利用阿貝折射儀測液體的折射率_百度文庫

1、測量液體折射率的設(shè)計(jì)用顯微鏡測折射率的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)10物本（2）班 管布克實(shí)驗(yàn)任務(wù)精確測定液體折射率實(shí)驗(yàn)要求物理模型的建立及比較初步確定有以下幾種模型方案：方案一：掠入射法測液體折射率光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，當(dāng)入射擊角為某一極值（掠射）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一特殊的光學(xué)現(xiàn)象，能同時(shí)看到有折射光和無折射光的現(xiàn)象，就可以實(shí)現(xiàn)液體折射率的測量。實(shí)驗(yàn)儀器分光儀、鈉光燈、毛玻璃與待測液體實(shí)驗(yàn)提示掠入射法測介質(zhì)折射率的原理如圖示3-1所示。將待測介質(zhì)加工成三棱鏡，用擴(kuò)展光源（用鈉光燈照光的大毛玻璃）照明該棱鏡的折射面AB ，用望遠(yuǎn)鏡對棱鏡的另一個(gè)折射面AC 進(jìn)行觀測。在AB 界面上圖中光線a 、b 、

2、c 的入射角依次增大，而c 光線為掠入線（入射角為90），對應(yīng)的折射角為臨界角c i 。在棱鏡中再也不可能有折射角大于c i 的光線。在AC 界面上，出射光a 、b 、c 的出射角依次減小，以c 光線的出射角' i 為最小。因此，用望遠(yuǎn)鏡看到的視場是半明半暗的，中間有明顯的明暗分界線。證明：棱鏡的折射率1n 與棱鏡頂角A 、最小出射角' i 有如下關(guān)系：21sin cos ' sin 1 +=A A i n 若在AB 面加折射率為n 的待測液體，上述關(guān)系又如何方案二：薄膜干涉測液體折射率在薄膜干涉中，介質(zhì)的折射率通過影響光程差造成在相同的條件下，不同介質(zhì)處的干涉條紋不同

3、的結(jié)果，經(jīng)過分析比較，測量出液體的折射率。實(shí)驗(yàn)儀器讀數(shù)顯微鏡、鈉光燈、劈尖與待測液體，實(shí)驗(yàn)提示在薄膜干涉中，薄膜厚度相同處的上下表面的兩反射光的光程差相同，干涉情況相同。因此，形成的干涉條紋是膜厚相同點(diǎn)的軌跡，這種干涉稱為等厚干涉。劈尖的干涉現(xiàn)象屬于等厚干涉?？稍谂庵虚g某處滴一滴待測透明液體，(液體不要充滿劈尖 ，用顯微鏡分別測量有液滴處條紋和無液滴處條紋，求出液體折射率。方案三：用阿貝折射儀測量折射率實(shí)驗(yàn)提示液體的折射率可以采取多種方法測量，使用阿貝折射計(jì)是最常用、最方便的一種方法。本次實(shí)驗(yàn)要求掌握阿貝折射計(jì)測量液體折射率的原理和方法。阿貝折射計(jì)是根據(jù)全反射原理設(shè)計(jì)的，通過測量處于臨界角光

4、線的出射角，可以算出待測液體或固體樣品的折射率。測量方法分透射法和全反射法。透射法也稱掠射法，待測量液體（n x ）載于已知折射率n （n > n x ）的直角棱鏡的弦面AB 上，用散射光從掠射方向照亮待測介質(zhì)，折射光由AC 面出射。近似平行于分界面的掠射光線3必將以全反射的臨界角i c 進(jìn)入棱鏡，然后以出射角3從棱鏡另一側(cè)面AC 出射。在AC 面觀察時(shí)可以看到一個(gè)分界非常明顯的明區(qū)和暗區(qū)?？梢宰C明，待測介質(zhì)折射率n x 和棱鏡折射率n 、直角棱鏡的底角（A 棱棱角）、出射角3有如下關(guān)系221/233(sin sin cos sin x n n =- （1） 圖1 掠射法光路示意圖由（1

