测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数 - - 副本

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1、测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数（复旦大学09物理徐杨）摘要：热膨胀系数和折射率温度系数是光学玻璃等光学材料的重要参量，本文介绍了一种通过激光干涉法测量玻璃样品热膨胀系数β和折射率温度系数γ的简便方法。关键词：光学玻璃热膨胀系数折射率温度系数激光干涉法1.引言热膨胀系数和折射率温度系数是光学玻璃的重要参量，对其进行测量的激光干涉系统较为庞大，由于实验室条件有限，必须通过巧妙的方法来进行测量。本实验利用一个由三部分组成的样品特定面之间的干涉，可以较方便地粗略测量出样品的热膨胀系数β和折射率温度系数γ，并对样品中B、B’的楔角进行了估测。2.干

2、涉法测量玻璃样品热膨胀系数β和折射率温度系数γ2.1实验装置1.样品：实验所用的样品由均匀各向同性的待测玻璃制成，如图1所示。其中A是被切去一部份的玻璃圆柱体，上下表面基本平行；B和B’是两块也被切去一部份的圆形薄玻璃板，每块玻璃板的上下表面不平行。三块玻璃A、B、B’胶合成一体，如图1所示。胶的折射率与玻璃相同，厚度可以忽略不计。2.加热装置：该实验的加热装置如图2所示，图中电炉右边的旋钮用于调节电炉温度。大铝块中间有一个圆柱形的样品腔，样品可放在其中。小铝块上有两个孔，一个可用于通光，另一个可用来插温度计的探头。如要对样品加热，可先小心地将

3、样品滑入大铝块的样品腔中（这时应将大铝块倾斜，以防样品撞碎），再放入小铝块，然后把整个大铝块放入电炉上的钢杯中，就可以对样品加热。3.光源支架：如图3所示，在支架的上部装有He-Ne激光器及其电源，在激光器的下面有一个倾斜的搁架，上面搁放了一块带小孔的观察屏。支架底部有三个脚，C脚是固定的，不可调节，A脚和B脚可以调节。4.样品平台：光源支架底部有一圆形平台，用于放置样品或电炉，其底部有三个脚a、b、c，高低可调，见图3。5.数字式温度计：1个6.卷尺和直尺：各1把7.水盆：1个（内有冷却用水）8.毛巾：1块9.小纸片：1张10.作图用坐标纸：

4、1张2.2实验原理1、测量玻璃的β和γ的基本原理如下：当激光从样品的c区反射时，在屏上可以看到它的3个反射光斑，见图4，其中v有干涉条纹，它是由上薄玻璃板的下表面与下薄玻璃板的上表面2两束反射光的干涉所形成的。这两束光的光程差为2L。电炉开始加热后，设温度升高△T，玻璃膨胀△L=Lβ△T，干涉条纹移动m1条，则有2△L=m1λ，式中λ为激光的波长。由此可得：图4已知L和λ，只要测出干涉条纹移动数m1与温度T的关系，从m1—T图可得到温度从40～80℃时的条纹移动数m1，由此可求得β。当激光从a区反射时，在屏上只能看到一个有干涉条纹的光斑。它是由

5、玻璃圆柱体的上表面和下表面两反射光的干涉形成的。这两束光的光程差为2nL，温升△T引起的光程差变化为：设此时的干涉条纹移动了m2条，则有即2、测量样品玻璃片B和B′的楔角如图6，激光可近似看作垂直入射，则激光射入下表面的反射角为2αB由折射定律：2nsin(2αB)=sin（2αb）αB和αb均很小，所以出射光线的夹角与楔角间的关系为：图6αb=2nαB2.3实验步骤2.3.1测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数：1、参照图2和图3，将实验器材组装好。令激光射入到玻璃样品BB′一侧，此时反射光屏上应该有三个光斑，其中中心的光斑有干涉条纹出现。2

6、、调整中心光斑的位置，使其位于激光出射孔附近。3、在钢杯中加入冷水，用电炉加热样品，观察中心光斑干涉条纹的移动，每移动一个级次记录下样品的温度。4、在温度达到70℃左右时停止加热，利用电炉的余热继续升温，直到样品达到90℃左右时停止记录。5、样品自然冷却过程中，重复步骤3，记录下干涉条纹每移动一个级次时样品的温度。6、令激光入射到样品a侧，此时只能够看见一个有干涉条纹的光斑，重复步骤2-5。2.3.2测量样品玻璃片B和B′的楔角1、将小纸片挡在B和B′之间，在屏幕上可以观察到由B面产生的两个亮点x和v。2、测量x和v的间距d1，屏幕离B之间的长

7、度l1。求出光线的夹角αb=d1/l1。3、则样品B侧玻璃的楔角αB=d1/(2nl1)。4、使B′侧朝上，即可测出B′楔角。2.4实验数据2.4.1测量样品热膨胀系数：实验中对β共进行三次测量，分别为，较少水水浴加热（电炉开至最大），较多水水浴加热（电炉开至最大），不加水加热（电炉开至半满）再自然冷却。三次所得数据如下：表1较少水水浴加热测β表2较多水水浴加热测β、表3不加水，先加热再自然冷却测β表3续不加水，先加热再自然冷却测β对三次实验数据进行直线拟合，分别得到如下图线：图线1较少水水浴加热测β图线2较多水水浴加热测β图线3不加水，先加热

8、再自然冷却测β（加热阶段）图线4不加水，先加热再自然冷却测β（冷却阶段）对于图线1，曲线斜率B=，其中L=1.012cmλ=632.8nm故β===7