玻璃折射率的測定-物理實驗報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上此實驗報告共六個方案，其中前三個為實驗室可做并已測量數(shù)據(jù)的方案，第一個方案（最小偏向角法）已測量數(shù)據(jù)并進行了數(shù)據(jù)處理。實驗?zāi)康模簻y定玻璃折射率，掌握用最小偏向角法測定玻璃折射率的方法，掌握用讀數(shù)顯微鏡法測定玻璃折射率的方法，復(fù)習(xí)分光計的調(diào)整等，掌握實驗方案的比較，誤差分析，物理模型的選擇。要求測量精度E1%。方案一，最小偏向角法測定玻璃折射率實驗原理：最小偏向角的測定，假設(shè)有一束單色平行光LD入射到棱鏡上，經(jīng)過兩次折射后沿ER方向射出，則入射光線LD與出射光線ER間的夾角稱為偏向角，如圖1所示。      &

2、#160; 圖1最小偏向角的測定轉(zhuǎn)動三棱鏡，改變?nèi)肷涔鈱鈱W(xué)面AC的入射角，出射光線的方向ER也隨之改變，即偏向角發(fā)生變化。沿偏向角減小的方向繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動三棱鏡，使偏向角逐漸減小；當轉(zhuǎn)到某個位置時，若再繼續(xù)沿此方向轉(zhuǎn)動，偏向角又將逐漸增大，此位置時偏向角達到最小值，測出最小偏向角?？梢宰C明棱鏡材料的折射率與頂角及最小偏向角的關(guān)系式為實驗儀器：分光計，三棱鏡。實驗步驟：1， 對分光計進行調(diào)節(jié)2， 頂角的測量利用自準直法測頂角，如下圖所示，用兩游標來計量位置，分別稱為游標1和游標2，旋緊刻度盤下螺釘是望遠鏡和刻度盤固定不動轉(zhuǎn)動游標盤，是棱鏡AC面對望遠鏡，記下游標1的讀數(shù)和游標2的讀數(shù)。轉(zhuǎn)動游標盤

3、，再試AB面對望遠鏡，記下游標1的讀數(shù)和游標2的讀數(shù)。游標兩次讀數(shù)之差或者，就是載物臺轉(zhuǎn)過的角度，而且是角的補角3，最小偏向角法測定玻璃折射率如下圖，當光線以入射角入射到三棱鏡的面上后相繼經(jīng)過棱鏡兩個光學(xué)面 折射后,以 角從 出射。出射光線和入射光線的夾角稱為偏向角。 對于給定三棱鏡， 偏向角的數(shù)值隨入射角的變化而改變。當入射角 為某值時(或者 與相等時)，偏向角將達到最小值，稱為最小偏向角，由幾何關(guān)系和折射定，可得它與棱鏡的頂角和折射率之間有如下關(guān)系：A. 將待測三棱鏡放在載物平臺，調(diào)節(jié)平臺到適當?shù)母叨龋沟脧钠叫泄夤馨l(fā)出的平行光只有少部分能從三棱鏡的上方射入望遠鏡；B. 調(diào)節(jié)三棱鏡的位置使

4、得平行光管的平行光以一定的角度入射到棱鏡的面；C. 在面上調(diào)節(jié)望遠鏡使得可以接收并觀察出射光線；D. 緩慢雙向調(diào)節(jié)三棱鏡的位置以改變?nèi)肷浣堑拇笮。斵D(zhuǎn)到某一位置時，如果再往任意方向的微小轉(zhuǎn)動都使得偏向角變大，那么這個位置的極限位置就是可以得到最小偏向角的三棱鏡的位置，讀出出射光線的方向角度；E. 轉(zhuǎn)動三棱鏡，讓入射平行光從另一面入射，在面接受出射光，重復(fù)上述步驟，讀出入射光線的方向角度。（注意：在實際操作中，由于是實驗者動手實施的，最小偏向角法的的極限位置即拐點的定位比較難把握，只要有稍微的不慎或者移動就會造成測出的最小偏向角偏大。）實驗數(shù)據(jù)記錄及處理：頂角的測量：次數(shù)12345614

