实验二透明介质折射率的测定

1、图2（a） WZS-1型阿贝折射仪结构图GB8878185555334563BT9125XW创作者：凤呜大王*实验二透明介质折射率的测定折射率是光学材料的重要参数之一，它与材料的温度、 湿度、浓度等基本物理量有一定的关系，在科研和生产实际 中，常通过测量折射率来获得材料的相关信息.本实验用掠 入射法测定液体折射率，用光的折射法测固体折射率.实验目的1- 了解阿贝折射仪的工作原理，熟悉其使用方法;2. 用掠入射法测定液 体的折射率；3. 用像的视高法测固 体的折射率.实验仪器阿贝折射仪，移测显微 镜，钠灯，玻璃砖，水、 酒精等待测液体.阿贝折射仪是测量固1反光镜；6阿米西棱镜于轮（色散调节于轮：

2、7色散值刻度圈: 8目镜：10棱镜锁紧于柄：11棱镜组：13温度计座：14底座:15折射率刻度调节手轮（转动棱镜）；16校正螺钉：18圆盘组=19小反光镜：20读数镜筒：21望远镜筒体和液体折射率的常用仪器，测量范圉为131.7,可以直接 读出折射率的值，操作简便，测量比较准确，精度为0.0003.测 量液体时所需样品很少，测量固体时对样品的加工要求不高.1 阿贝折射仪的外部结构实验用阿贝折射仪的型号有两种：WZS-1型阿贝折射仪 结构见图21 (a)、2WAJ型阿贝折射仪结构见图2-1 (b).1反光镜：2棱镜座连接转轴：3遮光板：4恒溫器接头：5进光棱镜座: 6色散调节于轮：7色散值刻度圈

3、：8目镜；9盖板：10棱镜锁紧于轮: 11折射标棱镜座：12照明刻度盘聚光镜：13温度汁座：14底座: 15折射率刻度调节于轮：16校正螺钉：17壳体：2阿贝折射仪的光学系统图2-2阿贝折射仪光学结构示意图23阿米西消色差棱镜作编号：GB8878185555334563BT9125XW 作者：凤呜大王*WZS-1型阿贝折射仪的 光学系统曲两部分组成：望远 系统与读数系统如图2-2所 示.望远系统：光线经反射镜1反射进入照明棱镜2及折射棱镜3,待测液体放置在棱镜2 与3之间，经阿米西消色差棱镜组4抵消由于折射棱镜待测 物质所产生的色散，通过物镜5将明暗分界线成像于分划板6 上，再经目镜7和8放大

4、成像后为观察者所观察.阿米西消色差棱镜组山两个完全相同的直视棱镜组成， 每一个直视棱镜乂由三个分光棱镜复合而成，如图2-3所示.棱镜1和3的介质相同，与棱镜2互为倒置，并使钠黄 光（D线）能无偏向地通过，但对波长较长的红光（C线）、波长较短的紫光（F线），因复合棱镜的色散，将产生相应的偏折，其主截面如图2-3所示.消色 差棱镜组通过一个公用的旋钮调节，使之绕望远镜的光轴沿 相反方向同时转动，转动的角度可从读数盘上读出.在平行 于阿贝折射棱镜的主截面内，产生一个随转动角度改变的色 散，色散的方向和数值的大小均可变化，以抵消山于折射棱镜和待测样品产生的色散，使半荫视场 清晰、界线分明.从消色差棱镜

5、组转动的角度，对照仪器的 附表，便可查得样品的平均色散nF-nc读数系统：光线曲小反光镜经毛玻璃照亮刻度盘，经转 向棱镜11及物镜10将刻度成像于分划板9上，再经目镜7,、 8Z放大成像后为观察者所观察.2WAJ型阿贝折射仪的光学系统山山望远系统和读数系 统两部分组成，如图2-4所示。望远系统：光线进入进光棱镜1与折射棱镜2之间有一 微小均匀的间隙，被测液体就放在此空隙内。当光线射入进 光棱镜1时便在磨砂面上产生漫反射，使被测液层内有各种 不同角度的入射光，经折射棱镜2产生一束折射角均大于出 射角度i的光线。111摆动反射镜3将此束光线射入消色散棱 镜组4,此消色散棱镜组是山一对等色散阿米西棱

6、镜组成， 其作用是可获得一可变色散来抵消由于折射棱镜对不同被测 物体所产生的色散。再由望远镜5将此明暗分界线成像于分 划板7±,分划板上有十字分划线，通过H镜8能看到如图 2-5上部分所示的像。读数系统：光线经聚光镜12照明刻度板11 （刻度板与摆 动反射镜3连成一体同时绕刻度中心作回转运动）。通过反射 镜10,读数物镜9,平行棱镜6将刻度板上不同部位折射率 示值成象于分划板7上，如图2-5下部分的像。图2-5阿贝折射仪目镜视场实验原理一、用掠入射法测定液体折射率将折射率为“的待测物质，放在已知折 射率为小(«<«,)的直角棱镜的折射面AB 上，若以单色的扩

