分光计测液体折射率

液体折射率的测定的设计与实验

摘要：利用实验室给定的实验仪器，。测得相关数据，推导最终公式，并得出结论。

关键词：掠入射法、折射率、液体、极限角

一、引言：在分光计上已学会三棱镜折射率的测定。本实验的主要目的是通过已有的基础，根据实验室提供的光学仪器，自行设计方案测定液体的折射率。 一、 试验任务

1. 调节分光计满足测量条件；

2. 用掠入射法或最小偏向角法测量出透明液体的折射率。 三、实验仪器

JJY型分光计一台（本实验不提供平面镜），三棱镜一个，钠灯一个，黑玻璃一块，水槽一个，水 四、实验原理

1. .分光仪的调节

（1）目测粗调 目测调节望远镜光轴﹑平行光管光轴﹑载物台平面，三者大致垂直于分光中心旋转轴。目测是重要的一部，是进一步细调的基础，可以缩短调整时间。 （2）用自准法调节望远镜，使之能接受平行光，调节步骤如下： 1.目测调焦 2.物镜调焦

（3）调节望远镜光轴及载物台面垂直于仪器中心转轴。

1.用三棱镜代替平面镜；

2.调节载物台下G2或G3两螺钉之一，使此h缩短为h／2，在调节望远镜倾度调

节螺钉，使十字反射像与十字叉丝重合。

3.旋转载物台，用“各半”调节法使另一反射面的十字反射像与“上十字叉丝”重

合，这需要2，3两步反复调整数次，要细心，耐心。

4.将载物台转动90°后放在载物台，调节载物台下螺钉G1，使十字反射像与上十

字叉丝重合。

2.用掠入射法测定三棱镜的折射率 折射率是反映光在两种各向同性媒介质中光速比值的一个物理量。光从一种介质进入另一种介质时，其入射角i的正弦跟折射角r的正弦之比，被定义为光从介质1进入介质2时的相对折射率n12，即

n12=

sinisinr

（1）

介质相对于真空的折射率叫做介质的绝对折射率。若以n1、n2分别表示介质1和介质2绝对折射率，则介质2相对介质1的折射率n12=

。如果介质1是空气，由于空气nn（2）

2

1

的绝对折射率仅为1.00028（20℃时），所以，可以近似的将空气的相对折射率看为1。

为了测出待测液体的折射率，先测量三棱镜的折射率然后再间接测量待测液体的折射 率。

A

图－

1

由折射率的定义可以知道：

sini1=nsini2

nsini3=sini4

又由几何关系可以知道 n=

i2+i3=，从以上三式消去i2和i3得

2

1sinα

2

i1cosα+sini4) （3） sini1sinα+(sin

2

因此，只要测出入射角i1、出射角i4和三棱镜的顶角α即可计算出折射率n。在钠灯光源前加上一块毛玻璃，使光线向各个方向散射成为扩展光源，并且使它大致位于AB的延长线上，同时遮住射向BC面的光，那么总可以得到90°角的入射的光线。这光线的出射角i4最小，称折射极限角。从扩展光源射向AB面的光线，凡是入射角小于90°的，其出射角必大于

折射极限角。这样，当面对AC面看出射光时，就会发现在极限角方位有一明暗视场的分界，如图—1所示。把望远镜叉丝对准明暗视场分界，便可以测定出射角的极限方位，再利用自准法测出棱镜面的法线方向，就可以得到极限角i，这种方法称折射极限法。将i1=90°代

4

入式（3）折射率的计算简化为

n=

⎛cosα+sini4⎫+ ⎪

sinα⎝⎭

2

（4）

在实际测量中可以把棱镜做成正三棱镜，即其顶角为60°，所以折射率计算公式又可以进

一步简化为 n=

+

(1+2sin

3

i4)

2

3.测定液体折射率 （5）

在完成棱镜的折射率的测定后可以进一步对液体折射率的测定。液体折射率同样使用极

限法测量。在折射率和顶角都已知的棱镜面上，涂一层待测液体，再用另一个棱镜或毛玻璃片将液体夹住，从扩展光源射出来的光经过液层进入棱镜再折射其中一部分光线在通过液体时，传播方向平行于液体与棱镜的交界面（如图－2所示），即掠入射于设液体的折射率为

nx，三棱镜的折射率为n，若有nx

图—

2

' nxsin90 =nsini2

ϕ nsin90 =sin

'>'±ψ（根据几何关系α=i2“—”号对应α

'、α），从以上三式消去i2

ψ，可得

α nx=sin

n-sinϕ cosαsinϕ

2

2

'α的情况。因n和α为已知（其中棱镜的折其中“—”号用于i2“+”号用于i2射率已经测得，α的角度为60°），所以只要测出i4就可以算出nx。如果用直角棱镜公式就可以简化为

nx=sinα

nx=

n-sinϕ-cosαsinϕ（其中α角为60°）

32

2

22

n

-sinϕ-

2

sinϕ2

（6）

由于已经先测出棱镜的折射率，将式（5）代入式（6）得 nx=

32

1+

(1+

2sini4

3

)

2

-sinϕ-

2

sinϕ2

（7）

此式为用直角棱镜测出的液体的折射率。

五、实验内容

(1)按照分光计调节要求和方法,调节分光计。

（2)用掠入射法测量出i1，i2，i3，i4，利用公式求出极限角i，重复测量3次，求极限角平均值和不确定度并由此计算所给三棱镜的折射率n、不确定度U(n)。

(3)如图2摆好实验仪器,将待测液体滴在三棱镜的光面上,并用一块黑玻璃加水以后与AB面相结合,使液体在两棱镜接触面间形成一均匀液膜,然后置于分光计载物平台上。

(4)点亮钠光灯,旋转载物平台或望远镜,在出射光方向AC面找到半荫视场分界线，再利用自准直的调节方法, 使“+”字像与上叉丝中心重合，将刻度盘固定，记下左右游标读数，测出AC面的法线方向(即使望远镜的光轴垂直于AC面)，使望远镜叉丝对准分界线,记下两窗口（即两游标）的读数。

六、数据处理和分析 原始数据记录表格设计

1、三棱镜的折射率：

3.

七、试验误差分析 1.、系统误差

仪器本身存在的误差。 2、偶然误差

1．分光计没有调节好； 2. 读数的误差。

八、结束语

总的来说这次实验并不简单，需要细心、耐心。在实验中遇到困难是在所难免的，遇到困难然后解决困难这也是实验的目的。像找不到法线位置、明暗视场分界线等等，这些都需要细心找，要一定的耐心，不能急躁。