光學(xué)材料折射率的測(cè)量 李偉林

1、光學(xué)材料折射率的測(cè)量班級(jí):03105班姓名:李偉林學(xué)號(hào):030148指導(dǎo)老師:程洪艷摘要 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)運(yùn)用讀數(shù)顯微鏡根據(jù)視高法的原理來(lái)對(duì)棱鏡和水進(jìn)行折射率測(cè)量,然 后用阿貝折射儀測(cè)量水和酒精的折射率 。 要求學(xué)生掌握幾種測(cè)量方法,并且能夠自行設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)作能力.Abstract With the reading microscope and the principle of refraction, one should measure the refractive index of prism and water ,then measure the refractive index

2、of water and alcohol with the help of Abell device. The purpose of the experiment is to make student absorb several methods of measuring substance s refraction index, and make out his own schemes,which is to poster student s creative abilities.一 前言(1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?> 綜合學(xué)過(guò)的知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)操作 , 完成對(duì)不同待測(cè)樣品折射率的測(cè)定 ;2>

3、了解阿貝折射儀的結(jié)構(gòu) ;3>掌握用阿貝折射儀測(cè)量折射率的原理和調(diào)節(jié)使用方法;4>用阿貝折射儀測(cè)量液體和固體的折射率。5>利用厚度之視差決定玻璃及某些透明物體對(duì)白光之平均折射率 .二 實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想 實(shí)驗(yàn)儀器1 極限法測(cè)折射率 -阿貝折光儀阿貝爾折光儀可直接用來(lái)測(cè)定液體的折光率, 定量地分析溶液的組成, 鑒定液體的純度。 同 時(shí),物質(zhì)的摩爾折射度、摩爾質(zhì)量、密度、極性分子的偶極矩等也都可與折光率相關(guān)連,因 此它也是物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究工作的重要工具。折光率的測(cè)量,所需樣品量少,測(cè)量精密度高(折光率可精確到 ,重現(xiàn)性好,所以阿貝爾折光儀是教學(xué)和科研工作中常見(jiàn)的光學(xué)儀器,近年來(lái),由

4、于電子技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,該儀器品種也在不斷更新。 下面介紹儀器的工作原理和使用方法。 . 基本原理(1 折射現(xiàn)象和折光率當(dāng)一束光從一種各向同性的介質(zhì) m 進(jìn)入另一種各向同性的介質(zhì) M 時(shí), 不僅光速會(huì)發(fā)生改變,如果傳播方向不垂直于 界面,還會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象,如圖 III-8-1所示。根據(jù)史耐爾(Snell 折射定律,波長(zhǎng)一定的單色光在溫 度 , 壓 力 不 變 的 條 件 下 , 其 入 射 角 折 射 角 于這兩種介質(zhì)的折光率 n (介質(zhì)M , N (介 質(zhì) m 成 下 列 關(guān) 系 , 即 : = 如果介質(zhì) m 是真空,因規(guī)定 =1,故 n 稱為介質(zhì) M 的絕對(duì)折光率。如果介質(zhì) m

5、為空氣,則 (空氣的絕對(duì)折光率 ,因此 ,稱為介質(zhì) M 對(duì)空氣的相對(duì)折光率。因 n 與 相差甚小,所以通常以 值作為介質(zhì)的絕對(duì)折光率,但在精密測(cè)定時(shí),必須校正之。 折光率以符號(hào) n 表示, 由于 n 與波長(zhǎng)有關(guān), 因此在其右下角注以字母表示測(cè)定 時(shí)所用單色光的波長(zhǎng), D,F,G ,C, 等分別表示鈉的 D (黃線,氫的 F (藍(lán)線, G (紫線, C (紅 線等; 另外, 折光率又與介質(zhì)溫度有關(guān), 因而在 n 的右上角注以測(cè)定時(shí)介質(zhì)溫度 (攝氏溫標(biāo) 。例如 表示在 20時(shí)介質(zhì)對(duì)鈉光 D 線的折光率。(2 阿貝爾折光儀測(cè)定液體介質(zhì)折光率的原理阿貝爾折光儀是根據(jù)臨界折射現(xiàn)象設(shè) 計(jì)的,如圖所示 。

6、試樣 m 置于測(cè)量棱鏡 P 的鏡面 F 上,而棱鏡的折光率大于試樣的折光率 。如果入射光 I 正好沿著棱鏡與試樣的界面 F 射入,其折射光為 ,入射角 ,折射角為 ,此即稱為臨界角, 因?yàn)樵贈(zèng)]有比 更大的折射角了。大于臨界角的構(gòu)成暗區(qū),小 于臨界角的構(gòu)成亮區(qū)。因此 具有特征意義,根據(jù) III-8-1式,可得:顯然,如果已知棱鏡 P 的折光率 ,并且在溫度、單色光波長(zhǎng)都保持恒定值的實(shí)驗(yàn)條件下,測(cè)定臨界角 就能算出被測(cè)試樣的折光率 。 (3 儀器結(jié)構(gòu) (a 是一種典型的阿貝折光儀的結(jié)構(gòu)示意 圖 . 其中心部件是由兩塊直角棱鏡組成 的棱鏡組,下面一塊是可以啟閉的輔助棱 鏡,其斜面是磨砂的,液體試樣夾