5、）式，只要測得出射角3，就可以算出待測介質(zhì)的折射率n x 。全反射法時(shí)，待測量液體（n x ）依然載于直角棱鏡的弦面AB 上，用散射光從做成磨砂面的直角邊BC 方向照亮棱鏡，漫射光在AC 面發(fā)生全反射或透射。以全反射的臨界角i c 入射于分界面的光線3以出射角3從棱鏡另一側(cè)面AC 出射，而入射角度小于臨界角i c 的光線在界面上發(fā)生折射，進(jìn)入液體，而不再能夠進(jìn)入棱邊AC 。入射角度大于臨界角的光線發(fā)生全反射，進(jìn)入AC 面。因此在AC 面觀察時(shí)仍然可以看到一個(gè)分界非常明顯的明區(qū)和暗區(qū)。測得出射角3，即可以判定待測折射率n x 。 圖2 全反射法光路示意圖二、阿貝折射計(jì)的結(jié)構(gòu) 圖3阿貝折射儀外形圖

6、1. 測量望遠(yuǎn)鏡；2、消散手柄；3、恒溫水入口；4、溫度計(jì)；5、測量棱鏡；6、鉸鏈；7、輔助棱鏡；8、加液槽；9、反射鏡；10、讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡；11、轉(zhuǎn)軸；12、刻度盤罩；13、閉合旋鈕；14、底座。貝折射計(jì)的使用方法1、儀器安裝：將阿貝折射儀安放在光亮處，但應(yīng)避免陽光的直接照射，以免液體試樣受熱迅速蒸發(fā)。用超級恒溫槽將恒溫水通入棱鏡夾套內(nèi)，檢查棱鏡上溫度計(jì)的讀數(shù)是否復(fù)合要求(一般選用(20.01. 0± 或(251. 0± 2、加樣：旋開測量棱鏡和輔助棱鏡的閉合旋鈕(十字形 ，使輔助棱鏡的磨砂斜面處于水平位置，若棱鏡表面不清潔，可滴加少量丙酮，用擦鏡紙順單一方向輕擦鏡面(不可

7、來回擦 。待鏡面洗凈干燥后，用滴管加數(shù)滴試樣于輔助棱鏡的毛鏡面上，迅速合上輔助棱鏡，旋緊閉合旋鈕。若液體易揮發(fā)，動(dòng)作要迅速，或先將兩棱鏡閉合，然后用滴管從加液空中注入試樣(注意切勿將滴管折斷在孔中 。3、調(diào)光：轉(zhuǎn)動(dòng)鏡筒使之垂直，調(diào)節(jié)反射鏡使入射光進(jìn)入棱鏡，同時(shí)調(diào)節(jié)目鏡的焦距，使目鏡中十字線清晰明亮。調(diào)節(jié)消色散補(bǔ)償器(右側(cè)旋鈕 使目鏡中彩色光帶消失。再調(diào)節(jié)讀數(shù)螺旋(左側(cè)旋鈕 ，使明暗的界面恰好同十字線交叉處重合。4、讀數(shù)：從讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡中讀出刻度盤上的折射率數(shù)值。常用的阿貝折射儀可讀至小數(shù)點(diǎn)后的第四位，為了使讀數(shù)準(zhǔn)確，一般應(yīng)將試樣重復(fù)測量三次，每次相差不能超過0.0002，然后取平均值。(左側(cè)讀數(shù)

8、是液體濃度，右側(cè)讀數(shù)是液體的折射率 。5、實(shí)驗(yàn)完畢后，要注意保養(yǎng)。三、阿貝折射計(jì)的使用注意事項(xiàng)1、使用時(shí)要注意保護(hù)棱鏡，清洗時(shí)只能用擦鏡紙而不能用濾紙等。加試樣時(shí)不能將滴管口觸及鏡面。對于酸堿等腐蝕性液體不能使用阿貝折射儀。2、每次測定時(shí)，試樣不可加得太多，一般只需要23滴即可。3、要注意保持儀器清潔，保護(hù)刻度盤。每次實(shí)驗(yàn)完畢，要在鏡面上加幾滴丙酮，并用擦鏡紙擦干。最后用兩層擦鏡紙夾在兩棱鏡面之間，以免鏡面損壞。4、讀數(shù)時(shí)，有時(shí)在目鏡中觀察不到清晰的明暗分界線，而是畸形的，這是由于棱鏡間未充滿液體；若出現(xiàn)弧形光環(huán)，則可能是由于光線未經(jīng)過棱鏡而直接照射到聚光透鏡上。5、若待測試樣折射率不在1.3

