Свидетельство о СМИ 
"Всероссийский творческий конкурс РусКонкурс"
Эл № ФС77 - 61673 

Главная \ Методический кабинет \ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ЖИДКОСТЕЙ

« Назад

10.11.2015 06:12

Введение
Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления.
Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая
электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию). В этих, а также в
междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики.
Свет распространяется в среде со скоростью vx = с/п, где п — оптическая
плотность среды (показатель преломления). Показатель преломления
воздуха п = 1,0003, поэтому скорость света в атмосфере незначительно отличается
от скорости света в вакууме. Постоянство скорости света в вакууме (и с некоторым
приближением в атмосфере) используется для измерения расстояний. При
измерениях больших расстояний измеряется время, необходимое для прохождения
светом расстояния до объекта измерения и обратно (световые локаторы и
светодальномеры). Малые расстояния сравниваются с длиной световой волны
посредством фазовых или интерференционных методов.


2. Целью данной работы является:
При изучении раздела «оптика» возникла необходимость рассмотреть
вопрос оптической плотности жидкостей более подробно и используя современные
технологии применить эту теорию для проверки концентрации и состава
используемых жидкостей.
Изучение и анализ существующих систем измерения плотности и
исследование оптических свойств жидкостей.2
Анализ показал, что существующие системы дороги и не всегда дают
точные данные. Есть возможность разработки более простых и эффективных
конструкций.
3. Задачей данной исследовательской работы является:
1. Осуществить на практике изучение и исследование рассеяние и
преломление светового потока при переходе из одной среды в другую.
2. Более подробно ознакомиться с явлением изменения оптической плотности
различных жидкостей.
3. Проанализировать прозрачность жидкостей, оптических свойств при
изменении их концентрации.
4. Результаты проведенных исследований применить для учебного процесса
5. Проанализировать возможность прикладного применения полученных
результатов.
Теоретическое обоснование
Законы распространения излучения.
Поглощение света в веществе описывается законом Бугера — Ламберта:
,
где I0 и I — интенсивности плоской монохроматической волны на входе в слой
поглощающего вещества толщиной I и на выходе из него; — удельный
показатель поглощения, численно равный толщине слоя вещества, после
прохождения которого интенсивность света уменьшается в е = 2,718 раза.
Показатель поглощения зависит от длины волны (селективность, или3
избирательность, поглощения). У «прозрачных» веществ в видимой области
спектра составляет от 10
-3 м-1
(воздух) до 1 м-1
(стекло).
Рассеяние света сопровождается изменением направления распространения света
и проявляется как несобственное свечение вещества. Потери света в результате
рассеяния могут быть выражены зависимостью , где hλ —
коэффициент экстинкции (разряжения, растяжения).
Изменение интенсивности света в зависимости от толщины слоя, а также
селективность (избирательность) поглощения и рассеяния лежат в основе действия
ряда оптических преобразователей, предназначенных для определения толщины,
уровня, концентрации, структуры и химического состава вещества.
Отражение и преломление света
имеют место на границе раздела двух
прозрачных сред (рис. 1). Между
углами падения φ1, преломления φ2 и
отражения φ3 существует простая
связь: φ1 = φ3;
Прохождение луча на
границе двух прозрачных сред.
, где п1 и п2 — коэффициенты преломления до и после границы раздела.
Измеряя углы падения и преломления, можно определить коэффициенты
преломления веществ (рефрактометрия). Интенсивность отраженного света
позволяет оценить состояние поверхности (шероховатость, помутнение и т. д.).4
Основные свойства оптического излучения. Электромагнитные волны
оптического диапазона, как и любые электромагнитные волны, ,являются волнами
поперечными и характеризуются взаимно перпендикулярными векторами E и Н
электрического и магнитного полей, которые изменяются синхронно в плоскости,
перпендикулярной к направлению распространения волн. Скорость
распространения света в вакууме является фундаментальной физической
константой: с = 2,998-10
8 м/с.
В большинстве процессов взаимодействия оптического излучения более
важную роль играет вектор Е (НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРО- МАГНИТНОГО СВЕТОВОГО
ПОТОКА), поэтому условно принято рассматривать для волн оптического
диапазона только электрический вектор Е.
Оптическое излучение складывается из элементарных актов излучения атомами
или молекулами, из которых состоит источник, отдельных порций — цугов —
электромагнитных волн. Каждый атом или молекула излучает цуг волн в течение
промежутка времени порядка 10
-8 с. Протяженность цуга имеет порядок 10
7 длин
волн.
Монохроматичным называется излучение, для которого вектор Е колеблется с
одной и той же частотой Δv0 или все колебания имеют одну и ту же длину волны
. Степень монохроматичности характеризуется шириной оптической
спектральной линии Δv0. Наиболее близко к идеально монохроматичному
излучение лазеров, для которых Δv0 ≈ 10
3 Гц. (По этой причине в исследованиях
используется полупроводниковый лазер.)
Литература: Е. В. Левшиц, «Измерительные преобразователи» стр.287.5
Из всего выше сказанного, учитывая величину мощности оптического
излучения,
погрешность
перехода двух сред –
лабораторного стекла
и исследуемой
жидкости имеется
возможность
определения
величины
пропорциональной
оптической
плотности среды.