7、展光源照射分界面AB,则 入射角为/2的光线1将掠射到AB界面而 折射进入三棱镜内，其折射角L应为临界 角从图2-6可以看出应满足关系： sin ic = n! nx .当光线1射到AC面，再经折射而进入空气时，设在AC面上的入射角为0,折射角为卩，则有:(2-1)除入射光线1夕卜，其他光线如光线2在43面上的入射角 均小于”/2,因此，经三棱镜折射最后进入空气时，都在光线 1'的左侧.当用望远镜对准出射光方向观察时，在视场中将 看到以光线1'为分界线的明暗半荫视场，如图2-6所示.当三棱镜的棱镜角A大于角L时，由图2-4可以看出，A、 匸和角0有如下关系：(2-2)将（2-1

8、）和（2-2）式消去L和若棱镜角A等于90 度，可得(2-3)若棱镜角A不等于90度，可得:(2-4)“ =sin Ajnj sin0 一 cosA sin 卩因此，当直角棱镜的折射率小为已知时，测出©角后便 可计算出待物质的折射率上述测定折射率的方法称为掠入射法，是应用全反射原 理.二、用阿贝折射仪测定透明介质的折射率阿贝折射仪也是根据全反射原理设讣的.它有两种工作 方式，即透射式和反射式.阿贝折射仪中的折射棱镜A3C和 照明棱镜ABC都是直角棱镜，山重火石玻璃制成.照明棱 镜的A B面经过磨砂，使透射式测量作漫射光源用.折射棱 镜的BC面也经过磨砂，供反射式测量作漫反射光源用.透

9、射式测量光路如图2-7 （“）所示.将折射率为"的待 测物质放在折射率为小的直角棱镜的斜面上，其棱角为A, 并用光源S照明.如果介质的折射率n<m,这时与图2-6相同，经棱镜ABC两次折射后，由AC面射出的光束，在望远 镜视场中将观察到半荫视场，明暗分界线就对应于掠面入射 光束，测出AC面上相应的临界出射角卩，即可应用(2-4) 式计算出“.图2-7固体折射率测宦光路图应用阿贝折射仪测定固体折射率时不用照明棱镜对于加 工有两个抛光面的固体样品，则光路可采用图2-7 (方)所示 的透射式测量，对于加工只有一个抛光面的固体样品则可 釆用图2-7 (c)所示的反射式测量.用光源S (

10、般为自然光)照亮折射棱镜上的磨砂面BC, 使之成为一个扩展的平面光源，从面上各点发出的光线1、2 射抵AB面上的E点时，入射角均不相同.其中入射角大于 临界角ic的，都发生在全反射后再由AC面射出，同样，在 望远镜对准1'观察时，亦可看到半荫视场，只是明暗分布恰 与透射光的视场分布相反，其临界出射角©为最大，而且视 场中明暗的对比也不如透射光明显，这是山于照射在面上 那些小于临界角的光线，也会在AB面上产生部分的反射.测 出AC面上的临界出射角0,仍(2-4)式，计算待测固体的折射率.测定时，将待测样品的抛光面与折射棱镜A3面紧密的叠 合在一起，中间添加一层接触液，形成均匀的

11、液膜，其折射 率应大于样品的折射率（例如a-澳代蔡，/7D=1.66）,当折射 率大于1.66时.可用二碘中烷5d=1.74）进行测量，可以证 明接触液的加入，并不影响计算公式的适用性.三、像的视高法测固体折射率若透过玻璃板垂直观察玻璃板下面的物体，所看到的并 不是该物体的实际位置，而是物体折 射光线在反向延长线上所成的虚象的 位置，该虚像的位置总比物的位置高， 这就是像的视高.如图2-8所示，AA1 为两种介质的分界面，上下两种介质 的折射率分别为m和02,且q 5 设有一物点P，以入射角i A 图2$像的视高法原理图 射于界面上的Q点，经折射后沿QT方向进入上方介质，折 射角为7.沿折射光

12、线QT反方向延长，则和法线PN相较于P点,P即为P的像.在APNQ和AP'NQ中，有:(2-5)(2-6)(2-7)NQ = NPzniNQ = NPf - tan /近轴情况下，即入射角i很小时，有:tan i = sin i. tan/ = sin/联立(2-5)-(2-7)式可得:NP' = NPsmiJsiny(2-8)根据折射定律有:sin sin 了 =厲 /n2(2-9)因此，有：NPTNP = n、g(2-10)透过玻璃板垂直观察物点P,此时入射角i很小，甚至为零,若上方介质为空气(折射率厲=1),则(2-10)式可写为：m=NPINP'(2-11)若待

