實(shí)驗(yàn)二 透明介質(zhì)折射率的測(cè)定

1、實(shí)驗(yàn)二 透明介質(zhì)折射率的測(cè)定折射率是光學(xué)材料的重要參數(shù)之一，它與材料的溫度、濕度、濃度等基本物理量有一定的關(guān)系，在科研和生產(chǎn)實(shí)際中，常通過(guò)測(cè)量折射率來(lái)獲得材料的相關(guān)信息本實(shí)驗(yàn)用掠入射法測(cè)定液體折射率，用光的折射法測(cè)固體折射率·實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解阿貝折射儀的工作原理，熟悉其使用方法；2用掠入射法測(cè)定液體的折射率； 3用像的視高法測(cè)固體的折射率18151反光鏡；6阿米西棱鏡手輪（色散調(diào)節(jié)手輪）；7色散值刻度圈； 8目鏡；10棱鏡鎖緊手柄；11棱鏡組；13溫度計(jì)座；14底座；15折射率刻度調(diào)節(jié)手輪（轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡）；16校正螺釘；18圓盤(pán)組；19小反光鏡；20讀數(shù)鏡筒；21望遠(yuǎn)鏡筒14671819

2、20211011圖2-1（a）WZS-1型阿貝折射儀結(jié)構(gòu)圖1613·實(shí)驗(yàn)儀器 阿貝折射儀，移測(cè)顯微鏡，鈉燈，玻璃磚，水、酒精等待測(cè)液體阿貝折射儀是測(cè)量固體和液體折射率的常用儀器，測(cè)量范圍為1.31.7，可以直接讀出折射率的值，操作簡(jiǎn)便，測(cè)量比較準(zhǔn)確，精度為0.0003測(cè)量液體時(shí)所需樣品很少，測(cè)量固體時(shí)對(duì)樣品的加工要求不高 1.阿貝折射儀的外部結(jié)構(gòu) 實(shí)驗(yàn)用阿貝折射儀的型號(hào)有兩種：WZS-1型阿貝折射儀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-1（a）、2WAJ型阿貝折射儀結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-1（b）1011812951133圖2-1（b）2WAJ型阿貝折射儀結(jié)構(gòu)圖167217156144 1反光鏡；2棱鏡座連接轉(zhuǎn)軸；3遮光

3、板；4恒溫器接頭；5進(jìn)光棱鏡座；6色散調(diào)節(jié)手輪；7色散值刻度圈；8目鏡；9蓋板； 10棱鏡鎖緊手輪； 11折射標(biāo)棱鏡座； 12照明刻度盤(pán)聚光鏡； 13溫度計(jì)座； 14底座； 15折射率刻度調(diào)節(jié)手輪；16校正螺釘； 17殼體； 圖2-2 阿貝折射儀光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖 2.阿貝折射儀的光學(xué)系統(tǒng) WZS-1型阿貝折射儀的光學(xué)系統(tǒng)由兩部分組成：望遠(yuǎn)系統(tǒng)與讀數(shù)系統(tǒng)如圖2-2所示望遠(yuǎn)系統(tǒng)：光線經(jīng)反射鏡1反射進(jìn)入照明棱鏡2及折射棱鏡3，待測(cè)液體放置在棱鏡2與3之間，經(jīng)阿米西消色差棱鏡組4抵消由于折射棱鏡待測(cè)物質(zhì)所產(chǎn)生的色散，通過(guò)物鏡5將明暗分界線成像于分劃板6上，再經(jīng)目鏡7和8放大成像后為觀察者所觀察 圖2-3

4、 阿米西消色差棱鏡 阿米西消色差棱鏡組由兩個(gè)完全相同的直視棱鏡組成，每一個(gè)直視棱鏡又由三個(gè)分光棱鏡復(fù)合而成，如圖2-3所示棱鏡1和3的介質(zhì)相同，與棱鏡2互為倒置，并使鈉黃光（D線）能無(wú)偏向地通過(guò)，但對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光（C線）、波長(zhǎng)較短的紫光（F線），因復(fù)合棱鏡的色散，將產(chǎn)生相應(yīng)的偏折，其主截面如圖2-3所示消色差棱鏡組通過(guò)一個(gè)公用的旋鈕調(diào)節(jié)，使之繞望遠(yuǎn)鏡的光軸沿相反方向同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可從讀數(shù)盤(pán)上讀出在平行于阿貝折射棱鏡的主截面內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)隨轉(zhuǎn)動(dòng)角度改變的色散，色散的方向和數(shù)值的大小均可變化，以抵消由于折射棱鏡和待測(cè)樣品產(chǎn)生的色散，使半蔭視場(chǎng)清晰、界線分明從消色差棱鏡組轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，對(duì)照儀器的

