实验十四用掠入射法测定液体的折射率

1、大学物理实验讲义（光学部分）苏大生编9实验十四 用掠入射法测定液体折射率实验目的1、了解分光计的结构，掌握调节和使用分光计的方法；2、掌握用掠入射法测定液体的折射率。实验仪器与用具分光计（JJY1）、等边三棱镜、钠光灯（Gp20Na）、水、酒精、读数小灯、毛玻璃, 毛玻璃屏，小烧杯（2个），滴管（2支）。仪器介绍（棱镜、光JJY1 型分光计的分光计是一种常用的的光学仪器，实际上就是一种精密的测角仪。在几何光学实验中， 主要用来测定棱镜角、光束的偏向角等等，而在物理光学实验中，加上分光元件 栅）即可作为分光仪器，用来观察光谱，测量光谱线的波长等。下面介绍 结构原理和调节方法。每部分均有特定一、分

2、光计的结构 分光计主要由底座、 望远镜、准直管、载物台和刻度盘等几部分组成， 的调节螺钉，图（一）为 JJY型分光计的结构外型图。1012EI1415202317S 9图（一）JJY型分光计的结构示意图1-平行光管狭缝锁紧螺钉；2-平行光管狭缝装置；3-平行光管狭缝调节螺钉；4-平行光管倾斜度调节螺 钉；5-平行光管水平方向调节螺钉；6-平行光管，7-载物台锁紧螺钉；8-载物台；9-载物台调平螺钉； 10-望远镜；11-望远镜目镜锁紧螺钉；12-望远镜目镜调焦手轮；13-小电珠；14-望远镜倾斜度调节螺钉； 15-望远镜水平方向调节螺钉（背面）；16-游标盘；17-转座水平方向微调螺钉（背面）

3、；18 -游标；19-刻度 盘；20-底座；21-转座与刻度盘锁定螺钉；22-转座；23-望远镜止动螺钉（背面）；24-游标盘微动螺钉； 25-游标盘止动螺钉1、分光计的底座要求平稳而坚实。在底座的中央固定着中心轴，刻度盘和游标内盘套 在中心轴上，可以绕中心转轴旋转。2、准直管固定在底座的立柱上，它是用来产生平行光的。准直管的一端装有消色差物镜，另一端装有狭缝的套管，狭缝的宽度可在0.022mm范围内改变。3、望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起，套在主刻度盘上，它是用来观察目 标和确定光线进行方向的。常用的阿贝式目镜其结构和目镜视场如图（二）所示。阿贝目漬 叉丝架L物镜测星用十字叉丝棱競

4、的阴影甸【二）阿贝目競式望远兢的结构和视场调整用叉丝反射像4、分光计上控制望远镜和刻度盘转动的有三套机构，正确运用它们对于测量很重要， 它们是：（1）（2）（3）望远镜止动和微动控制机构，图（一）中的 分光计游标盘止动和微动控制机构，图（ 望远镜和度盘的离合控制机构，图（一）中的23、17；1）中的 25、24；21。转动望远镜或移动游标位置时，都要先松开相应的止动用螺钉；微调望远镜及游标位 置时要先拧紧止动螺钉。要改变度盘和望远镜的相对位置时，应先松开它们间的离合控制螺钉，调整后再拧紧， 一般是将度盘的0线置于望远镜下，可以减少在测角度时，0线通过游标引起的计算上的不方便。5、载物平台是一个

5、用以放置枝棱镜、光栅等光学元件的圆形平台，套在游标内盘上， 可以绕通过平台中心的铅直轴转动和升降。当平台和游标盘（刻度内盘）一起转动时，控 制其转动的方式与望远镜一样，也是粗调和微调两种；平台下有三个调节螺钉，要以改变 平台台面与铅直轴的倾斜度。6、 望远镜和载物平台的相对方位可由刻度盘上的读数确定。主刻度盘上有0O360O的圆刻度，分度值为0.5。为了提高角度测量精密度，在内盘上相隔180处设有两个游标V左 和V右，游标上有30个分格，它和主刻度盘上的 29个分格相当，因此分度值为1 读数方法参照游标原理，如图（三）所示读数应为16842记录测量数据时，必须同时读取两个游标的读数（为了消除刻