 

Для измерения величины пропорциональной п — оптической плотности
среды (показателя преломления) была создана малогабаритная
измерительная лабораторная установка (в дальнейшем установка).
В процессе работы над данной тематикой была рассчитана и изготовлена
опытная лабораторная установка измерения оптической плотности жидкостей
(рис.1.)
Установка исследования оптической плотности жидкости
Авторы установки: Семенченко А.И. и Афонасьев В.С.
Установка представляет собой источник оптического излучения -
полупроводниковый лазер красного свечения и приемник – фотосопротивление и
цифровой ампервольтметр. (Омметр).
Процесс исследования:6
В стеклянную емкость (из лабораторного стекла) наполнялась исследуемая
жидкость и просвечивалась лазером. Концентрация жидкости пропорционально
изменялась. Результаты фиксировались на фотосопротивлении и заносились в
представленные таблицы.
В качестве объектов исследования использовались различные растворы
наиболее часто используемые населением в процессе своей деятельности:
- Пищевые продукты;
- Солевой раствор, как аналог электролита аккумуляторной батареи.
В качестве единиц измерения использованы относительные единицы по
показаниям цифрового ампервольтметра (омметра). По этой причине
характеристики имеют обратный характер изменения. Достоверность
измерений проверялась по ареометру (плотномеру).

 

Выводы по проделанной работе:
1. Сконструированная опытная исследовательская установка позволяет
осуществлять измерения оптической плотности жидкостей с достаточной
точностью (осуществлена проверка соответствия на промышленных образцах).
2. Результаты исследования позволяют судить об изменении оптической
плотности жидкостей различных химических составов в зависимости их
процентной концентрации.
3. Данные эксперименты могут быть использованы в учебном процессе по
различным дисциплинам (физика, химия, биология, фармакология и др.).
4. Исследования показали, что данная методика определения оптической
плотности прозрачных жидкостей может быть использована на различных
предприятиях города, где необходимо осуществлять экспресс анализ «частоты»
вещества.
5. Перспективное использование результатов в медицине при экспесс анализе
человеческой крови, ее составляющей – плазмы (определение берилиума и
холестерина). Проведена консультация с медицинскими специалистами.
6. Данные исследования позволяют делать выводы о проверенных продуктах
питания – их оптической плотности, косвенно и о качестве.
7. Преимущество данных исследований в том, что они показывают возможность
проверки плотности (концентрации) некоторых жидкостей имеющих прозрачную
упаковку без ее нарушения, но к сожалению из – за ее (упаковки) оптической
неоднородности возможны значительные погрешности измерений.
8. Эксперименты с поваренной солью - аналогом электролита аккумуляторных
батарей дают еще одну возможность проверять состояние химических источников
тока.
ПРИМЕЧАНИЕ: Недостаток в том, что при длительном использовании
электролит мутнеет не пропорционально своей плотности.
Заключение:9
На данном этапе исследований работа достигла своей цели. Есть перспективы ее
развития. Необходимо усовершенствовать систему измерения, скорректировать
процесс перевода единиц измерения. Расширить типы используемых приемников.
Данная исследовательская работа требует дальнейшего продолжения.
Литература:
1. Е.С. Левшина, П.В.Новицкий. «Электрические измерения электрических
величин. Измерительные преобразователи» Ленинград. Энергоатомиздат.1983.
Стр. 141 – 149.
2. Решетов С.А. «Электрооборудование воздушных судов». Москва,
Транспорт 1991г.
3. И.М.Синдеев , А.А.Савелов. «Система электроснабжения воздушных
судов» Издательство «Транспорт» 1990 г. стр.62-63 Учебник. Высшее образование).
4. Барвинский А.П. «Электрооборудование самолетов». Москва, Транспорт.
1990
5. Семенченко А.И. «Противооблединительные системы и регулирование
температуры в кабинах и грузовых отсеках самолета». Учебное пособие.. 2002



Комментарии


Комментариев пока нет

Пожалуйста, авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий.
Я согласен(на) на обработку моих персональных данных. Подробнее
Пожалуйста, авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий.

Авторизация
Введите Ваш логин или e-mail:

Пароль :
запомнить