5、6;1214°037°1121°626°5022°432184°12194°0217°11201°6206°50202°431124°12134°0157°11141°6146°50142°432304°12314°0337°11321°8326°50322°43頂角60°60°60°60°60°60°平均值

6、60°最小偏向角：次數(shù)12345639°2338°0329°5321°18301°6288°220219°2158°0149°5141°18121°6108°221°8300°0291°5283°0262°53250°160181°8120°0111°5103°082°5370°16最小偏向角37°5438°038°0

7、38°1838°1338°6平均值38°5測定玻璃折射率為:n=1.5測量最小偏向角的不確定度為：A=3.7方案二，讀數(shù)顯微鏡法測定玻璃折射率測量原理： 測量原理如圖2所示：當從觀察點觀察透明玻璃下面的物P時，實際觀察到的是物P的像P1 ， 設(shè)t。為物P經(jīng)玻璃折射出射線與玻璃法線的夾角，t1為物P光在玻璃中到達觀察點與玻璃法線的夾角，D為玻璃的厚度，a為垂直于玻璃且通過物P的直線到觀察點的距離，n為玻璃的折射率，n。為空氣折時率，根據(jù)折射律關(guān)系有: (1)由圖2關(guān)系得: 將sinto和sintl的表達式代入式(1)得： 當a趨于零時，也就是觀察者從玻璃上

8、方垂直觀察物P時，則有關(guān)系式: (2)用讀數(shù)顯微鏡測透明物質(zhì)折射率時，調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)到物屏的距離，使從目鏡中清晰觀察到物屏的圖像時，記錄光學(xué)系統(tǒng)所在的位置X。；把待測一定厚度D的透明玻璃放在物屏與物鏡之間，再次調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的位置，使得物屏的物光通過待測透明玻璃以及物鏡，從目鏡中再次清晰觀察到物屏的圖像，記錄此時光學(xué)系統(tǒng)所在的位置X1。被測物質(zhì)的厚度D可以通過游標卡尺測量出來。在正常溫度和氣壓下，空氣折射率為1，根據(jù)式(2)被測物質(zhì)的折射率n為： 實驗儀器選擇： KFJCD3讀數(shù)顯微鏡、長物距物鏡，長方形平板玻璃樣品等。實驗步驟： 1 測玻璃厚度用游標卡尺測量玻璃厚度，重復(fù)測量6次，記入表格。2

9、測有待測樣品和沒有待測樣品時的物鏡位置差在載物臺上放置一個物屏，用鈉光燈照亮物屏，轉(zhuǎn)動讀數(shù)顯微鏡的瀾焦輪、螺旋測微調(diào)節(jié)輪以及平面反射鏡，使得在轉(zhuǎn)動螺旋測微調(diào)節(jié)輪時，所觀察到物屏的像不會移動位置；把待測透明玻璃堅放在載物臺上，且處于平面反射鏡與物屏之間，轉(zhuǎn)動螺旋測微調(diào)節(jié)輪，水平移動光學(xué)系統(tǒng)，記錄從目鏡中清晰觀察到物屏像時，記錄螺旋測微系統(tǒng)上的主尺和副尺指示，以表示光學(xué)系統(tǒng)物鏡所在的位置X0，填入表格，把待測透明玻璃從載物臺上取下。接著轉(zhuǎn)動螺旋測微調(diào)節(jié)輪，水平移動光學(xué)系統(tǒng)，從目鏡中清晰觀察到物屏像時，記錄螺旋測微系統(tǒng)上的主尺和副尺指示，以表示光學(xué)系統(tǒng)物鏡所在的位置X0，將其記入表格重復(fù)步驟(1)、

10、(2)6次。 將實驗數(shù)據(jù)代入公式(3)汁算待測材料的折射率。 數(shù)據(jù)處理與分析 測平板玻璃厚度D 次數(shù)123厚度D（mm）14.1414.1214.14讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)次數(shù)123X081.61880.57490.837X186.43185.80794.910參考文獻 1楊宏汝.測量玻璃折射率的簡單方法.物理實驗,1993.方案三，插針法測定玻璃折射率【目的和要求】應(yīng)用折射定律測定玻璃的折射率，加深對折射定律的理解。【儀器和器材】玻璃磚（J2506型），鋼直尺，大頭針，量角器或圓規(guī)，圖板，圖釘或透明膠帶，白紙或坐標紙?！緦嶒灧椒ā?1插針將一張八開的白紙或坐標統(tǒng)，平鋪在繪圖板上，用圖釘或透明膠帶固定