7、在輔助 棱鏡與測(cè)量棱鏡之間,展開成一薄層。光 由光源經(jīng)反射鏡反射至輔助棱鏡,磨砂的 斜面發(fā)生漫射,因此從液體試樣層進(jìn)入測(cè) 量棱鏡的光線各個(gè)方向都有,從測(cè)量棱鏡 的直角邊上方可觀察到臨界折射現(xiàn)象。轉(zhuǎn) 動(dòng)棱鏡組轉(zhuǎn)軸的手柄, 調(diào)節(jié)棱鏡組的角度, 使臨界線正好落在測(cè)量望遠(yuǎn)鏡視野的 X 型 準(zhǔn)絲交點(diǎn)上。由于刻度盤與棱鏡組的轉(zhuǎn)軸 是同軸的,因此與試樣折光率相對(duì)應(yīng)的臨界角位置能通過(guò)刻度盤反映出來(lái)。 刻度盤上的示值有兩行, 一行是在以日光為光源的條件下 將值和值直接換算成相當(dāng)于鈉光 D 線的折光率(從 1.3000至 1.7000另 一行為 095%,它是工業(yè)上用折光儀測(cè)量固體物質(zhì)在水中濃度的標(biāo)準(zhǔn)。通常由于測(cè)

8、量蔗糖 的濃度。為使用方便, 阿貝折光儀光源采用日光而不用單色光。 日光通過(guò)棱鏡時(shí)由于其不同波長(zhǎng)的光 的折射率不同, 因而產(chǎn)生色散, 使臨界線模糊。 為此在測(cè)量望遠(yuǎn)鏡的鏡筒下面設(shè)計(jì)了一套消 色散棱鏡(Amici 棱鏡 ,旋轉(zhuǎn)消色散手柄,就可以使色散現(xiàn)象消除。2 視高法 (折射原理 測(cè)玻璃的折射率 如果從玻璃上方的空氣中觀察玻璃下面的物體 , 所看到的物體位置并不是該物體的實(shí)際 位置 , 而是物體的光線射出玻璃上表面時(shí)被折射后的光線在反向延長(zhǎng)線上所成的虛象的位置 , 像的位置總比物的位置高 , 物光通過(guò)玻璃折 射后引起的像升高的距離 (物象的間距 , 稱為像的視高 .n = sin r / si

9、n i ,當(dāng) i->0,r->0時(shí) ,折射率 n = sin r / sin i tgr/tgi=OS/OS = e/(e-d利用測(cè)量鏡筒向移動(dòng)量的讀數(shù)顯微鏡 , 分別聚焦于物鏡正下方的物 S, 放上待測(cè)玻璃樣品后 玻璃內(nèi)的像 S 和玻璃上表面 O 以及相應(yīng)的顯微鏡筒的高度 , 即可求出折射率 . 1 用阿貝爾儀測(cè)折射率的步驟(1 儀器的安裝。將折光儀置于靠窗的桌子或白熾燈前。但勿使儀器置于直照的日光中,以 避免液體試樣迅速蒸發(fā)。 用橡皮管將測(cè)量棱鏡和輔助棱鏡上保溫夾套的進(jìn)水口與超級(jí)恒溫槽 串聯(lián)起來(lái), 恒溫溫度以折光儀上的溫度計(jì)讀數(shù)為準(zhǔn), 一般選用 200.1或 250.1。 (2

10、 加樣 松開鎖鈕,開啟輔助棱鏡,使其磨砂的斜面處于水平位置,用滴定管加小量丙酮 清洗鏡面, 促使難揮發(fā)的玷污物逸走, 用滴定管時(shí)注意勿使管尖碰撞鏡面。 必要時(shí)可用擦鏡 紙輕輕吸干鏡面,但切勿用濾紙。待鏡面干燥后,滴加數(shù)滴試樣于輔助棱鏡的毛鏡面上,閉 合輔助棱鏡,旋緊鎖鈕。若試樣易揮發(fā),則可在兩棱鏡接近閉合時(shí)從加液小槽中加入,然后 閉合兩棱鏡,鎖緊鎖鈕。(3 對(duì)光 轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,使刻度盤標(biāo)尺上的示值為最小,于是調(diào)節(jié)反射鏡,使入射光進(jìn)入棱鏡 組,同時(shí)從測(cè)量望遠(yuǎn)鏡中觀察,使視場(chǎng)最亮。調(diào)節(jié)目鏡,使視場(chǎng)準(zhǔn)絲最清晰。(4 粗調(diào) 轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,使刻度盤標(biāo)尺上的示值逐漸增大,直至觀察到視場(chǎng)中出現(xiàn)彩色光帶或 黑白臨界線

