實驗二透明介質(zhì)折射率的測定

1、圖2（a） WZS-1型阿貝折射儀結構圖GB8878185555334563BT9125XW創(chuàng)作者：鳳嗚大王*實驗二透明介質(zhì)折射率的測定折射率是光學材料的重要參數(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系，在科研和生產(chǎn)實際 中，常通過測量折射率來獲得材料的相關信息.本實驗用掠 入射法測定液體折射率，用光的折射法測固體折射率.實驗目的1- 了解阿貝折射儀的工作原理，熟悉其使用方法;2. 用掠入射法測定液 體的折射率；3. 用像的視高法測固 體的折射率.實驗儀器阿貝折射儀，移測顯微 鏡，鈉燈，玻璃磚，水、 酒精等待測液體.阿貝折射儀是測量固1反光鏡；6阿米西棱鏡于輪（色散調(diào)節(jié)于輪：

2、7色散值刻度圈: 8目鏡：10棱鏡鎖緊于柄：11棱鏡組：13溫度計座：14底座:15折射率刻度調(diào)節(jié)手輪（轉(zhuǎn)動棱鏡）；16校正螺釘：18圓盤組=19小反光鏡：20讀數(shù)鏡筒：21望遠鏡筒體和液體折射率的常用儀器，測量范圉為131.7,可以直接 讀出折射率的值，操作簡便，測量比較準確，精度為0.0003.測 量液體時所需樣品很少，測量固體時對樣品的加工要求不高.1 阿貝折射儀的外部結構實驗用阿貝折射儀的型號有兩種：WZS-1型阿貝折射儀 結構見圖21 (a)、2WAJ型阿貝折射儀結構見圖2-1 (b).1反光鏡：2棱鏡座連接轉(zhuǎn)軸：3遮光板：4恒溫器接頭：5進光棱鏡座: 6色散調(diào)節(jié)于輪：7色散值刻度圈

3、：8目鏡；9蓋板：10棱鏡鎖緊于輪: 11折射標棱鏡座：12照明刻度盤聚光鏡：13溫度汁座：14底座: 15折射率刻度調(diào)節(jié)于輪：16校正螺釘：17殼體：2阿貝折射儀的光學系統(tǒng)圖2-2阿貝折射儀光學結構示意圖23阿米西消色差棱鏡作編號：GB8878185555334563BT9125XW 作者：鳳嗚大王*WZS-1型阿貝折射儀的 光學系統(tǒng)曲兩部分組成：望遠 系統(tǒng)與讀數(shù)系統(tǒng)如圖2-2所 示.望遠系統(tǒng)：光線經(jīng)反射鏡1反射進入照明棱鏡2及折射棱鏡3,待測液體放置在棱鏡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 物質(zhì)所產(chǎn)生的色散，通過物鏡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

4、成像后為觀察者所觀察.阿米西消色差棱鏡組山兩個完全相同的直視棱鏡組成， 每一個直視棱鏡乂由三個分光棱鏡復合而成，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）能無偏向地通過，但對波長較長的紅光（C線）、波長較短的紫光（F線），因復合棱鏡的色散，將產(chǎn)生相應的偏折，其主截面如圖2-3所示.消色 差棱鏡組通過一個公用的旋鈕調(diào)節(jié)，使之繞望遠鏡的光軸沿 相反方向同時轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角度可從讀數(shù)盤上讀出.在平行 于阿貝折射棱鏡的主截面內(nèi)，產(chǎn)生一個隨轉(zhuǎn)動角度改變的色 散，色散的方向和數(shù)值的大小均可變化，以抵消山于折射棱鏡和待測樣品產(chǎn)生的色散，使半蔭視場 清晰、界線分明.從消色差棱鏡

5、組轉(zhuǎn)動的角度，對照儀器的 附表，便可查得樣品的平均色散nF-nc讀數(shù)系統(tǒng)：光線曲小反光鏡經(jīng)毛玻璃照亮刻度盤，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,、 8Z放大成像后為觀察者所觀察.2WAJ型阿貝折射儀的光學系統(tǒng)山山望遠系統(tǒng)和讀數(shù)系 統(tǒng)兩部分組成，如圖2-4所示。望遠系統(tǒng)：光線進入進光棱鏡1與折射棱鏡2之間有一 微小均勻的間隙，被測液體就放在此空隙內(nèi)。當光線射入進 光棱鏡1時便在磨砂面上產(chǎn)生漫反射，使被測液層內(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。111擺動反射鏡3將此束光線射入消色散棱 鏡組4,此消色散棱鏡組是山一對等色散阿米西棱

6、鏡組成， 其作用是可獲得一可變色散來抵消由于折射棱鏡對不同被測 物體所產(chǎn)生的色散。再由望遠鏡5將此明暗分界線成像于分 劃板7±,分劃板上有十字分劃線，通過H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 動反射鏡3連成一體同時繞刻度中心作回轉(zhuǎn)運動）。通過反射 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實驗原理一、用掠入射法測定液體折射率將折射率為“的待測物質(zhì)，放在已知折 射率為小(«<«,)的直角棱鏡的折射面AB 上，若以單色的擴