9、1.7范圍內(nèi)，則阿貝折射儀不能測定，也看不到明暗分界線。實(shí)驗(yàn)儀器阿貝折射儀一臺(tái)，照明臺(tái)燈一座，標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊一塊，折射率液（溴代萘）一瓶，待測液（自來水，酒精，糖溶液）、滴管 、脫脂棉及擦鏡紙實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1校準(zhǔn)阿貝折射儀讀數(shù)1）打開照明臺(tái)燈, 調(diào)節(jié)兩個(gè)反射鏡4、18的方位, 使兩鏡筒內(nèi)視場明亮。2）在標(biāo)準(zhǔn)玻璃塊的光學(xué)面上滴少許折射率液（溴代萘），把它貼在折射棱鏡的光學(xué)面上，標(biāo)準(zhǔn)塊側(cè)邊光學(xué)面的一端應(yīng)向上，以便于接受光線。3）旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)手輪2，使讀數(shù)鏡視場中的刻線對準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)塊上所標(biāo)刻的折射率值，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡視場中的明暗分界線應(yīng)正對十字叉絲的交點(diǎn)。若有偏差，則需調(diào)節(jié)刻度校準(zhǔn)螺釘9，使分界線對準(zhǔn)叉絲交點(diǎn)。以后不

10、可再調(diào)動(dòng)該螺釘。2測定液體的折射率1）用脫脂棉沾酒精或乙醚將進(jìn)光棱鏡和折射棱鏡擦試干凈，干燥后使用。避免因殘留有其他物質(zhì)，而影響測量結(jié)果。2）用滴管將少許待測液滴在進(jìn)光棱鏡的磨砂面上，旋緊棱鏡鎖緊板手12，使兩鏡面靠緊，待測液在中間形成一層均勻無氣泡的液膜。若待測液屬極易揮發(fā)物質(zhì)，則在測量中，需通過棱鏡組側(cè)邊的小孔予以補(bǔ)充。3）旋轉(zhuǎn)棱鏡轉(zhuǎn)動(dòng)手輪2，在望遠(yuǎn)鏡視場中觀察明暗分界線的移動(dòng)，使之大致對準(zhǔn)十字叉絲的交點(diǎn)。然后旋轉(zhuǎn)阿米西棱鏡手輪10，消除視場中出現(xiàn)的色彩，使視場中只有黑、白兩色。4）再次微調(diào)棱轉(zhuǎn)動(dòng)手輪2，使明暗分界線正對十字叉絲的交點(diǎn)。此時(shí)，讀數(shù)鏡視場中讀數(shù)刻線所對準(zhǔn)的右邊的刻度值，就是待

11、測液體的折射率n 。5）分別測定自來水、酒精和糖溶液的折射率各5次。6）求出自來水、酒精、糖溶液的折射率的最佳值和不確定度，寫出結(jié)果表達(dá)式。方案四 ： 用牛頓環(huán)產(chǎn)生的干涉條紋測量液體的折射率實(shí)驗(yàn)提示 方案五：分光計(jì)測量液體折射率實(shí)驗(yàn)提示由光的折射定律可知：光在兩種介質(zhì)界面發(fā)生折射時(shí)，入射角i 的正弦與折射角r 的正弦之比是一個(gè)常數(shù)。既 ri n s i n s i n 21=。21n 稱為第二種介質(zhì)對第一種介質(zhì)的折射率。任一種介質(zhì)相對于真空的折射率稱為該介質(zhì)的絕對折射率，簡稱折射率。在常溫（20°C ）和一個(gè)大氣壓條件下，空氣的折射率為1.0002926，通常介質(zhì)的折射率是相對于空氣

12、而言的。由于介質(zhì)的折射率隨入射光波長而變，故實(shí)驗(yàn)時(shí)必須用單色光，一般通用的折射率數(shù)據(jù)都是對鈉黃光的波長而言，用D n 表示。用掠入射法測定液體折射率原理如圖1所示。將折射率為n 的待測物質(zhì)放在已知折射率為1n 的直角棱鏡的折射面AB 上，且n 1n 。若以單色的擴(kuò)展光源照射分界面AB 時(shí)，則從圖1可以看出：入射角為2的光線將掠射到AB 界面而進(jìn)入三棱鏡內(nèi)。顯然，其折射角ci 應(yīng)為臨界角，因而滿足關(guān)系式： 1s i n n n i c = （1） 圖1 掠入射法測量液體的折射率示意圖當(dāng)光線射到AC 面，再經(jīng)折射而進(jìn)入空氣時(shí)，設(shè)在AC 面上的入射角為，折射角為，則有： s i ns i n 1n