11、，玻璃磚平放在紙中央。取一枚大頭針，緊貼玻璃磚上底面AE的中點附近，垂直插牢在圖板上。插針點為O點，取第二枚大頭針，垂直插在O點左上方的O1點。實驗者的眼睛在玻璃磚下底面CD的下方，沿水平方向透過玻璃磚觀察插在O、O1點處的大頭針，移動觀察位置，使兩枚大頭針位于一直線上。然后在玻璃磚下底面CD的下方，沿著O1O的方向再在點O2、O3處插兩枚大頭針，觀察者應(yīng)看到插在O1、O、O2、O3的四枚大頭針在一直線上。拔下大頭針，標好插針點O1、O、O2、O3。2作圖取走玻璃磚，連直線O1O、O2O3，延長O3O2交DC邊干O，連OO。過點O作AE的垂線NN，則O1O為入射光線，OO為折射光線，ON為法線

12、，O1ON為入射角i，OON為折射角i，如圖512所示。3測量計算。用量角器在圖512上量出入射角i及折射角i，代入折射定律公式nsinisini計算出折射率n。入射角50°45°60°折射角30°28°35°方案四，掠入射法測定玻璃折射率實驗原理：采用掠入射法測量棱鏡折射率，如下圖所示，用單色面擴展光源（鈉光燈前加一塊毛玻璃）照射到棱鏡AB面上。當擴展光源出射的光線從各個方向射向AB面時，以90°入射的光線1的內(nèi)折射角最大為，其出射角最小為；入射角小于90°的，折射角必小于，出射角必大于；大于90°的入

13、射光線不能進入棱鏡。這樣，在AC面用望遠鏡觀察時，將出現(xiàn)半明半暗的視場（如下圖所示）。明暗視場的交線就是入射角為=90°的光線的出射方向。由折射定律可知折射率，即，由幾何知識可以得到：，即。而=【3】從此可以看出，只要測得和頂角A就可求得該三棱鏡的折射率，而就是入射角i=90°時明暗視場分界線方位與法線方位的夾角。原來的掠入射法實驗中明暗視場的分界線就是90°入射光線的出射線，但由于擴展光源輻射進棱鏡的入射角度具有一定的范圍，因此在AC出射面觀察出射光時，可看到入射角滿足°的入射光線產(chǎn)生的各種方向的出射光形成一個亮區(qū)；>90°的入射光線被

14、毛面BC面擋住不能進入棱鏡而在出射面形成暗區(qū)；在<的區(qū)域由于沒有光線進入棱鏡，在出射面相應(yīng)的區(qū)域形成暗區(qū)。結(jié)果望遠鏡中出現(xiàn)的視場如圖（a）所示，為一亮柱，存在著兩條明暗分界線。如果我們順時針緩慢旋轉(zhuǎn)載物臺，隨著入射光線角度的不斷增大，如圖（b）所示，能夠進入到棱鏡的光線不斷減少；2線的入射角增大到約90°，一線的入射角大于90°；入射角大于2線的其他光線，由于角度不斷增大且大于90°，因此被BC面擋住不能進入棱鏡；角度小于2線的光線，其入射角的不斷增大，出射光線的出射角不斷減小。隨著出射光線的減少和出射角的減小，導(dǎo)致出射角最大的光線與最小的光線之間的夾角不斷

15、減小，從AC面射出光線的角度范圍不斷地收窄，因此望遠鏡中觀察到的亮柱不斷地收窄，如圖（b）所示。若進一步旋轉(zhuǎn)載物臺，使光源只有入射角約90°的入射角射入棱鏡，其他入射光線的角度增大到大于90°，被BC面擋住不能進入棱鏡，這時棱鏡的出射面只剩下90°掠入射的出射線，觀察到的視場將由亮柱進一步收窄成為一條清晰的細亮線，如圖（c）所示，此亮線即為原來明暗場的分界線。以這條細亮線作為分界線測量最小出射角，可以大大減小誤差，提高測量精度，從而提高測量棱鏡折射率的準確度?！?】【5】 （a） （b） （c）數(shù)據(jù)記錄：掠入射法測折射率 游 標 數(shù) 據(jù) 項 目 數(shù) 據(jù) 項 目棱鏡