6、度盘的度盘中心和仪器轩轴之间的偏心差）。安置游标位置要考虑具体实验情况，主要注意读数方便，且尽可能在测量中刻度盘0线不通过游标。记录与计算角度时，左、右游标分别进行，注意防止混淆算错角度。二、分光计的调节1、调节要求分光计是在平行光中观察有关现象和测量角度，因此要求:（1）分光计的光学系统要适应平行光（望远镜能接收平行光和准直管发出平行光）（2）从度盘上读出的角度要符合观测现象中的实际角度。用分光计进行观测时，其观测系统基本上由下述三个平面构成，如图（四）所示。仪器转轴待测光路读值平面观察平面待测光路平面图（四） 读值平面：这是读取数据的平面，由刻度和游标内盘绕中心转轴旋转时形成的。对每一具体

7、的分光计，读值平面都是固定的，且和中心转轴垂直。 观察平面：由望远镜光轴绕仪器中心转轴旋转时所形成的。只有当望远镜与转轴垂直时，观察平面才是一个平面，否则，将形成一个以望远镜光轴为母线的圆锥面。 待测光路平面：由准直管的光线和经过待测光学元件（棱镜、光栅等）作用后，所反射、折射和衍射的光线所共同确定的。调节载物台下方的三个调节螺钉，可以将待测光路平面调节到所需方位。按调节要求，应将此三个平面调节成相互平行，否则，测量得角度将与实际角度有些差异，即引入系统误差。2、调节方法在用分光计进行测量之前，必须对仪器进行仔细的调节，使其处于待测状态，否则不 能进行有效的测量。这种调节可分三步来完成。1、望

8、远镜的调节（1）调节目镜，旋转目镜手轮，看清分划板上的十字叉丝即一条竖直准线和与其相交的两条水平线，如图（五）（a）所示。（2） 开启望远镜叉丝照明灯。将一棱镜的折射面（光面）轻轻地贴近望远镜的物镜端，使目镜连同分划板在物镜镜筒中前后缓慢地移动，当分划板位于物镜焦平面上时，便可在视场中看到分划板亮十字线的清晰反射像，且该像与分划板上的准线无视差，停止移动分划板，转动目镜镜筒，将分划板上的十字叉丝的竖直准线调成竖直状态，拧紧锁定螺丝。此时望远镜已对无穷远调焦，可以用来接收平行光了，如图（五）（b）所示。:丁字叉丝反射像十字叉丝(b)2、调节望远镜光轴及载物台平面与仪器中心转轴垂直（1）粗调：用目

9、测方法分别调整望远镜下面的水平调节螺丝和载物台下面的三个调节 。调节时，望远 不大好掌握，可用下述方法来 B处，用眼睛与载物台以一个螺丝，使望远镜和载物台平面大致处于水平位置（或与仪器中心转轴垂直） 镜的水平情况可与望远镜的支臂相比较。关于载物台的粗调，进行：如图（六）所示，转动载物台，将一个调节螺丝转至 较小的角度 3直I接观察载物台面， 然后保持眼睛的 视线不变，将载物 台转过120，即 将另一个调节螺 丝转至B处，如 果与载物台面的 视角减小（增大），图六）则位置B较A高（B较A低），那么将B下面的调节螺丝调低（高）。依此方法反复调节， 直至视角减小到刚好看到 A端，载物台转动一周后眼睛

10、也始终刚好能看到A端为止，这时，载物台近乎与仪器中心转轴垂直。（2）细调：将三棱镜按图（七）放在载物台中央，使折射面AB与载物台调节螺钉 bb3的连线相垂直。这时调节螺钉bi或b3,能改变AB面相对于主轴的倾斜度，面调节螺钉b2对AB面的倾斜度不产生影响。 当使望远镜对准棱镜的一个折射面并看到小十字叉丝像时（如图八（a）所示），稍稍转动望远镜使其视场 （如图八（b）所示）所示。调节载物台下控 制该面的一个螺丝，使小十字叉丝像的水平位置向调整叉丝的水平准线靠拢一半（如图八（c）所示），再调节望远镜的水平调节螺丝，使小十字叉丝像与调整叉丝重合（如图八（d）所示）,此时望远镜轴与该反射面垂直，但不一