5、附表，便可查得樣品的平均色散nFnC讀數(shù)系統(tǒng)：光線由小反光鏡經(jīng)毛玻璃照亮刻度盤(pán)，經(jīng)轉(zhuǎn)向棱鏡11及物鏡10將刻度成像于分劃板9上，再經(jīng)目鏡7、8放大成像后為觀察者所觀察 2WAJ型阿貝折射儀的光學(xué)系統(tǒng)由由望遠(yuǎn)系統(tǒng)和讀數(shù)系統(tǒng)兩部分組成，如圖2-4所示。望遠(yuǎn)系統(tǒng)：光線進(jìn)入進(jìn)光棱鏡1與折射棱鏡2之間有一微小均勻的間隙，被測(cè)液體就放在此空隙內(nèi)。當(dāng)光線射入進(jìn)光棱鏡1時(shí)便在磨砂面上產(chǎn)生漫反射，使被測(cè)液層內(nèi)有各種不同角度的入射光，經(jīng)折射棱鏡2產(chǎn)生一束折射角均大于出射角度i的光線。由擺動(dòng)反射鏡3將此束光線射入消色散棱鏡組4，此消色散棱鏡組是由一對(duì)等色散阿米西棱鏡組成，其作用是可獲得一可變色散來(lái)抵消由于折射棱鏡對(duì)

6、不同被測(cè)物體所產(chǎn)生的色散。再由望遠(yuǎn)鏡5將此明暗分界線成像于分劃板 7上，分劃板上有十字分劃線，通過(guò)目鏡8能看到如圖2-5上部分所示的像。讀數(shù)系統(tǒng)：光線經(jīng)聚光鏡12照明刻度板11（刻度板與擺動(dòng)反射鏡3連成一體同時(shí)繞刻度中心作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。通過(guò)反射鏡10，讀數(shù)物鏡9，平行棱鏡6將刻度板上不同部位折射率示值成象于分劃板7上，如圖2-5下部分的像。圖2-5 阿貝折射儀目鏡視場(chǎng)圖2-4 阿貝折射儀光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖101112936214578·實(shí)驗(yàn)原理 一、用掠入射法測(cè)定液體折射率圖2-6 折射光路圖將折射率為n的待測(cè)物質(zhì)，放在已知折射率為n1（nn1）的直角棱鏡的折射面AB上，若以單色的擴(kuò)展光源

7、照射分界面AB，則入射角為/2的光線1將掠射到AB界面而折射進(jìn)入三棱鏡內(nèi)，其折射角ic應(yīng)為臨界角從圖2-6可以看出應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系：當(dāng)光線1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： （2-1）除入射光線1外，其他光線如光線2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1的左側(cè)當(dāng)用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)出射光方向觀察時(shí)，在視場(chǎng)中將看到以光線1為分界線的明暗半蔭視場(chǎng)，如圖2-6所示 當(dāng)三棱鏡的棱鏡角A大于角ic時(shí)，由圖2-4可以看出，A、ic和角有如下關(guān)系： （2-2）將（2-1）和（2-2）式消去ic和若棱鏡角A等于90度，可得 （2-3）若棱鏡角A不

8、等于90度，可得： （2-4）因此，當(dāng)直角棱鏡的折射率n1為已知時(shí)，測(cè)出角后便可計(jì)算出待物質(zhì)的折射率n上述測(cè)定折射率的方法稱(chēng)為掠入射法，是應(yīng)用全反射原理 二、用阿貝折射儀測(cè)定透明介質(zhì)的折射率 阿貝折射儀也是根據(jù)全反射原理設(shè)計(jì)的它有兩種工作方式，即透射式和反射式阿貝折射儀中的折射棱鏡ABC和照明棱鏡ABC都是直角棱鏡，由重火石玻璃制成照明棱鏡的AB面經(jīng)過(guò)磨砂，使透射式測(cè)量作漫射光源用折射棱鏡的BC面也經(jīng)過(guò)磨砂，供反射式測(cè)量作漫反射光源用透射式測(cè)量光路如圖2-7（）所示將折射率為的待測(cè)物質(zhì)放在折射率為n1的直角棱鏡的斜面上，其棱角為A，并用光源S照明如果介質(zhì)的折射率nn1，這時(shí)與圖2-6相同，經(jīng)棱

9、鏡ABC兩次折射后，由AC面射出的光束，在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中將觀察到半蔭視場(chǎng)，明暗分界線就對(duì)應(yīng)于掠面入射光束，測(cè)出AC面上相應(yīng)的臨界出射角，即可應(yīng)用（2-4）式計(jì)算出n 圖2-7 固體折射率測(cè)定光路圖 應(yīng)用阿貝折射儀測(cè)定固體折射率時(shí)不用照明棱鏡對(duì)于加工有兩個(gè)拋光面的固體樣品，則光路可采用圖2-7（）所示的透射式測(cè)量，對(duì)于加工只有一個(gè)拋光面的固體樣品則可采用圖2-7（）所示的反射式測(cè)量用光源S（一般為自然光）照亮折射棱鏡上的磨砂面BC，使之成為一個(gè)擴(kuò)展的平面光源，從面上各點(diǎn)發(fā)出的光線1、2射抵AB面上的E點(diǎn)時(shí)，入射角均不相同其中入射角大于臨界角iC的，都發(fā)生在全反射后再由AC面射出，同樣，在望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)

