實(shí)驗(yàn)二透明介質(zhì)折射率的測定

1、19181514圖2-1 （a） WZS-1型阿貝折射儀結(jié)構(gòu)圖1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?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

2、折射率;3 用像的視高法測固體的折射率.| 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(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).5311389101112圖2-1 ( b) 2WAJ型阿貝折射儀結(jié)構(gòu)圖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(jìn)光棱鏡座；

3、 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；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8231(a)(b)圖2-2阿貝折射儀光學(xué)結(jié)構(gòu)示意 圖鏡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.阿米西消色差

4、棱鏡組由兩個完全相同的直視棱鏡組成，每一個直視棱鏡 又由三個分光棱鏡復(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(yuǎn)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，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

5、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。當(dāng)光線射入進(jìn)光棱鏡1時便在磨砂面上產(chǎn)生漫反射， 使被測液層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

6、過目鏡 8能看到如圖2-5上部分所示的像。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2-4阿貝折射儀光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖圖2-5阿貝折射儀目鏡視場-實(shí)驗(yàn)原理、用掠入射法測定液體折射率將折射率為n的待測物質(zhì)，放在已知折 射率為n1 (nvn1)的直角棱鏡的折射面 AB 上,若以單色的擴(kuò)展光源照射分界面 AB,則 入射角為n /2的光線1將掠射到AB界面而 折射進(jìn)入三棱鏡，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：sin ic n/q .i：圖2-6折射光路圖當(dāng)光線1射到AC面，再經(jīng)折射而進(jìn)入空氣時，設(shè)在 AC面上的入射角為，折射角為，則有:sinn1 sin(

7、2-1)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(yùn)動)。通過反射鏡10，讀數(shù)物鏡9,平行棱鏡6除入射光線1夕卜，其他光線如光線2在AB面上的入射角均小于n /2,因 此，經(jīng)三棱鏡折射最后進(jìn)入空氣時，都在光線f的左側(cè)當(dāng)用望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)出射光方向觀察時，在視場中將看到以光線 I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，由圖2-4可以看出，A、ic和角©有如 下關(guān)系：(2-2)(2-3)(2-4)A ic將（2-1）和（2-2）式消去ic和© .若棱鏡角A等于90度，可得 2 2 n . nisin若

8、棱鏡角A不等于90度，可得:n si nA q2 si n2cosA sin因此，當(dāng)直角棱鏡的折射率 ni為已知時，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A B C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 （ a ）所示.將折射率為n的待測物質(zhì)放在折射 率為ni的直角

9、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nvni，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(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.n應(yīng)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（ b ）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采用圖 2-7 （ c）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 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

10、點(diǎn)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(yuǎn)鏡對準(zhǔn) I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，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，2=1.66）,當(dāng)折射率大于1.66時可用二碘甲烷（nD=1.74）進(jìn)行測 量，可以證明

11、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ni和n2，且ni n2 .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 A PNQFM P'NQ中，有：NQNQ近軸情況下，即入射角聯(lián)立(2-5)-(2-7

12、)根據(jù)折射定律有：因此，有：NP taniNP tani很小時，有：tani sin i,tansin式可得：NP NP sin i/sinsin i/s innjn2NP / NP n 1/n2(2-5)(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)(2-10)透過玻璃板垂直觀察物點(diǎn) 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n11)，則(2-10)式可寫為：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NR及像到界面的距離NP,即可求出玻璃板的折射率.-實(shí)驗(yàn)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，應(yīng)用蒸

13、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no.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2-9 （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)動折射率刻度調(diào)節(jié)手輪15，使讀數(shù)鏡筒的刻度值為no， 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

14、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.b界線為止絲中心點(diǎn)未調(diào)節(jié)手輪6前， 目鏡中看到的圖調(diào)節(jié)手輪6,直 到岀現(xiàn)明顯的分調(diào)節(jié)手輪2,至明暗分界線經(jīng)過叉像亮暗分界不明顯，有彩色條紋圖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(yuǎn)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n的數(shù)值.如圖2-10所示，圖a為WZS-1型阿貝折射儀目

15、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(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點(diǎn) P,未放玻璃樣品時，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) h1.3. 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點(diǎn)（在載物

16、臺上的點(diǎn)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 |h3 h,，NP |h3 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(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、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： C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使用的光波波

17、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)光波的波長入=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(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，要使像點(diǎn)盡量在目鏡視野的中央，這時 入射角很小，滿足近似條件，方可有（2-11 ）式計(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，