两种旋光仪测量葡萄糖溶液浓度的教学研究

厉桂华，丛晓燕，张 红，赵文丽

(山东农业大学 信息科学与工程学院，山东 泰安 271000)

光是电磁横波，其电场矢量和磁场矢量振动的方向与光的传播方向垂直。由于电场的物理效应通常比磁场显著，因此用电场矢量表示光矢量。在与光传播方向垂直的平面内，光矢量可以分为自然光、部分偏振光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光[1]。1811年，阿喇果发现，当线偏振光通过某些透明物质时，它的振动面将围绕光的传播方向转过一定的角度，这种现象叫作旋光效应，使光的振动面产生旋转的物质叫作旋光物质。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[2-4]。这些物质的旋光效应在科研检测部门有很多应用。例如医药工业，药检部门，商品检测部门经常采用旋光法测量药物或商品的浓度；在制糖工业和食品工业中，旋光仪也是经常应用的仪器之一。所以，偏振光旋光实验是综合性大学、工科院校、医学类院校重要的光学实验。

在偏振光旋光实验中，大家普遍采用WXG-4型旋光仪进行测量[5]。由于长时间使用旋光仪，人眼对视场位置中等亮、等暗视场的敏感度下降，导致较大的实验误差。在FD-PE-B偏振光旋光实验仪中增加一个样品管调节架后，组成了自组装分体式旋光仪。经实践发现，一方面它所测数据的精确度很高，不逊色于WXG-4型旋光仪。另一方面它采用分立元件组装测量光路，既锻炼了学生动手能力，也让学生加深了对旋光的认识。

1 实验原理

(1)

式中“+”表示右旋，“-”表示左旋。实验中忽略以上两个因素，假设λ一定时，α是常数。所以有

φ=αlc/100

(2)

其中L为溶液玻璃管的长度，单位dm，c为溶液浓度，单位g·(100 mL)-1。反之，对已知旋光率的物质，可以通过测量旋光度求得该物质的溶液浓度，即

c=100φ/αl

(3)

实验中α采用(1)式中的值。实验属于验证性实验，装入玻璃管的糖溶液浓度为10 g·(100 mL)-1，在数据分析时可以作为参考值。

2 实验过程

2.1 WXG-4型旋光仪测量葡萄糖溶液浓度

实验装置及各部件名称如图1所示。

图1 WXG-4型旋光仪

由于亮度低的情况下，人眼对光线的反应更敏感，所以选择采用等暗视场测量溶液浓度。

表2 WXG-4旋光仪得到的溶液浓度(浓度单位g·(100 mL)-1)

注意：刻度盘上180°和0°重合，如果转角跨过了0°，则计算时要进行角度转换。

2.2 自组装分体式旋光仪测量葡萄糖溶液浓度

将实验装置组装如图2所示。

图2 自组装分体式旋光仪实物图

先检查激光器插头和光功率计探头是否与光功率计连接好。接着放上一个样品管调节架，并取下检偏器P2。调整激光器，使激光束与检偏器P1、光功率计探头共轴等高。然后调节P1，使激光束从P1中心通过。最后，安装上检偏器P2并对其进行调节，使激光束通过中心。

在调节架上放入1 dm的蒸馏水管，使激光穿过中心出射。调节P2，使光功率计示数最小，然后将光功率计的示数调节为零，记录此时P2的位置φ1。将蒸馏水管取下，换上1 dm的葡萄糖溶液管，发现光功率计示数变大。这时，再次调节P2，使光功率计示数为零，记录此时P2的位置φ2。同理，将2 dm的蒸馏水管和葡萄糖溶液管放入调节架上，重复上述步骤。每个长度的溶液反复测量20次，计算出40组溶液浓度后填入表3。

表3 自组装分体式旋光仪得到的溶液浓度(浓度单位g·(100 mL)-1)

3 数据处理与分析

观察表1中的数据可知，WXG-4旋光仪测得的旋光度分别为4.97和9.88，计算出葡萄糖溶液浓度分别为9.43 g·(100 mL)-1和9.37 g·(100 mL)-1，与标准值10 g·(100 mL)-1相比，误差分别为5.7%和6.3%。根据表1中前四列数据可以判断，葡萄糖溶液确实是右旋物质。作者把表2中的40组浓度数据用画图软件整理后如图3所示，不管是1 dm的溶液还是2 dm的溶液，浓度值均有一定波动，但是所有的溶液浓度值均在1.12 g·(100 mL)-1范围内波动。

表1 WXG-4旋光仪测量葡萄糖溶液浓度

图3 WXG-4旋光仪得到的溶液浓度

表3是由自组装分体式旋光仪所测旋光度计算出的40组溶液浓度，然后把这些数据用图4表示出来。同样，两种长度对应的溶液浓度也呈现一定的波动，除去第一组误差最大，其他数据的波动均在1.43 g·(100 mL)-1范围内。所以可以判断，自组装分体式旋光仪测得的旋光度和WXG-4旋光仪测得的旋光度精度相当[6]。在大学物理旋光实验中，完全可以用自组装分体式旋光仪来完成包括偏振光产生及检验、马吕斯定律的验证和葡萄糖溶液旋光度的测量等多项偏振光相关的实验。

图4 自组装分体式旋光仪得到的溶液浓度

4 结 语

通过在FD-PE-B偏振光旋光实验仪中增加一个样品管调节架后，组成了自组装分体式旋光仪。然后，分别采用自组装分体式旋光仪和WXG-4型旋光仪测量葡萄糖溶液浓度，经数据对比发现，二者所测数据精度相当。因此，与偏振光相关的基础物理实验、设计性与研究性物理实验完全可以采用自组装分体式旋光仪来独立完成。同时增加了学生动手、动脑的内容，使之更深刻的理解旋光的意义。此外，也减少购买实验仪器的花费。