10、1觀察時(shí)，亦可看到半蔭視場(chǎng)，只是明暗分布恰與透射光的視場(chǎng)分布相反，其臨界出射角為最大，而且視場(chǎng)中明暗的對(duì)比也不如透射光明顯，這是由于照射在AB面上那些小于臨界角的光線，也會(huì)在AB面上產(chǎn)生部分的反射測(cè)出AC面上的臨界出射角，仍（2-4）式，計(jì)算待測(cè)固體的折射率測(cè)定時(shí)，將待測(cè)樣品的拋光面與折射棱鏡AB面緊密的疊合在一起，中間添加一層接觸液，形成均勻的液膜，其折射率應(yīng)大于樣品的折射率（例如溴代萘，nD=1.66），當(dāng)折射率大于1.66時(shí)可用二碘甲烷（nD=1.74）進(jìn)行測(cè)量，可以證明接觸液的加入，并不影響計(jì)算公式的適用性 三、像的視高法測(cè)固體折射率若透過(guò)玻璃板垂直觀察玻璃板下面的物體，所看到的并不是

11、該物體的實(shí)際位置，而是物體折射光線在反向延長(zhǎng)線上所成的虛象的位置，該虛像的位置總比物的位置高，這就是像的視高A'n2n1 PP'i QATN圖2-8 像的視高法原理圖如圖2-8所示，AA'為兩種介質(zhì)的分界面，上下兩種介質(zhì)的折射率分別為n1和n2，且 設(shè)有一物點(diǎn)P，以入射角i入射于界面上的Q點(diǎn)，經(jīng)折射后沿QT方向進(jìn)入上方介質(zhì)，折射角為沿折射光線 QT反方向延長(zhǎng)，則和法線PN相較于P'點(diǎn)，P'即為P的像在PNQ和P'NQ中，有： （2-5） （2-6）近軸情況下，即入射角i很小時(shí)，有： （2-7）聯(lián)立(2-5)-(2-7)式可得： （2-8）根據(jù)折射

12、定律有： （2-9）因此，有： （2-10）透過(guò)玻璃板垂直觀察物點(diǎn)P，此時(shí)入射角i很小，甚至為零，若上方介質(zhì)為空氣（折射率），則（2-10）式可寫(xiě)為： （2-11）若待測(cè)透明介質(zhì)為平行平面玻璃板，則由（2-11）式可知，只要測(cè)出平行玻璃板的厚度NP，及像到界面的距離NP,即可求出玻璃板的折射率·實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 一、用阿貝折射儀測(cè)定液體的折射率 1校準(zhǔn)：用阿貝折射儀測(cè)定液體折射率時(shí)，應(yīng)用蒸餾水對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)方法是在棱鏡的磨砂面上滴上蒸餾水，旋緊棱鏡鎖緊手柄，測(cè)出液體的溫度，根據(jù)溫度查表，看此溫度下蒸餾水的折射率的值n0調(diào)節(jié)反光鏡1和12（WZS-1型為1和19），使目鏡視場(chǎng)明亮，如圖2

13、-9（a）；調(diào)節(jié)色散調(diào)節(jié)手輪6，直到出現(xiàn)明顯的分界線為止，如圖2-9（b）（亮暗分界線也可能位于叉絲中點(diǎn)的下方）；轉(zhuǎn)動(dòng)折射率刻度調(diào)節(jié)手輪15，使讀數(shù)鏡筒的刻度值為n0，然后觀察視場(chǎng)中叉絲的交點(diǎn)是否在明暗分界線上，若沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)，則調(diào)節(jié)儀器上的校正螺釘16，使視場(chǎng)中叉絲中心對(duì)準(zhǔn)明暗分界線即完成校準(zhǔn)2轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡鎖緊手柄12，打開(kāi)棱鏡，用脫脂棉沾一些無(wú)水酒精將棱鏡面輕輕擦干凈在照明棱鏡的磨砂面上滴上一二滴待測(cè)液體，旋緊棱鏡鎖緊手柄，使液膜均勻，無(wú)氣泡，并充滿(mǎn)視場(chǎng)a圖2-9 目鏡視場(chǎng)未調(diào)節(jié)手輪6前，目鏡中看到的圖像亮暗分界不明顯，有彩色條紋調(diào)節(jié)手輪6，直到出現(xiàn)明顯的分界線為止調(diào)節(jié)手輪2，至明暗分界線經(jīng)過(guò)叉絲

