实验九 用掠射法测定透明介质的折射率

1、实验九 用掠射法测定透明介质的折射率目的掌握用掠射法测定液体的折射率。了解阿贝折射仪的工作原理，熟悉其使用方法。实验内容练习一 用掠入射法测定液体折射率仪器和用具： 分光仪，三棱镜（两块），单色光源（钠灯），等待测液体（水、酒精），读数小灯，毛玻璃。原理将折射率为n的待测物质放在已知折射率为n1的直角棱镜的折射面AB上，且（nn1）。若以单色的扩展光源照射分界面AB，则从图41可以看出：入射角为/2的光线将掠射到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，应满足关系 （41）当光线射到AC面，再经折射而进入空气时，设在AC面上的入射角为，折射角为，则有 （42）除入射光线外

2、，其他光线如光线在AB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为分界线的明暗半荫视场，如图41所示。由图42可以看出，当三棱镜的棱镜角A大于角ic时，A、ic和角有如下关系 （43）将（41），（42）和（43）消去ic和后可得： （44）若棱镜角A等于90度，则上式简化为： （45）因此，当直角棱镜的折射率n1为已知时，测出角后便可计算出待物质的折射率n。上述测定折射率的方法称为掠入射法，是应用全反射原理。（问：如果Aic时，式（43），（44）将有何变化？观察的现象有何变化？）测量（）按实验三有关内容将分

3、光仪调节好，即应用自准直法将望远镜对无穷远调焦，并使其光轴垂直于仪器的转轴；调节棱镜的主截面也和仪器的转轴垂直。（）按图43所示，将待测液体滴一、二滴在直角棱镜的AB面上，用90度角作为棱镜顶角A，并用另一辅助棱镜（ABC）的一个表面AB与AB面相合，使液体在两棱镜接触面间形成一均匀液层，然后置于分光仪载物台上，（注意棱镜的放置方法）。（问:可否不用辅助棱镜？） 1直角棱镜 2辅助棱镜 3钠灯 4毛玻璃屏 5待测液体薄膜 6用望远镜观察到的半荫视场（）点亮钠灯照亮毛玻璃屏4，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。旋转载物台，改变光源和棱镜的相对方位，使半荫视场的分界线位于

4、载物台近中心处，将载物台固定。转动望远镜，使望远镜叉丝对准分界线，记下两游标读数（V1，V2），重复测量几次，分别取平均值。（）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），记下两游标读数（V1,V2）。重复测量几次，取其平均值。由此可得 1/2(V1V1)（V2V2）（）将值代入（45）式，即得如果棱镜角A不等于90度，则将值代入（44）式计算出。（）依同样方法，重复以上步骤，测定另一种液体的折射率。注意事项：（）注意观察看到的现象是否准确？（如何判断?）（）辅助棱镜ABC的作用是让较多的光线能投射出到液层和折射棱镜的面AB上，使观察到的分界线更

5、为清楚。两棱镜之间的液层一定要均匀，不能有气泡。滴入液体不宜过多，避免大量液体渗漏在仪器上。（）改换另一种被测液体时，必须将棱镜擦拭干净。练习二 用阿贝折射计测定透明介质的折射率原理和仪器描述阿贝折射仪是测量固体和液体折射率的常用仪器。测量范围为1.31.7，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。还可测量出不同温度时的折射率。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。阿贝折射仪也是根据全反射原理设计的。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ABC和照明棱镜ABC都是直角棱镜，由重火石玻璃制成。照明棱镜的AB面经过磨砂，使透射式测量

6、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。透射式测量光路如图44（）所示。将折射率为的待测物质放在折射率为n1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nn1，这时与图41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，即可应用（44）式计算出n。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，则光路可采用如图44（）所示的透射式测量，对于加工只有一个抛光面的固体样品。则可采用图44（）所示的反射式测量。用光源S（一般为自

7、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、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，这是由于照射在AB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，仍44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AB面紧密的叠合在一起，中间添加一层接触液，形成均匀的液膜，其折射率应大于样品的折射率（例如溴代萘，nD=1.

8、66），当折射率大于1.66时。可用二碘甲烷（nD=1.74）进行测量，可以证明接触液的加入，并不影响计算公式44的适用性。阿贝折射仪的光学系统由两部分组成：望远系统与读数系统如图45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放大成像后为观察者所观察。阿米西消色差棱镜组由两个完全相同的直视棱镜组成，每一个直视棱镜又由三个分光棱镜复合而成。棱镜和的介质相同，与棱镜互为倒置，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）、

9、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555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，以抵消由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。从消色差棱镜组转动的角度，对照仪器的附表，便可查得样品的平均色散nFnC。读数系统：光线由小反光镜14经毛玻璃13照明刻度盘12，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、8放大成像后为观察者所观察。国产型阿贝折射仪的外形如图47所示，

10、图中13为阿贝棱镜组，下面的棱镜为辅助照明棱镜，上面的棱镜为折射棱镜，它们整个连结在一个可以旋转的臂上。当旋转手轮2时棱镜组同时转动，可使明暗分界线位于视场中央，并与测量叉丝的交点对准。视场里的分度标尺上有两行刻度，一行可以直读折射率的数值，另一行刻有百分浓度，作为测定糖溶液浓度的专用标尺。测量（一）液体折射率的测定）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。（）调节两反光镜4及18，使两镜筒视场明亮。（）旋转手轮2使棱镜组13转动，这是在望远镜视场中可观察到明暗分界线上下

11、移动，同时旋转阿米西棱镜手轮10，使视场中除黑白二色外无其它颜色，当视场中无色且分界线在十字线叉丝中心时，观察读数显微镜视场右边所指示的刻度值，即为待测液体的折射率n的数值。如图48所示，n=1.330。（4）依同样的方法，重复上述步骤13次，测量另一中待测液体的折射率，并与方法一测得的结果比较，分析测量误差。二、固体折射率的测定自行设计实验步骤，测定玻璃样品的折射率。注意事项：（）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。（）必须对阿贝折射仪进行读数校正。通常，最简便的方法是用蒸馏水来校正，因蒸馏水在一定温度（20摄氏度）和一定光源（钠光589.3纳米）照射下，它的折射率为已知值，n水=1.3330。为此，只要滴几滴蒸馏水到进光棱镜上，调节并读取其折射率数值，如不相符，可微动仪器上的校正螺旋，使之完全相同。这样，折射仪的读数就得到校正。如使用仪器上的标准玻璃块（nD=1.5172）进行校正，则应根据测定固体折射率的方法，在标准玻璃块与折射率棱镜之间滴入高折射率的接触液，按上述方法进行校正。（）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