11、為止。(5 消色散 轉(zhuǎn)動(dòng)消色散手柄,使視場(chǎng)內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)清晰的明暗臨界線。(6 精調(diào) 轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,使臨界線正好處在 X 形準(zhǔn)絲交點(diǎn)上,若此時(shí)又呈微色散,必須重調(diào)消 色散手柄,使臨界線明暗清晰。 (調(diào)節(jié)過(guò)程在右邊目鏡看到的圖像顏色變化如下圖物理研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 2010-8-29 (7 讀數(shù) 為保護(hù)刻度盤的清潔，現(xiàn)在的折光儀一般都將刻度盤裝在罩內(nèi)，讀數(shù)時(shí)先打開罩 殼上方的小窗，使光線射入，然后從讀數(shù)望遠(yuǎn)鏡中讀出標(biāo)尺上相應(yīng)的示值。由于眼睛在判斷 臨界線是否處于準(zhǔn)絲點(diǎn)交點(diǎn)上時(shí)，容易疲勞，為減少偶然誤差，應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄， (8 儀器校正 折光儀的刻度盤上的標(biāo)尺的零點(diǎn)有時(shí)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，須加以校正。校正的方法 是用一種

12、已知折光率的標(biāo)準(zhǔn)液體，一般是用純水，按上述方法 進(jìn)行測(cè)定，將平均值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，其差值即為校正值。純水 的 ，在 15到 30之間的溫度系數(shù)為-0.0001/。 (9 在讀數(shù)鏡內(nèi)讀出的示數(shù)即為折射率,按左圖,折射率為 1.3562. 2 用視高法測(cè)定折射率 (1未放玻璃樣品時(shí)的讀數(shù)顯微鏡能看清像時(shí)的讀數(shù) d1. (2放玻璃樣品時(shí)的讀數(shù)顯微鏡能看清像時(shí)的讀數(shù) d2. (3用千分尺測(cè)玻璃樣品的厚度 e; (4未放水時(shí)的讀數(shù)顯微鏡能看清像時(shí)的讀數(shù) d1. (5放水時(shí)的讀數(shù)顯微鏡能看清像時(shí)的讀數(shù) d2. (6用千分尺測(cè)水的深度 e; (7以上的數(shù)據(jù)均測(cè) 3 組,求平均值. 六 數(shù)據(jù)處理 1 折射極限法

13、測(cè)液體的折射率-阿貝爾儀 n 水=1.3295; n 乙醇=1.3574; 2 用視高法(折射原理測(cè)折射率 玻璃 第一組 第二組 第三組 初始位置(mm 239.972 239.63 239.692 末位置(mm 236.32 237.108 236.907 d(mm 3.14 2.755 2.785 6 物理研究性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 2010-8-29 玻璃厚度次數(shù) (mm 1 14.70 2 14.60 3 14.62 =(e1+e2+e3/3=14.64mm 根據(jù) n=e/(e-d,則,由三組數(shù)據(jù):ni=/(-di n1=14.64/(14.64-3.14=1.273 n2=1.232 n3=14

14、.64/(14.64-2.75=1.235 n=ni/3=1.247; 三棱鏡 第一組 第二組 第三組 玻璃厚度次數(shù) (mm 初始位置(mm 241.317 241.761 241.361 1 21.04 末位置(mm 234.118 234.489 234.009 2 21.06 d(mm 7.199 7.272 7.352 3 21.04 =(e1+e2+e3/3=21.05mm 根據(jù) n=e/(e-d,則,由三組數(shù)據(jù):ni=/(-di n1=21.05/(21.05-7.199=1.520 n2=1.528 n3=21.05/(21.05-7.352=1.538 n=ni/3=1.529

15、; 水 第一組 第二組 第三組 水深次數(shù) (mm 初始位置(mm 234.804 234.471 234.198 1 30.40 末位置(mm 228.729 228.843 228.678 2 30.42 d(mm 6.075 5.628 5.520 3 30.42 =(e1+e2+e3/3=30.41mm 根據(jù) n=e/(e-d,則,由三組數(shù)據(jù):ni=/(-di n1=30.41/(30.41-6.075=1.247 n2=1.227 n3=30.41/(30.41-5.520=1.222 n=ni/3=1.232; 比較及誤差分析： 用視高法比用阿貝爾儀測(cè)出的水的折射率要小， 其原因主要在于視高法測(cè) 時(shí)要求像的清晰度的把握，屬于隨機(jī)誤差，器皿中的水測(cè)量時(shí)，難以把握使