设计性物理实验.doc

设计性物理实验题 目 ： 液体折射率的测量 院 系 ： 机械电子工程学院 班 级 ： 09材成（1）班 学 号 ： 200910340130 姓 名 ： 金 坤 鹏 指导老师 ： 李 翠 云 完成时间 ： 2010 年12月26日测量水的折射率一：实验任务和要求：设计两种测量液体折射率的方法，并实验验证，对比分析。二：实验方案：（一）物理模型的比较与选择。i.折射率是物质的主要光学参数之一，其实验精确值为1.333。对于该参数的测量一般是依据光波的干涉特性，用光波在液体中和空气中产生的干涉条纹的间距的不同来测量液体的折射率。还有一种模型就是采用液体对光的折射和反射特征来进行测量，根据实验可知，光线照射进入不同液体折射角和反射脚不同，可以通过对其折射角的测量，计算得出该液体的折射率。在这两种物理模型中，利用光的干涉特性模型虽操作相对于利用光的折射模型要复杂，但是实验效果更加明显，精确度较光的折射模型高，所以在本实验中我利用了光的干涉模型来测量水的折射率。（二）实验方法的选择。 ii.利用光的干涉原理测液体的折射率有多种方法，常见的有迈克尔逊干涉仪测量法，牛顿环测量法，和劈尖干涉测量法。在实验室通过对仪器的观察和实验操作程度的难易程度发现，迈克尔逊干涉仪较大，且液体的摆放位置难易固定，操作过程较复杂；而牛顿环和劈尖干涉法所利用仪器大体相同，原理相似，操作过程也基本雷同，经比较后，决定采用牛顿环和劈尖干涉法测量水的折射率。 实验方法（一）：牛顿环法测量水的折射率实验原理：平凸透镜式牛顿环仪，其原理如图（1）所示，平凸透镜放置在一块平面玻璃上，使其凸面与平面之间形成空气层。除中心接触点外，空气层的厚度逐渐向外增加。平行单色光垂直入射时，经空气层上下表面反射，形成以接触点为中心的一系列明暗相间的同心圆环式干涉条纹（牛顿环）。随着空气层的增加，条纹由粗变细如图（2）所示。实验装置如图（3）。 设平凸透镜半径为R，单色入射光波长为，牛顿环的半径则有：rk2=（2k-1)nR/2rk2=knR式中k为条纹序数，n为平凸透镜与平面玻璃之间介质的折射率。在不改变其他的条件下，分别在空气中和水中观察牛顿环，可以得到条纹序数分别为M和N所对应的暗环直径只差为：空气介质 DM2-DN2=4(M-N)R (1)水介质 DM2-DN2=4(M-N)nR (2)联立（1） （2）式解出液体折射率为：n=(DM2-DN2)/(DM2-DN2)实验步骤：一. 用牛顿环测量介质为空气时牛顿环的读数。（1）启动纳光灯（单色光源），使钠光灯正对小反射镜，旋动小反射镜旋钮，使钠光经反射后垂直入射到待测的牛顿环上，这时，显微镜的视场中可看到较强的黄光。 （2）轻轻调整牛顿环上的螺丝，使牛顿环在视场中心，无畸变，然后将其放在载物台上。 （3）调节45玻璃片，使目镜中看到的叉丝像最清晰。 （4）旋转调焦手轮，使显微镜能清楚地看到干涉条纹。 （5）转动测量鼓轮，使标尺读数准线对准标尺中央，移动牛顿环，使十字交叉丝交点对准牛顿环中心。检移动鼓轮，测左右两侧牛顿环是否清晰，并观察条纹间距变化规律。朝一个方向转动测微鼓轮。（6）移动测量鼓轮，依次侧出第10、20、30、40、50、60、70、80、90、100级暗环的读数。然后重新测量一次，将数据记录在表一中。二. 用牛顿环测量介质为水时牛顿环的读数。（1）重复一中步骤（1）。（2）将牛顿环放在一乘水器皿中，使水刚好浸没牛顿环的分界线。放到载物台上。（3）重复一中步骤（3）（4）（5），并将数据记录在表二中。三、数据记录： K12345678910Xa18.10217.68217.50217.37617.12117.02016.91216.80216.62216.512Xb22.86023.02623.23023.40223.59023.75023.82024.04224.18224.850Xb-Xa4.7585.3445.7286.0266.3786.7306.9087.2407.5608.338表二：介质为水时牛顿环的数据K12345678910Ya18.11217.62417.27217.16216.98016.74216.61016.450.16.62616.106Yb23.10223.21823.54223.73223.88224.17224.34224.64024.78224.962Yb-Ya4.9905.5946.2706.5706.9027.4307.7328.1908.5208.856四、数据处理：取M-N=5，采用逐差法得到：空气介质中：(DM2-DN2)平均值为22.222水介质中：(DM2-DN2)的平均值为29.355依题意n=(DM2-DN2)/(DM2-DN2)=299.355/22.222=1.321标准偏差S =0.0013表征值u = =0.0013 不确定度U = = 0.18%nv=n*U=1.321*0.18%=0.00237n水=1.321+_0.000237实验方法2 ： 利用劈尖干涉法测量水的折射率 （1）实验原理 : 当光近乎垂直地照射到折射率为 n 且劈角 很小的透明劈尖上时, 在整个视场内光线的入射角可视为不变的常数, 则反射光在相遇点的相位差只决定于产生该反射的薄膜厚度, 薄膜上厚度相同的地方反射光所产生的光程差相同, 因此, 等厚干涉条纹的形状是薄膜上等厚点的轨迹, 在劈尖的干涉中,干涉图样是平行于交棱的一组明暗相间、等宽、等间距的直条纹。