14、中心點(diǎn)bc 3調(diào)節(jié)兩反光鏡1和12（WZS-1型為1和19），使目鏡視場(chǎng)明亮4旋轉(zhuǎn)手輪2使棱鏡組13轉(zhuǎn)動(dòng)，在望遠(yuǎn)鏡中觀察明暗分界線上下移動(dòng)，同時(shí)調(diào)節(jié)色散調(diào)節(jié)手輪6，直到視場(chǎng)中除黑白二色外無(wú)其它顏色，且亮暗分界線在十字叉絲中心時(shí)，如圖2-9(c)所示視場(chǎng)中所指示的刻度值，即為待測(cè)液體的折射率n的數(shù)值如圖2-10所示，圖a為WZS-1型阿貝折射儀目鏡視場(chǎng)，讀數(shù)為n=1.3301；圖b為2WAJ型阿貝折射儀目鏡視場(chǎng)，讀數(shù)為1.4049. 圖b圖a 圖2-10 阿貝折射儀讀數(shù)系統(tǒng)示意圖 5依同樣的方法，重復(fù)上述步驟35次，算出折射率的平均值并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，并分析產(chǎn)生誤差的原因 二、用視高法測(cè)定固體折射率

15、1 打開(kāi)照明燈，調(diào)節(jié)反光鏡，使目鏡中獲得較明亮的視野，并對(duì)目鏡進(jìn)行調(diào)焦 2在移測(cè)顯微鏡的載物臺(tái)上描一個(gè)點(diǎn)P，未放玻璃樣品時(shí)，調(diào)節(jié)移測(cè)顯微鏡鏡筒的高低，使P點(diǎn)的像最清晰，記錄鏡筒高度位置的讀數(shù)h13將平行板玻璃磚置于載物臺(tái)的P點(diǎn)上，再調(diào)節(jié)鏡筒的高低，找出P點(diǎn)清晰的像，記錄鏡筒的位置的讀數(shù)h2 4在玻璃磚上方描一個(gè)點(diǎn)（在載物臺(tái)上的點(diǎn)的正上方），讀數(shù)顯微鏡能看清像時(shí)鏡筒高度的讀數(shù)h3則，帶入（2-11）式即可求得玻璃磚的折射率5測(cè)3-5組，求平均值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差·實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量 1、像視高法測(cè)平行板玻璃折射率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表第i次12345平均h1i (mm)h2i (mm)h3i (mm)n2i2

16、、 用阿貝折射計(jì)測(cè)酒精折射率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 實(shí)驗(yàn)溫度：_ 蒸餾水的折射率：_（查表）第i次12345平均ni·實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1. 測(cè)量工作開(kāi)始前，注意做好棱鏡的清潔工作，以免在工作面上殘留其它物質(zhì)而影響測(cè)量精度2. 必須對(duì)阿貝折射儀進(jìn)行讀數(shù)校正3. 任何物質(zhì)的折射率都與測(cè)量時(shí)使用的光波波長(zhǎng)和溫度有關(guān)，本儀器在消除色散的情況下測(cè)得的折射率，其對(duì)應(yīng)光波的波長(zhǎng)=589.3nm；如需要測(cè)量不同溫度時(shí)的折射率，可將阿貝折射儀與恒溫、測(cè)溫裝置連用，待棱鏡組和待測(cè)物質(zhì)達(dá)到所需溫度后，方能進(jìn)行測(cè)量一般均在室溫下進(jìn)行4. 像的視高法測(cè)玻璃板折射率時(shí)，要使像點(diǎn)盡量在目鏡視野的中央，這時(shí)入射角很小，滿(mǎn)足近似條件，方可有（2-11）式計(jì)算折射率·歷史淵源與應(yīng)用前景 測(cè)量折射率的方法可大致分為三類(lèi)：一類(lèi)是應(yīng)用折射定律及反射、全反射定律，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量角度來(lái)求折射率的幾何光學(xué)方法，比如最小偏向角法、掠入射法、全反射法和位移法等另一類(lèi)是利用光通過(guò)介質(zhì)(或由介質(zhì)反射)后，透射光的位相變化(或反射光的偏振態(tài)變化)來(lái)測(cè)定折射率的物理光學(xué)方法，比如布儒斯特角法、干涉法、橢偏法等第三類(lèi)是利用表面等離子體共振（簡(jiǎn)稱(chēng)SPR）傳感技術(shù)測(cè)定氣體或液體折射率，它是通過(guò)對(duì)反射光強(qiáng)的測(cè)量，得到折射率的本實(shí)驗(yàn)介紹用掠入射法測(cè)定液體折射率，用光的折射和反射定律測(cè)固體折射率，是最簡(jiǎn)單的幾何光學(xué)測(cè)定方法