11、定和仪器的旋转主轴垂直，因此，必须继续调节。将载物台转动120，使望远镜对准棱镜的另一反射面，观察此时小十字叉丝像是否与调整叉 丝重合，若不重合，再同上由望远镜和螺丝各调回1、zTI(FL图（八）而在第二面则找不到，这可能注意：时常发现从平面镜的第一面见到了绿色小十字像,是粗调不细致，经第一面调节后，望远镜光轴和平台面均显著不水平，这时要重作粗调；如果望远镜轴及平台面无明显倾斜，这时往往是小十字叉丝像在调节叉丝上方视场之外，可适小十字叉丝像均与调整叉丝 此调节方法称为逐次逼近当调望远镜倾斜（使目镜一侧升高些）去找。反复进行以上的调整 棱镜任一反射面对准望远镜时， 重合为止。此时，望远镜光轴及载

12、物台平面与仪器中心转轴垂直。 法或二分之一调节法。3、准直管的调节开启光源，照明平行光管的狭缝；取下三棱镜，转动望远镜，对准准直管以观察狭缝 的像；将狭缝宽度适当调窄，前后移动狭缝，使从望远镜看到清晰的狭缝像，并且狭缝像与测量叉丝间无视差；转动狭缝套筒，使缝的取向与分划板上的竖直准线平行，拧紧狭缝套筒螺丝；调节准直管倾斜度调节螺丝，使狭缝像位于望远镜分划板的中间。此时，分光计已全部调节完毕，处于待测状态。注意：调节后的分光计在使用中，不要破坏已调好的条件。实验原理将折射率为n的待测物质放在已知折射率为 ni的等边三棱镜的折射面AB 上，且nvni。若以单色的扩展光源照射分界面 AB时，则从图（

13、九）可以看出： 入射角为n /2的光线I将掠射到AB界面而折射进入三棱镜内。显然，其折射角 ic应为临界角，因而满足关系式sin ic_ _nni当光线I射到AC面，再经折射而进入空气时，设在 AC面上的入射角为书,折射角，则有除掠入射光线I外，其他光线例如光线n在 AB面上的入射角均小于n /2,因此 经三棱镜折射最后进入空气时，都在光线I，的左侧.当用望远镜对准出射光方 向观察时，视场中将看到以光线I，为分界线的明暗半荫视场，如图（九）所示.由图（十）可以看出，当三棱镜的棱镜角 A大于ic时，A、ic和角书有如下关系A=i c+由式、式和式消去ic和书后可得电22n=sinAjni sin

14、 护一cosA*sin AA图如果棱镜角A=90o，则上式简化为n = Jrn因此，当直角棱镜的折射率 ni为已知时，测出W角后即可计算出待测物质的折射率n。上述测定折射率的方法称为掠入射法，是基于全反射原理。 （如果AIc 时，式将为A=i c- 、式将为n = si nAn, - si n2 + cosA*si n，观察至U的 现象一样）实验内容及步骤1. 按仪器介绍中分光计的调节方法将分光计调节好，即应用自准直方 法将望远镜对无穷远调焦，并使其光轴与仪器的转轴垂直；调节棱镜的主截 面也和仪器的转轴垂直。2. 按图（）所示，将水滴一二滴在等边三棱镜的光面AB的一端上，棱镜顶角A为60。角，

15、并用毛玻璃的毛面 从滴有水的这一端沿AB面轻轻地%三棱覆ni毛面C图AB用望远镜观察到的 半荫视场推进并与AB面相合，使液体在两者接触面间形成一均匀液层，不能含有气 泡，然后置于分光计棱镜台上（注意棱镜 ABC的放置方法）。3. 点亮钠灯照亮毛玻璃屏，将它放在折射棱 B的附近，先用眼睛在出射光 的方向观察半荫视场。旋转棱镜台，改变光源和棱镜的相对方位，使半荫视 场的分界线位于棱镜台近中心处（为什么？），将棱镜台固定。转动望远镜， 使望远镜叉丝的竖直准线对准明暗分界线，记下两游标读数（ Vi, V2）,将望 远镜转离明暗分界线再转回，重复测量几次，取其平均值。4. 再次转动望远镜，利用自准直的调节方法，测出 AC面的法线方向（即 使望远镜的光轴垂直于 AC面，也就是绿色十字叉丝与望远镜测量叉丝重 合），记下两游标读数（Vi/，V2/）。重复测量几次，取其平均值。由此可得 Js-Vi） +（V2-V2）25. 将W值代入式，即