分光计测量液体折射率的设计

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1、分光计测量液体折射率的设计黄忠良（辽宁科技大学电子与信息工程学院电子08-1班）摘要：本文在调整好的分光计上，配合使用光学元件进行实验。用钠光源掠入射法测量酒精和水的折射率，并对三棱镜折射率的测量进行拓展。用Matlab软件实现所有计算。关键词：分光计；折射率；三棱镜；掠入射法中文分类号：04—34文献标识码：A文章编号：引言折射率为一光学常数，是反映透明介质材料光学性质的一个重要参数。在生产和科学研究中往往需要测定一些固体和液体的折射率。测定透明材料折射率的方法很多，最小偏向角法和全反射法（折射极限法）是比较常用的两种方法

2、。最小偏向角法具有测量精度高、所测折射率的大小不受限制等优点。但是，被测材料要制成棱镜，而且对棱镜的技术条件要求高、不便快速测量。全反射法属于比较测量，虽然测量精度较底、被测折射率的大小受到限制，对于固体材料也需要制成试件，但是，全反射法具有操作方便迅速、环境条件要求底等优点。实验原理：由光的折射定律可知：光在两种介质界面发生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比是一个常数。既。称为第二种介质对第一种介质的折射率。任一种介质相对于真空的折射率称为该介　质的绝对折射率，简称折射率。在常温（20°C）和一个大气压条件下，空气的折

3、射率为1.0002926，通常介质的折射率是相对于空气而言的。由于介质的折射率随入射光波长而变，故实验时必须用单色光，一般通用的折射率数据都是对钠黄光的波长而言，用表示。用掠入射法测定液体折射率原理如图1所示。将折射率为的待测物质放在已知折射率为的直角棱镜的折射面AB上，且〈。若以单色的扩展光源照射分界面AB时，则从图1可以看出：入射角为的光线Ⅰ将掠射到AB界面而进入三棱镜内。显然，其折射角应为临界角，因而满足关系式：（1）AⅠⅡnn1icBCj明暗y图1掠入射法测量液体的折射率示意图当光线Ⅰ射到AC面，再经折射而进入空气时

4、，设在AC面上的入射角为，折射角为，则有：（2）除掠入射光线Ⅰ外，其他光线例如光线Ⅱ在AB面上的入射角均小于，因此经三棱镜折射最后进入空气时，都在光线Ⅰ的左侧。当用望远镜对准出射光的方向观察时，在视场　中将看到以光线Ⅰ为分界线的明暗半荫视场，如图1所示。icφΨicBACABCφΨ图2不同顶角棱镜的折射率情况示意图由图2可以看出：1）　当三棱镜的棱镜角A大于角时，A、和角有如下关系：（3）由式（1）、式（2）和式（3）消去和后可得（4）1）当三棱镜的棱镜角A小于时，A、和角有如下关系（5）由式（1）、式（2）和式（5）消去和

5、后可得（6）如果棱镜角A=90°，则式（4）和式（6）可统一化简为：（7）暗明n1142AA＇BB＇CC＇甘油无水酒精纯净水空气φ因此，当三棱镜的折射率为已知时，测出角后即可计算出待测物质的折射率。上述测定折射率的方法称为掠入射法，也称为折射极限法，是基于全反射原理。3　51正三棱镜2辅助棱镜3钠灯4待测液体薄膜5望远镜观察到的半荫视场图3测不同物质的折射率示意图实验仪器：JJY型分光计三棱镜钠光灯平行平面反射镜实验过程与方法：1．应用自准直方法将望远镜对无穷远调焦，并使其轴垂直于仪器的转轴；调节棱镜的主截面也和仪器的转轴垂

6、直。2．按图3所示，将待测液滴一、二滴在正三棱镜的AB面上，用A作为棱镜的顶角，　并用另一辅助棱镜A`B`C`之一个表面A`B`与AB面相合，使液体在两棱镜接触面间形成一均匀液层，然后置于分光计棱镜台上。3．点亮钠灯，将它放在折射棱B的附近，先用眼睛在出射光的方向观察半荫视场。旋转棱镜台，改变光源和棱镜的相对方位，使半荫视场的分界线位于棱镜台近中心处，将棱镜台固定。转动望远镜，使望远镜叉丝对准分界线，记下两游标读数（、），重复测量五次，取平均值。4．再次转动望远镜，利用自准直的调节方法，测出AC面的法线方向，记下游标读数（`

7、、`），重复五次，取平均值。由此可得：5．求出的平均值。6．　将值代入式（4）式（6）可求得该液体的折射率。7．依同样方法，重复以上步骤，测定另一种液体的折射率。酒精测量次数一二三四五　Ⅰ205°28’205°24’205°25’205°26’205°27’205°26’明暗线Ⅱ25°28’25°26’25°26’25°29’25°27’25°27’Ⅰ198°23’198°21’198°22’198°24’198°25’198°24’“+”像Ⅱ18°25’18°23’18°22’18°26’18°1324’18°24’实验数

8、据的处理由=1.6481，=1.3614，，；则由表1数据可得　则将数据代入公式（4）得，，（）同步骤计算出水的折射率；小结我们用掠入射法对液体折射率进行了测量，并在拓展实验中应用该方法对三棱镜的折射率进行了积极探索，更进一步拓展和完善了测量各种物质折射率的实验原理。测量得到了酒精、纯水和