16、面正對的刻度明暗分界線對應(yīng)的刻度掠入射角掠入射角 游標1游標2由掠入射角測折射率法得：折射率方案五，任意偏向角法測定玻璃折射率實驗原理：如下圖1為入射光線，2為棱鏡內(nèi)光線，3為出射光線，為任意偏向角。由幾何關(guān)系和折射關(guān)系得： （1） （2） （3） （4）由（3）式得:代入（1）式得:再代入（4）式得：再代入（2）式得：移項并在兩邊取，整理后得：【6】這就是用任意偏向角，入射角和頂角表示的三棱鏡折射率公式。實驗步驟：實驗時先調(diào)節(jié)平行光管并固定不動，轉(zhuǎn)動望遠鏡使平行光管與望遠鏡在同一直線上，讀出望遠鏡的方向角度即平行光管的方向角度；將待測三棱鏡放在載物平臺，調(diào)節(jié)平臺到適當?shù)母叨?，使得從平行光管發(fā)

17、出的平行光只有少部分能從三棱鏡的上方射入望遠鏡；調(diào)節(jié)三棱鏡的位置使得平行光管的平行光以任意的角度入射到棱鏡的面；在面上調(diào)節(jié)望遠鏡使得可以接收并觀察出射光線；讀出望遠鏡的方向角度，即出射光線的方向角度，再次轉(zhuǎn)動望遠鏡運用自準直法測出入射面的法線的方向角度，并進行讀數(shù)；轉(zhuǎn)動三棱鏡，重復(fù)上述步驟。用任意偏向角測量三棱鏡折射率 游 標 數(shù) 據(jù) 項 目 數(shù) 據(jù) 項 目入射光線對應(yīng)的刻度出射光線對應(yīng)的刻度入射棱面正對的刻度入射角 偏 向 角游標1游標2由任意偏向角測折射率公式：=參考文獻【1】用最小偏向角法測三棱鏡折射率的誤差計算.孫甫照.天中學(xué)刊，2000（4）【2】談利用分光計測三棱鏡的折射率.任勝蘭

18、.教學(xué)與管理，1991（6），50【3】用掠入射法測量透明介質(zhì)折射率的討論，徐崇，大學(xué)物理實驗，第1期第22卷，2009.3【4】對于用掠入射法測定玻璃三棱鏡折射率實驗中一種假象的分析，沈金洲，朱世坤，物理實驗，第19卷，第四期【5】掠入射法測量棱鏡折射率的改進方案，譚穗研，勞媚媚，楊小紅，楊意，中山大學(xué)學(xué)報論叢，第5期第26卷，2006【6】用任意偏向角測量三棱鏡折射率.韓勝陽.大學(xué)物理實驗.1995（12），46方案六 ，用折射極限法測量玻璃的折射率實驗原理:設(shè)單色平行光源照在三棱鏡的AB面上，經(jīng)過兩次折射，如圖5.11.3所示，由折射定律及幾何關(guān)系得 (5.11.4) 由以上三式消去和，得 (5.11.5)只要測出、即可算出。如果入射光以900角掠入射，有 此時出射角,則上式變?yōu)槠渲?，是三棱鏡的頂角，為光線掠入射時的出射極限角，要使光線準確地以900角掠入射棱鏡，需選用擴展光源，一般是在光源前加一塊毛玻璃，光向各方向漫反射成為擴展光源，把擴展光源的位置大致在棱鏡面、的延長線上，如圖5.11.4所示，當擴展光源的光線從各個方向射向面時，凡入射角小于的光線，其出射角必大于，大于的光線不能進入棱鏡，在側(cè)面觀察時，可看到由的光產(chǎn)生和各種方向的出射光，其出射角,形成亮視場