7、展光源照射分界面AB,則 入射角為/2的光線1將掠射到AB界面而 折射進入三棱鏡內(nèi)，其折射角L應為臨界 角從圖2-6可以看出應滿足關系： sin ic = n! nx .當光線1射到AC面，再經(jīng)折射而進入空氣時，設在AC面上的入射角為0,折射角為卩，則有:(2-1)除入射光線1夕卜，其他光線如光線2在43面上的入射角 均小于”/2,因此，經(jīng)三棱鏡折射最后進入空氣時，都在光線 1'的左側(cè).當用望遠鏡對準出射光方向觀察時，在視場中將 看到以光線1'為分界線的明暗半蔭視場，如圖2-6所示.當三棱鏡的棱鏡角A大于角L時，由圖2-4可以看出，A、 匸和角0有如下關系：(2-2)將（2-1

8、）和（2-2）式消去L和若棱鏡角A等于90 度，可得(2-3)若棱鏡角A不等于90度，可得:(2-4)“ =sin Ajnj sin0 一 cosA sin 卩因此，當直角棱鏡的折射率小為已知時，測出©角后便 可計算出待物質(zhì)的折射率上述測定折射率的方法稱為掠入射法，是應用全反射原 理.二、用阿貝折射儀測定透明介質(zhì)的折射率阿貝折射儀也是根據(jù)全反射原理設訃的.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A3C和 照明棱鏡ABC都是直角棱鏡，山重火石玻璃制成.照明棱 鏡的A B面經(jīng)過磨砂，使透射式測量作漫射光源用.折射棱 鏡的BC面也經(jīng)過磨砂，供反射式測量作漫反射光源用.透

9、射式測量光路如圖2-7 （“）所示.將折射率為"的待 測物質(zhì)放在折射率為小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n<m,這時與圖2-6相同，經(jīng)棱鏡ABC兩次折射后，由AC面射出的光束，在望遠 鏡視場中將觀察到半蔭視場，明暗分界線就對應于掠面入射 光束，測出AC面上相應的臨界出射角卩，即可應用(2-4) 式計算出“.圖2-7固體折射率測宦光路圖應用阿貝折射儀測定固體折射率時不用照明棱鏡對于加 工有兩個拋光面的固體樣品，則光路可采用圖2-7 (方)所示 的透射式測量，對于加工只有一個拋光面的固體樣品則可 釆用圖2-7 (c)所示的反射式測量.用光源S (

10、般為自然光)照亮折射棱鏡上的磨砂面BC, 使之成為一個擴展的平面光源，從面上各點發(fā)出的光線1、2 射抵AB面上的E點時，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 望遠鏡對準1'觀察時，亦可看到半蔭視場，只是明暗分布恰 與透射光的視場分布相反，其臨界出射角©為最大，而且視 場中明暗的對比也不如透射光明顯，這是山于照射在面上 那些小于臨界角的光線，也會在AB面上產(chǎn)生部分的反射.測 出AC面上的臨界出射角0,仍(2-4)式，計算待測固體的折射率.測定時，將待測樣品的拋光面與折射棱鏡A3面緊密的疊 合在一起，中間添加一層接觸液，形成均勻的

11、液膜，其折射 率應大于樣品的折射率（例如a-澳代蔡，/7D=1.66）,當折射 率大于1.66時.可用二碘中烷5d=1.74）進行測量，可以證 明接觸液的加入，并不影響計算公式的適用性.三、像的視高法測固體折射率若透過玻璃板垂直觀察玻璃板下面的物體，所看到的并 不是該物體的實際位置，而是物體折 射光線在反向延長線上所成的虛象的 位置，該虛像的位置總比物的位置高， 這就是像的視高.如圖2-8所示，AA1 為兩種介質(zhì)的分界面，上下兩種介質(zhì) 的折射率分別為m和02,且q 5 設有一物點P，以入射角i A 圖2$像的視高法原理圖 射于界面上的Q點，經(jīng)折射后沿QT方向進入上方介質(zhì)，折 射角為7.沿折射光

12、線QT反方向延長，則和法線PN相較于P點,P即為P的像.在APNQ和AP'NQ中，有:(2-5)(2-6)(2-7)NQ = NPzniNQ = NPf - tan /近軸情況下，即入射角i很小時，有:tan i = sin i. tan/ = sin/聯(lián)立(2-5)-(2-7)式可得:NP' = NPsmiJsiny(2-8)根據(jù)折射定律有:sin sin 了 =厲 /n2(2-9)因此，有：NPTNP = n、g(2-10)透過玻璃板垂直觀察物點P,此時入射角i很小，甚至為零,若上方介質(zhì)為空氣(折射率厲=1),則(2-10)式可寫為：m=NPINP'(2-11)若待

