Počítání fólií měřením úbytku světla Cíl: Cílem této úlohy je připravit u žáků půdu pro pochopení důležité fyzikálně-chemické metody: stanovení koncentrace měřením absorbance s využitím Lambertova-Beerova zákona. Současně je to příležitost k smysluplnému užití logaritmů a práce s nimi. Pomůcky: Luxmetr LS-BTA, lampička, izolepa, 32 kusů průhledné fólie (nejlépe obaly od CD). Teoretický úvod: Prochází-li světlo prostředím, dochází k jeho zeslabení. Matematicky to lze popsat pomocí k d exponenciální funkce: I I 0 e, kde I je intenzita světla, k absorpční koeficient, d tloušťka vrstvy a I0 je intenzita při nulové tloušťce. Ve spektrofotometrii se používá veličina transmitance definovaná jako podíl světla, které I vzorkem prošlo (I), a světla, které do vzorku vstoupilo (I0): T Záporně vzatý dekadický logaritmus transmitance se nazývá absorbance: I 0 A log T. Veličina absorbance má tu výhodu, že její závislost na tloušťce (či koncentraci) je lineární. Používání absorbance tedy usnadňuje měření tloušťky či koncentrace tím, že změříme absorbanci v několika bodech, proložíme přímku a neznámou koncentraci pak snadno najdeme při známé (změřené) absorbanci na této přímce. Strana 1 z 5
Úkoly pro žáky: 1. Pomocí izolepy proti sobě upevněte luxmetr LS-BTA a lampičku do takové vzdálenosti, aby luxmetr ukazoval těsně pod 6000 lx (= využijete celý střední rozsah přístroje). 2. V programu Logger Pro zvolte v menu Experiment Sběr dat a přepněte mód z časová závislost na události se vstupy. Datový sloupec pojmenujte počet, značka může být například N. Zaškrtněte, že se má používat průměr za 10 sekund. 3. Spusťte měření pomocí tlačítka a klikněte na. Počkejte 10 sekund, než proběhne měření. Následně se program zeptá na počet fólií, vyplňte tedy 0, čímž dojde ke spárování čísla 0 s průměrnou hodnotou osvětlení při 0 fóliích. 4. Opakujte krok 3 pro 1, 2, 4, 8, 16 a 32 fólií. 5. Ukončete měření tlačítkem. 6. Proložte naměřenými daty exponenciální křivku. V menu zvolte Analýza Proložit křivku, vyberte přirozenou exponenciálu, kliknete na Aproximovat a pak na OK. Strana 2 z 5
7. Zapište na papír nalezenou přibližnou rovnici (aproximaci) závislosti osvětlení na počtu fólií. V případě na obrázku výše vypadá rovnice (bez jednotek) takto: I 4938 e 0,09034 N 733,6 8. Logaritmováním a dalšími úpravami lze vyjádřit N: I 733,6 ln 4938 N 0,09034 V menu vyberte Data Nový dopočítávaný sloupec. Vyplňte název, značku a rovnici, podle které se bude veličina počítat z naměřených hodnot. Můžete přitom využít knihovnu funkcí a seznam proměnných. Zaškrtněte, že se má nová dopočítávaná veličina zobrazovat již během měření. Strana 3 z 5
Přepněte ještě do záložky Nastavení a nastavte počet desetinných míst (přesnost) na 0. Strana 4 z 5
9. V menu zvolte Vložit Displej Digitální a následně ještě Stránka Automatické rozložení stránky. Mezi objekty na stránce tak zakomponujete ukazatel odhadu počtu fólií. 10. Nyní můžete vkládat náhodné počty fólií (třeba 23, 5, 11 atd.) a sledovat, jak počítač provádí v reálném čase odhad jejich počtu. Je to velice působivé! Poznámky pro učitele: Tato aktivita může žákům pomoci na cestě k pochopení principu spektrofotometrického stanovování koncentrace měřením absorbance. Považuji ji za důležitý mezikrok, než učitel chemie či fyziky přejde od počtu fólií (nespojitá veličina) ke koncentraci (spojitá veličina). Proč je důležité zaškrtnout při měření průměr za 10 sekund: Luxmetr tak bude po tuto dobu měřit a výsledek zprůměruje. To je důležité kvůli tomu, že světlo lampičky napájené střídavým proudem periodicky kolísá, takže bychom se při bodovém měření náhodně někdy strefili do vyšších hodnot a jindy do nižších a čímž by měření bylo výrazně nepřesné. Uvedení zdroje: Obrázky 1, 3, 4: www.vernier.com; obrázek 2: autor Pavel Böhm Strana 5 z 5