注意：刻度盤上180°和0°重合，如果轉角跨過了0°，則計算時要進行角度轉換。

2.2 自組裝分體式旋光儀測量葡萄糖溶液濃度

將實驗裝置組裝如圖2所示。

圖2 自組裝分體式旋光儀實物圖

先檢查激光器插頭和光功率計探頭是否與光功率計連接好。接著放上一個樣品管調節架，并取下檢偏器P2。調整激光器，使激光束與檢偏器P1、光功率計探頭共軸等高。然后調節P1，使激光束從P1中心通過。最后，安裝上檢偏器P2并對其進行調節，使激光束通過中心。

在調節架上放入1 dm的蒸餾水管，使激光穿過中心出射。調節P2，使光功率計示數最小，然后將光功率計的示數調節為零，記錄此時P2的位置φ1。將蒸餾水管取下，換上1 dm的葡萄糖溶液管，發現光功率計示數變大。這時，再次調節P2，使光功率計示數為零，記錄此時P2的位置φ2。同理，將2 dm的蒸餾水管和葡萄糖溶液管放入調節架上，重復上述步驟。每個長度的溶液反復測量20次，計算出40組溶液濃度后填入表3。

表3 自組裝分體式旋光儀得到的溶液濃度(濃度單位g·(100 mL)-1)

3 數據處理與分析

觀察表1中的數據可知，WXG-4旋光儀測得的旋光度分別為4.97和9.88，計算出葡萄糖溶液濃度分別為9.43 g·(100 mL)-1和9.37 g·(100 mL)-1，與標準值10 g·(100 mL)-1相比，誤差分別為5.7%和6.3%。根據表1中前四列數據可以判斷，葡萄糖溶液確實是右旋物質。作者把表2中的40組濃度數據用畫圖軟件整理后如圖3所示，不管是1 dm的溶液還是2 dm的溶液，濃度值均有一定波動，但是所有的溶液濃度值均在1.12 g·(100 mL)-1范圍內波動。

表1 WXG-4旋光儀測量葡萄糖溶液濃度

圖3 WXG-4旋光儀得到的溶液濃度

表3是由自組裝分體式旋光儀所測旋光度計算出的40組溶液濃度，然后把這些數據用圖4表示出來。同樣，兩種長度對應的溶液濃度也呈現一定的波動，除去第一組誤差最大，其他數據的波動均在1.43 g·(100 mL)-1范圍內。所以可以判斷，自組裝分體式旋光儀測得的旋光度和WXG-4旋光儀測得的旋光度精度相當[6]。在大學物理旋光實驗中，完全可以用自組裝分體式旋光儀來完成包括偏振光產生及檢驗、馬呂斯定律的驗證和葡萄糖溶液旋光度的測量等多項偏振光相關的實驗。

圖4 自組裝分體式旋光儀得到的溶液濃度

4 結 語

通過在FD-PE-B偏振光旋光實驗儀中增加一個樣品管調節架后，組成了自組裝分體式旋光儀。然后，分別采用自組裝分體式旋光儀和WXG-4型旋光儀測量葡萄糖溶液濃度，經數據對比發現，二者所測數據精度相當。因此，與偏振光相關的基礎物理實驗、設計性與研究性物理實驗完全可以采用自組裝分體式旋光儀來獨立完成。同時增加了學生動手、動腦的內容，使之更深刻的理解旋光的意義。此外，也減少購買實驗儀器的花費。