13、= （2） 除掠入射光線外，其他光線例如光線在AB 面上的入射角均小于2，因此經(jīng)三棱鏡折射最后進(jìn)入空氣時(shí)，都在光線的左側(cè)。當(dāng)用望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)出射光的方向觀察時(shí)，在視場中將看到以光線為分界線的明暗半蔭視場，如圖1所示。 圖2 不同頂角棱鏡的折射率情況示意圖由圖2可以看出：1） 當(dāng)三棱鏡的棱鏡角A 大于角c i 時(shí)，A 、c i 和角有如下關(guān)系： +=c i A （3） 由式（1）、式（2）和式（3）消去c i 和后可得s i n c o s s i n s i n 221A n A n -= （4） 2） 當(dāng)三棱鏡的棱鏡角A 小于c i 時(shí)，A 、c i 和角有如下關(guān)系 c i A =+ （5） 由

14、式（1）、式（2）和式（5）消去c i 和后可得s i n c o s s i n s i n 221A n A n +-= （6） 如果棱鏡角A=90°，則式（4）和式（6）可統(tǒng)一化簡為： 221s i n -=n n （7）因此，當(dāng)三棱鏡的折射率1n 為已知時(shí)，測出角后即可計(jì)算出待測物質(zhì)的折射率n 。上述測定折射率的方法稱為掠入射法，也稱為折射極限法，是基于全反射原理。 1 正三棱鏡 2 輔助棱鏡 3 鈉燈 4 待測液體薄膜 5 望遠(yuǎn)鏡觀察到的半蔭視場圖3 測不同物質(zhì)的折射率示意圖實(shí)驗(yàn)儀器：JJY 型分光計(jì) 三棱鏡 鈉光燈 平行平面反射鏡方案六：用等厚干涉測量液體的折射率 實(shí)驗(yàn)提

15、示 方案七：顯微鏡測折射率所需器材：目鏡帶游標(biāo)卡尺的顯微鏡、一個(gè)干凈的玻璃燒杯，細(xì)沙（顆粒盡量?。?shí)驗(yàn)理論：用顯微鏡從觀察到杯底的少量沙子在顯微鏡中的像開始，依次分別觀察沙子實(shí)際位置1X ；倒入液體后，從液面上方看到沙子在液體中像的位置2X ；液面位置3X ；其中液面位置可采用少量痱子粉撒在液體表面上，以便定位液面的位置；如圖1所示，1X 、2X 、3X 為游標(biāo)卡尺上對應(yīng)上述三者的示意位置。 再如圖2所示，這樣就可以得到沙子的實(shí)際深度13X X H -=和沙子的像的視深度23X X h -=。推理如下： ri n sin sin =及h H Hh ri =11tan tan 又 是顯微鏡觀

16、察，角度i 和r 都很小 有i i tan sin 及r r tan sin 有hH ri ri n =tan tan sin sin又 13X X H -=和23X X h -= 折射率13X X n -= 實(shí)驗(yàn)設(shè)施方案如下：1、撒極少量細(xì)沙于燒杯底部，沙子不要壘起，將燒杯置于顯微鏡載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)目鏡，直到能清晰的觀察到沙子，在游標(biāo)卡尺上讀出此時(shí)的位置1X ，并記圖2圖1錄數(shù)據(jù)，這個(gè)位置即為燒杯底部（實(shí)際深度）的位置；2、調(diào)高顯微鏡目鏡，移出燒杯，緩緩向燒杯注入待測液體適量（一般25厘米，盡量不擾動(dòng)沙子的位置），再次調(diào)節(jié)目鏡，直到透過液體能清晰的觀察的沙子的像（物鏡不能浸入液體中），在游標(biāo)卡