( 2 )实验方法： 如图 2, 在 A 、B 两块平板玻璃间滴入几滴液体, 并在平板玻璃的一端夹入一直丝, 使两块平板玻璃 间形成角度很小的液体膜。当波长为 单色光垂直照射到玻璃板上时, 液体膜上、下表面反射光的光程差以及干涉的极亮条件由下式决定:=2 n （液） h +/ 2 = k ( k=1 , 2 , 3 ) 式中：h 为某一极大值所在处的液体膜厚度, k 为干涉级次, 若 k级和 k + 1级干涉条纹所在处的膜的厚度分别为 h1 和h2 , 则有： h1= （k - 1/2) /2 （液） h2 = （k +1 - 1/2) /2 （液） 图2两相邻条纹所在处的厚度差 h= h2 - h1 = / 2 n （液）. 该条纹间距为 X , 则 A 、B 间夹角为 = h / x（液 ）= / 2n x（液）. 若 A 、B 板的交棱至丝的距离为L, 细丝的直径为 d, 则劈尖膜的角度 为： = d / L 由 和 可得 ： = 2d n (液） x（液）/ L .若劈尖中间是空气, 同理推得 ： = 2d x空 / L . 由 和 可得： n （液）= x空 / x（液）. 由式 可知，只要测出同一劈尖下的空气膜和液体膜的条纹宽度，即可求出液体折射率。( 3 )实验仪器：读数显微镜 、钠光灯（ =589.3nm ) 、劈尖装置 （4）实验方法：（a） 取一劈尖装置，先将其表面处理干净，在将其一端夹一不吸水的薄纸片，放到载物台上，调整好读数显微镜，使其出现清晰的明暗相间条纹，在缓慢摇动手柄，每隔十格记录一组数据，计入表格一中。 图3 （b）记录数据后，取下劈尖装置，用胶头滴管吸取少量蒸馏水，缓慢的从劈尖装置的中缝中滴入，对着光线，观察到液体充满整个劈尖装置时，停止滴加液体。重新将劈尖装置放到载物台上，重新调整读数显微镜，使其出现新的明暗相间条纹（如图 3）,测出液体膜的干涉条纹宽度 x (液），记录数据，计入表格二中。 （5）方案二数据处理与分析： 表格一: 空气膜干涉条纹宽度 ：单位:（mm） 次数x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10宽度19.96821.39722.80524.23425.65327.07728.49929.91931.33732.765x1=x6-x 1=7.10 x2=x7-x2 = 7.120 x3=x8-x3=7.114 x4=x9-x4= 7.103 x5=x10-x5=7.112平均值 x=（x1+x2+x3+x4+x5）/5 =7.1116表格二：液体膜干涉条纹宽度 ：单位:（mm）次数x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10宽度17.93018.97920.02121.07222.12023.17024.21825.27126.32327.374x1=x6-x1= 5.240 x2=x7-x2 = 5.240 x3=x8-x3= 5.250 x4=x9-x4= 5.248 x5=x10-x5= 5.250平均值 x=（x1+x2+x3+x4+x5）/5 =5.2456标准偏差S =0.00164表征值u = =0.0013不确定度U = =0. 164%nrv=n*U=1.355*0.164%=0.00022n水=1.355+_0.00022实验结果与讨论：本次物理设计性实验我采用了两种方法来测量液体（水）的折射率，两种方法测量都相对于水的标准折射率有一定的误差，通过实验分析，可能有以下几点原因：（1）、操作时读数不精确，由于牛顿环和干涉条纹明暗条纹不是很清晰，所以读数可能出现一定的误差。（2）、实验数据记录不够，由于显微镜视野有限，读数的组数不是很多，缺乏统计的精确性。（3）、实验时，仪器不是很灵敏，标尺上的刻度与刻度盘上的刻度对应的不是很好，影响读数。（4）、选材也造成了一定误差，在实验中选取的是普通自来水，而实验要求的是蒸馏水。这里由于水的性质不同，可能造成误差。个人体会：首先、在刚开始做实验时，我本想采用迈克尔逊干涉仪来测量液体的折射率，但是由于考虑欠佳，忘记了考虑乘水容器的折射率，且将容器完全贴近反射镜几乎是不可能的事，可能造成激光在容器和反射镜之间多次反射，造成实验的失败，后来经过老师的提醒和指正，更换了一种实验测量方法。其次，做光学实验，耐心和细心是最重要的，在做劈尖干涉实验时，开始老是不能调出清晰的干涉条纹，后来经过老师的帮助，终于调了出来，最后顺利的完成了实验。通过这次设计性物理实验不仅让我对实验在物理这学科中有了更一步深刻的认识，让我懂得