13、測透明介質(zhì)為平行平面玻璃板，則由(2-11)式可知， 只要測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.實驗內(nèi)容與步驟一、用阿貝折射儀測定液體的折射率1. 校準：用阿貝折射儀測定液體折射率時，應用蒸謂水 對儀器進行校準.方法是在棱鏡的磨砂面上滴上蒸鐳水，旋 緊棱鏡鎖緊手柄，測出液體的溫度，根據(jù)溫度查表，看此溫 度下蒸係水的折射率的值no.調(diào)節(jié)反光鏡1和12 (WZS-1 型為1和19),使口鏡視場明亮，如圖2-9 (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 分界線也可能位于義絲中點的下方)；轉(zhuǎn)動折射率刻度調(diào)節(jié)手 輪15,使讀數(shù)鏡

14、筒的刻度值為n。，然后觀察視場中義絲的交 點是否在明暗分界線上，若沒有對準，則調(diào)節(jié)儀器上的校正 螺釘16,使視場中義絲中心對準明暗分界線.即完成校準.2. 轉(zhuǎn)動棱鏡鎖緊手柄12,打開棱鏡，用脫脂棉沾一些無 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 二滴待測液體，旋緊棱鏡鎖緊手柄，使液膜均勻，無氣泡， 并充滿視場.目鏡屮看到的圖到出現(xiàn)明顯的分暗分界線經(jīng)過叉 像亮暗分界不明界線為止絲中心自顯.有彩仮條絞圖2-9目鏡視場3. 調(diào)節(jié)兩反光鏡1和12 (WZS-1型為1和19),使目鏡 視場明亮.4. 旋轉(zhuǎn)手輪2使棱鏡組13轉(zhuǎn)動，在望遠鏡中觀察明暗 分界線上下移動，同時調(diào)節(jié)色散調(diào)節(jié)手輪6,直

15、到視場中除黑 白二色外無其它顏色，且亮暗分界線在十字叉絲中心時，如 圖2-9(c)所示.視場中所指示的刻度值，即為待測液體的折射 率川的數(shù)值.如圖2-10所示，圖a為WZS-1型阿貝折射儀目 鏡視場，讀數(shù)為“=1.3301；圖b為2WAJ型阿貝折射儀tl鏡 視場，讀數(shù)為1.4049.圖a圖b圖2-10阿貝折射儀讀數(shù)系統(tǒng)示意圖5. 依同樣的方法，重復上述步驟35次，算出折射率 的平均值并計算標準差，并分析產(chǎn)生誤差的原因.二、用視高法測定固體折射率1. 打開照明燈，調(diào)節(jié)反光鏡，使目鏡中獲得較明亮的視 野，并對目鏡進行調(diào)焦.2. 在移測顯微鏡的載物臺上描一個點P,未放玻璃樣品 時，調(diào)節(jié)移測顯微鏡鏡筒

16、的高低，使P點的像最清晰，記錄 鏡筒高度位置的讀數(shù)hi.3. 將平行板玻璃磚置于載物臺的P點上，再調(diào)節(jié)鏡筒的 高低，找出P點清晰的像，記錄鏡筒的位置的讀數(shù)h2.4. 在玻璃磚上方描一個點（在載物臺上的點的正上方）, 讀數(shù)顯微鏡能看清像時鏡筒高度的讀數(shù)h3.則NP = lh-h NP,=lh-h2,帶入（2-11）式即可求得玻璃磚的折射率.5. 測3-5組，求平均值，計算標準差.實驗數(shù)據(jù)測量1、像視高法測平行板玻璃折射率實驗數(shù)據(jù)表第門欠1234廠0平均hu (mm)hn (mm)/?3( (mm)nii2、用阿貝折射計測酒精折射率實驗數(shù)據(jù)表實驗溫度：°C蒸憎水的折射率：（查表）第門欠1

17、2345平均IJi實驗注意事項1. 測量工作開始前，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)而影響測量精度.2. 必須對阿貝折射儀進行讀數(shù)校正.3. 任何物質(zhì)的折射率都與測量時使用的光波波長和溫度 有關，本儀器在消除色散的情況下測得的折射率，其對應光 波的波長久二589.3nm；如需要測量不同溫度時的折射率，可 將阿貝折射儀與恒溫、測溫裝置連用，待棱鏡組和待測物質(zhì) 達到所需溫度后，方能進行測量.一般均在室溫下進行.4. 像的視高法測玻璃板折射率時，要使像點盡量在LI鏡視 野的中央，這時入射角很小，滿足近似條件，方可有（2-11） 式計算折射率.歷史淵源與應用前景測量折射率的方法可大致分為三類：一類是應用折射定 律及反射、全反射定律，通過準確測量角度來求折射率的兒 何光學方法，比如最小偏向角法、掠入射法、全反射法和位 移法等.另一類是利用光通過介質(zhì)（或山介質(zhì)反射）后，透射 光的位相變化（或反射光的偏振態(tài)變化）來測定折射率的物理光學方法，比如布儒斯特角法、干涉法、橢偏法等.第三類 是利用表面等離子體共振（簡稱SPR）傳感技術測定氣體或液 體折射率，它是通過對反射光強的測量，得到折射率的.本 實驗介紹用掠入射法測定液體折射率，用光的折射和反射定 律測固體折射率，是最簡單的兒何光學測定方法.與中學物理的銜接中學物理課標對