电磁波偏振性质的研究与讨论-及人中学.doc

中華民國第　五十　屆中小學科學展覽會 作品說明書 科　　別：物理科 組　　別：高中組 作品名稱：電磁波偏振性質的研究與討論 關 鍵 詞：電磁波、偏振性、旋光性 編 號： 摘要 本實驗主要針對葡萄糖、蔗糖及糖等三種旋光性溶液，改變其濃度的偏振光因子，觀察對偏振方向所造成的影響。實驗結果顯示：葡萄糖、蔗糖及糖會使得偏振光的偏振方向以順時針旋轉，屬右旋性光學異構物。此三種溶液之濃度增加時，偏振光的偏振方向有明顯遞增的現象。此外當， 壹、研究動機 光，與人的生活密不可分，存在於我們生活的週遭，它看起來平凡無奇，卻又含著無比複雜的特性，令人忍不住好奇之心。在「－光」【參考資料一】本研究的主要目的如下： 觀察光通過線性偏振片後，亮度的變化情形。 觀察並紀錄偏振光通過旋光性介質後，偏振方向變化情形。 討質對偏振行為的影響。 參、研究設備及器材 品 名 規 格 數 量 品 名 規 格 數 量 圓型鋁管 長1cm 1個 滴管 數個 圓型鋁管 長1cm 1個 三樑天秤 1具 圓型鋁管 長1cm 1個 儀器架座 1組 光學玻璃 口徑58mm 片 633nm 1具 線性偏振片 口徑58mm 片 葡萄糖 500g 試藥級 2罐 折射式糖度計 1具 蔗糖 500g 試藥級 2罐 燒杯 數個 麥芽糖 500g 試藥級 1瓶 量筒 數個 2罐 肆、研究過程或方法 一、研究原理 （一）、偏振原理： 在這個有線電視的時代裡，要在住家屋頂上看見電視天線似乎有點困難了。不過偶在逛街時，稍微留意一下，還是能見到它的蹤影。我們可以發現，每具天線都是以相同的方式裝置著。在課堂上學過電磁波後，我們可以初步地了解那是因為電視台發射的電磁波具有單方向偏振性；而我們屋頂上的天線也必須依照該偏振方向裝置，才能收到清晰的訊號。但是一般我們看見的光源所放射出的電磁波則是隨意偏振或未偏振的，由振盪的電場加上垂直電場的磁場所組成。我們將電場震盪的平面稱為「振盪平面」，但是未偏振的電磁波是由許多行進方向相同，但是振盪平面不同的電磁波疊加而成的（圖）。目前我們知道，我們可以藉由一些方法到偏振光，如偏振片、反射光、原子或分子的散射光、、、等等。【參考資料】 （二）、偏振片： 實驗室裡，我們利用簡單的偏振片，就可以得到單一偏振的偏振光。此偏振片（又稱起偏器或偏振濾波片）是在1932年由Edwin Land所發明的，當時他還是個大學生。此片是將特定長鏈狀分子分布於塑膠中製造時，要使數排延伸的分子相互平行，像犁耕過的田地一般。當光傳播至此片時，延著某特定方向電場的分量可以通過，而垂直該方向的分量則會完全被吸收且消失。 如果入射到偏振片上的是已偏振光，則當偏振片的偏振方向與偏振光的振動方向一致時，所穿透出的光最強；旋轉偏振片，當這兩個方向互相垂直時，則沒有透射光。所以我們將未偏振光射入兩片相互垂直的偏振片時，這兩片偏振片可以完全吸收所有射入的光線。不過，在兩相互垂直的偏振片中再加一片偏振片，而此偏振片與原來兩片偏振片皆不垂直，我們發現會有偏振光穿透這組振片系統（圖）。 （三）、旋光性理論：老師提到類，葡萄糖和蔗糖具有「右旋光性」，而果糖具有「左旋光性」。並且向我們介紹微生物學之父巴斯德（Louis Pasteur, 1822-1895）。發現了酒石酸晶體有兩種相對的結晶型，成溶液時會使光向相反的方向旋轉，因而定出分子有左旋與右旋不同結構的「光學異構」現象，創立「旋光性原理」。此乃許多科學家所無法解決的大課題，因而使他成為「立體化學」的創始者。旋光性溶液所偏轉的大小是由以下因素所決定： (1) ；(2) ；(3) ；(4) ；() 光源波長；() 溫度。【參考資料】 二、研究過程 （一）觀察光通過偏振片的偏振現象 1、取一片線性偏振片，觀察光經過偏振片後，透射光強度的變化情形。 2、再取片線性偏振片，觀察兩片偏振片對光強度的影響。 （二）實驗裝置 我們使用圓型鋁管，兩端車牙後，管的前後兩端可旋入光學玻璃，形成一個密封的圓柱形容器。為了擔心會有滲水的現象發生，我們在玻璃的周圍小心地塗上防水膠。再於前後端鎖上線性偏光片。而管子的上方開兩個小孔，可以將待測的溶液裝入，如圖。 （）實驗步驟 1、將實驗裝置如圖五方式裝設完成。利用雷射調整偏光片(a)的偏振方向，使雷射光的達到最大。裝上偏光片(b)，旋轉偏振片(b)直至光通量最小為止，並標定起始刻度位置X1。 2、觀察濃度對葡萄糖旋光性的影響：漏斗將溶液裝入內。測量溶液溫度，開啟光源。我們會發現增加，慢慢旋轉偏振片(b)，直至光通量再度變為最為止，記錄終點位置X2。 、觀察濃度對蔗糖旋光性的影