13、测透明介质为平行平面玻璃板，则由(2-11)式可知， 只要测出平行玻璃板的厚度NP,及像到界面的距离NP,即可 求出玻璃板的折射率.实验内容与步骤一、用阿贝折射仪测定液体的折射率1. 校准：用阿贝折射仪测定液体折射率时，应用蒸谓水 对仪器进行校准.方法是在棱镜的磨砂面上滴上蒸镭水，旋 紧棱镜锁紧手柄，测出液体的温度，根据温度查表，看此温 度下蒸係水的折射率的值no.调节反光镜1和12 (WZS-1 型为1和19),使口镜视场明亮，如图2-9 (a)：调节色散调 节手轮6,直到出现明显的分界线为止，如图2-9 (b)(亮暗 分界线也可能位于义丝中点的下方)；转动折射率刻度调节手 轮15,使读数镜

14、筒的刻度值为n。，然后观察视场中义丝的交 点是否在明暗分界线上，若没有对准，则调节仪器上的校正 螺钉16,使视场中义丝中心对准明暗分界线.即完成校准.2. 转动棱镜锁紧手柄12,打开棱镜，用脱脂棉沾一些无 水酒精将棱镜面轻轻擦干净.在照明棱镜的磨砂面上滴上一 二滴待测液体，旋紧棱镜锁紧手柄，使液膜均匀，无气泡， 并充满视场.目镜屮看到的图到出现明显的分暗分界线经过叉 像亮暗分界不明界线为止丝中心自显.有彩仮条绞图2-9目镜视场3. 调节两反光镜1和12 (WZS-1型为1和19),使目镜 视场明亮.4. 旋转手轮2使棱镜组13转动，在望远镜中观察明暗 分界线上下移动，同时调节色散调节手轮6,直

15、到视场中除黑 白二色外无其它颜色，且亮暗分界线在十字叉丝中心时，如 图2-9(c)所示.视场中所指示的刻度值，即为待测液体的折射 率川的数值.如图2-10所示，图a为WZS-1型阿贝折射仪目 镜视场，读数为“=1.3301；图b为2WAJ型阿贝折射仪tl镜 视场，读数为1.4049.图a图b图2-10阿贝折射仪读数系统示意图5. 依同样的方法，重复上述步骤35次，算出折射率 的平均值并计算标准差，并分析产生误差的原因.二、用视高法测定固体折射率1. 打开照明灯，调节反光镜，使目镜中获得较明亮的视 野，并对目镜进行调焦.2. 在移测显微镜的载物台上描一个点P,未放玻璃样品 时，调节移测显微镜镜筒

16、的高低，使P点的像最清晰，记录 镜筒高度位置的读数hi.3. 将平行板玻璃砖置于载物台的P点上，再调节镜筒的 高低，找出P点清晰的像，记录镜筒的位置的读数h2.4. 在玻璃砖上方描一个点（在载物台上的点的正上方）, 读数显微镜能看清像时镜筒高度的读数h3.则NP = lh-h NP,=lh-h2,带入（2-11）式即可求得玻璃砖的折射率.5. 测3-5组，求平均值，计算标准差.实验数据测量1、像视高法测平行板玻璃折射率实验数据表第门欠1234厂0平均hu (mm)hn (mm)/?3( (mm)nii2、用阿贝折射计测酒精折射率实验数据表实验温度：°C蒸憎水的折射率：（查表）第门欠1

17、2345平均IJi实验注意事项1. 测量工作开始前，注意做好棱镜的清洁工作，以免在工 作面上残留其它物质而影响测量精度.2. 必须对阿贝折射仪进行读数校正.3. 任何物质的折射率都与测量时使用的光波波长和温度 有关，本仪器在消除色散的情况下测得的折射率，其对应光 波的波长久二589.3nm；如需要测量不同温度时的折射率，可 将阿贝折射仪与恒温、测温装置连用，待棱镜组和待测物质 达到所需温度后，方能进行测量.一般均在室温下进行.4. 像的视高法测玻璃板折射率时，要使像点尽量在LI镜视 野的中央，这时入射角很小，满足近似条件，方可有（2-11） 式计算折射率.历史渊源与应用前景测量折射率的方法可大致分为三类：一类是应用折射定 律及反射、全反射定律，通过准确测量角度来求折射率的儿 何光学方法，比如最小偏向角法、掠入射法、全反射法和位 移法等.另一类是利用光通过介质（或山介质反射）后，透射 光的位相变化（或反射光的偏振态变化）来测定折射率的物理光学方法，比如布儒斯特角法、干涉法、椭偏法等.第三类 是利用表面等离子体共振（简称SPR）传感技术测定气体或液 体折射率，它是通过对反射光强的测量，得到折射率的.本 实验介绍用掠入射法测定液体折射率，用光的折射和反射定 律测固体折射率，是最简单的儿何光学测定方法.与中学物理的衔接中学物理课标对