實(shí)驗(yàn)二 透明介質(zhì)折射率的測定

1、實(shí)驗(yàn)二 透明介質(zhì)折射率的測定折射率是光學(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，常通過測量折射率來獲得材料的相關(guān)信息本實(shí)驗(yàn)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(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用掠入射法測定液體的折射率； 3用像的視高法測固體的折射率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體和液體折射率的常用儀器，測量范圍為1.31.7，可以直接讀出折射率的值，操作簡便，測量比較準(zhǔn)確，精度為0.0003測量液體時(shí)所需樣品很少，測量固體時(shí)對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有兩種：WZS-1型阿貝折射儀結(jié)構(gòu)見圖2-1（a）、2WAJ型阿貝折射儀結(jié)構(gòu)見圖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(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組轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，對照儀器的

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，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等色散阿米西棱鏡組成，其作用是可獲得一可變色散來抵消由于折射棱鏡對

6、不同被測物體所產(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、用掠入射法測定液體折射率圖2-6 折射光路圖將折射率為n的待測物質(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)鏡對準(zhǔn)出射光方向觀察時(shí)，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(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)，測出角后便可計(jì)算出待物質(zhì)的折射率n上述測定折射率的方法稱為掠入射法，是應(yīng)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(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)鏡視場中將觀察到半蔭視場，明暗分界線就對應(yīng)于掠面入射光束，測出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 固體折射率測定光路圖 應(yīng)用阿貝折射儀測定固體折射率時(shí)不用照明棱鏡對于加工有兩個(gè)拋光面的固體樣品，則光路可采用圖2-7（）所示的透射式測量，對于加工只有一個(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)鏡對準(zhǔn)

10、1觀察時(shí)，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，這是由于照射在AB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，仍（2-4）式，計(jì)算待測固體的折射率測定時(shí)，將待測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

11、該物體的實(shí)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，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）式可寫為： （2-11）若待測透明介質(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(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 一、用阿貝折射儀測定液體的折射率 1校準(zhǔn)：用阿貝折射儀測定液體折射率時(shí)，應(yīng)用蒸餾水對儀器進(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，然后觀察視場中叉絲的交點(diǎn)是否在明暗分界線上，若沒有對準(zhǔn)，則調(diào)節(jié)儀器上的校正螺釘16，使視場中叉絲中心對準(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a圖2-9 目鏡視場未調(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(shí)，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，讀數(shù)為n=1.3301；圖b為2WAJ型阿貝折射儀目鏡視場，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、用視高法測定固體折射率

15、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(jìn)行調(diào)焦 2在移測顯微鏡的載物臺上描一個(gè)點(diǎn)P，未放玻璃樣品時(shí)，調(diào)節(jié)移測顯微鏡鏡筒的高低，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3-5組，求平均值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差·實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量 1、像視高法測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(jìn)行讀數(shù)校正3. 任何物質(zhì)的折射率都與測量時(shí)使用的光波波長和溫度有關(guān)，本儀器在消除色散的情況下測得的折射率，其對應(yīng)光波的波長=589.3nm；如需要測量不同溫度時(shí)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(dá)到所需溫度后，方能進(jìn)行測量一般均在室溫下進(jìn)行4. 像的視高法測玻璃板折射率時(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 測量折射率的方法可大致分為三類：一類是應(yīng)用折射定律及反射、全反射定律，通過準(zhǔn)確測量角度來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是利用光通過介質(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)來測定折射率的物理光學(xué)方法，比如布儒斯特角法、干涉法、橢偏法等第三類是利用表面等離子體共振（簡稱SPR）傳感技術(shù)測定氣體或液體折射率，它是通過對反射光強(qiáng)的測量，得到折射率的本實(shí)驗(yàn)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，是最簡單的幾何光學(xué)測定方法