17、尺上讀出此時(shí)的位置2X 的數(shù)據(jù)，這個(gè)位置即為沙子的視深度位置處；3、再次調(diào)高顯微鏡目鏡，移出燒杯，拿痱子粉包用手指彈少量痱子粉覆于液面上，再次調(diào)節(jié)目鏡，直到能清晰看到痱子粉為止，在游標(biāo)卡尺上讀出此時(shí)的位置3X ，這個(gè)位置即為液面的位置。采用方案七：用顯微鏡測折射率所需器材：目鏡帶游標(biāo)卡尺的顯微鏡、一個(gè)干凈的玻璃燒杯，細(xì)沙（顆粒盡量?。?，小實(shí)驗(yàn)理論：用顯微鏡從觀察到杯底的少量沙子在顯微鏡中的像開始，依次分別觀察沙子實(shí)際位置1X ；倒入液體后，從液面上方看到沙子在液體中像的位置2X ；液面位置3X ；其中液面位置可采用少量痱子粉撒在液體表面上，以便定位液面的位置；如圖1所示，1X 、2X 、3X

18、為游標(biāo)卡尺上對應(yīng)上述三者的示意位置。 再如圖2所示，這樣就可以得到沙子的實(shí)際深度13X X H -=和沙子的像的視深度23X X h -=。推理如下： ri n sin sin =及h H Hhri =11tan tan 又 是顯微鏡觀察，角度i 和r 都很小 有i i tan sin 及r r tan sin 有hH ri ri n =tan tan sin sin又 13X X H -=和23X X h -=圖1 折射率13X X n -= 實(shí)驗(yàn)設(shè)施方案如下：1、撒極少量細(xì)沙于燒杯底部，沙子不要壘起，將燒杯置于顯微鏡載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)目鏡，直到能清晰的觀察到沙子，在游標(biāo)卡尺上讀出此時(shí)的位置1X

19、 ，并記錄數(shù)據(jù)，這個(gè)位置即為燒杯底部（實(shí)際深度）的位置；2、調(diào)高顯微鏡目鏡，移出燒杯，緩緩向燒杯注入待測液體適量（一般25厘米，盡量不擾動(dòng)沙子的位置），再次調(diào)節(jié)目鏡，直到透過液體能清晰的觀察的沙子的像（物鏡不能浸入液體中），在游標(biāo)卡尺上讀出此時(shí)的位置2X 的數(shù)據(jù)，這個(gè)位置即為沙子的視深度位置處；3、再次調(diào)高顯微鏡目鏡，移出燒杯，拿痱子粉包用手指彈少量痱子粉覆于液面上，再次調(diào)節(jié)目鏡，直到能清晰看到痱子粉為止，在游標(biāo)卡尺上讀出此時(shí)的位置3X ，這個(gè)位置即為液面的位置。4、移去燒杯，清除液體、沙子，洗凈燒杯，烘干。重復(fù)上述步驟三次，記錄新數(shù)據(jù)。 注意：實(shí)驗(yàn)操作中，要避免顯微鏡的的物鏡浸入液體中，否則

20、，會(huì)造成沙子的實(shí)際深度和視深度的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，引起較大的偶然誤差，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)記錄及處理 誤差分析參考文獻(xiàn)：圖21 成正維 2 楊述武 3 徐建強(qiáng) 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M 普通物理實(shí)驗(yàn)M 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)M 第一版 北京：高等教育出版社 2002(12: 198-208 第三版 北京：高等教育出版社 2000(5: 64-67 第一版 北京：高等教育出版社 2006(8: 146148 現(xiàn)代物理知識 2002 年 05 期 汕頭大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版 2002 年 04 4.使用橢偏儀測量玻璃棱鏡折射率的方法 5.回歸反射玻璃微珠折射率的測量和分析 期 6 磁性液體在磁場中產(chǎn)生光的雙折射效應(yīng)機(jī)理 7

21、GRIN 球透鏡的光學(xué)軌跡 光學(xué)技術(shù) 2003 年 01 期 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版 2003 年 01 期 阜陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版 2002 年 01 8 三棱鏡棱角成像之剖析及其應(yīng)用 期 9 利用全反射原理測定水的折射率 10 物理實(shí)驗(yàn)中的半波損失 連云港師范高等專科學(xué)校學(xué)報(bào) 2003 年 02 期 2003 年 03 期 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 2003 年 03 期 高速攝影與光子學(xué) 2003 重慶教育學(xué)院學(xué)報(bào) 11 用邁克耳遜干涉儀測量氣體折射率的誤差的研究 12 熔鹽對 LiNa離子交換及折射率分布的影響 年 09 期 13 測定液體雙折射率實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì) 延邊大學(xué)理工學(xué)報(bào) 2003 年