韓 也

(長春大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)中心，長春 130022)

0 引言

阿貝數(shù)是德國物理學(xué)家恩斯特·阿貝發(fā)明的物理學(xué)數(shù)，也稱“V-數(shù)”，用來衡量介質(zhì)的光線色散程度。阿貝數(shù)n表示透明物質(zhì)色散能力的反比例指數(shù)，是對控制光譜的材料能力的一種測量，數(shù)值越小色散現(xiàn)象越厲害。眼用光學(xué)鏡片材料的阿貝數(shù)一般在30到60之間。阿貝數(shù)越高，戴眼鏡者越不容易察覺到鏡片周邊產(chǎn)生的色散現(xiàn)象(橫向色差)。同時阿貝數(shù)還可以用于計(jì)算軸向色差和橫向色差［1］。

石英玻璃的阿貝數(shù)n(色散率)67.618;光學(xué)玻璃的阿貝數(shù):n≥50的玻璃為冕玻璃，用K表示;n＜50為火石玻璃，用F表示。冕玻璃屬于堿硅酸鹽玻璃。

總的來說有這樣一個規(guī)律:材料的折射率越大，色散越厲害，即阿貝數(shù)越低。阿貝數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中消除色差經(jīng)常使用的參數(shù)，也是透光材料重要性能之一，在光通信中，光纖的色散主要有材料色散、波導(dǎo)色散、偏振模色散和模間色散四種。光纖的材料色散是評價(jià)光纖材料的重要指標(biāo)之一。因此，確定透光材料的阿貝數(shù)是一個很重要的工作。

1 用分光計(jì)測量阿貝數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理

在光學(xué)玻璃研究中，為了定量地表示的光學(xué)性質(zhì)，首先必須確定某些特殊譜線的波長作為標(biāo)準(zhǔn)波長，在可見光部分中，玻璃的折射率和色散的測定值通常采用表1所列的波長。

表1 標(biāo)準(zhǔn)光譜的波長

通過測量有關(guān)的折射率，即可獲得阿貝數(shù)。本文主要介紹在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，使用分光計(jì)間接測量光學(xué)玻璃阿貝數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。

在上述波長下測得的玻璃折射率分別用 nC，nD，nF……，表示［2］。

測量阿貝數(shù)的儀器種類和方法很多，但是基本測量原理不變，即與材料折射率有直接的關(guān)系，公式如下:

2 實(shí)驗(yàn)儀器

2.1 光源

鈉光燈和汞燈，實(shí)驗(yàn)室常用的鈉燈和汞燈作為單色光源，它們的工作原理都是以金屬Na或Hg蒸氣在強(qiáng)電場中發(fā)生的游離放電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的弧光放電燈。氫燈，它是一種高壓氣體放電光源，它的兩個玻璃管中間用彎曲的毛細(xì)管連通，管內(nèi)充氣。在管子兩端加上高電壓后，氫氣放電發(fā)出粉紅色的光。在可見光范圍內(nèi)，氫燈發(fā)射的原子光譜線主要有三條［3］。

2.2 JJY －1＇型分光計(jì);

2.3 表面光亮規(guī)則形狀玻璃材料(可以使用實(shí)驗(yàn)室的三棱鏡)

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 調(diào)整分光計(jì):分光計(jì)望遠(yuǎn)鏡聚焦無窮遠(yuǎn)，望遠(yuǎn)鏡光軸垂直儀器轉(zhuǎn)軸，平行光管與望遠(yuǎn)鏡等高同軸，并發(fā)出平行光［4］。

圖1 測量頂角A原理圖

圖2 測量最小偏向角原理圖

3.3 分別測量同一材料在三種標(biāo)準(zhǔn)光譜(分別是D，C，F(xiàn)光)的經(jīng)過玻璃的最小偏向角δmin，各采集三組測量數(shù)據(jù)，如圖2所示。

3.4 利用公式

分別計(jì)算折射率 nC，nD，nF。

3.5 將nC，nD，nF代入(1)式，求出阿貝數(shù)的最佳值。

3.6 用不確定度評價(jià)測量結(jié)果。

4 測量結(jié)果及討論

4.1 本實(shí)驗(yàn)使用多元素組合光源，規(guī)則形狀的光學(xué)玻璃為三棱鏡，測量其有關(guān)數(shù)據(jù)，見表2。

表2 測量 nC，nD，nF數(shù)據(jù)表

4.2 計(jì)算與分析

由于本實(shí)驗(yàn)所用玻璃為等邊三棱鏡，其頂角為60°00＇根據(jù)(2)式計(jì)算三種單色光折射率，分別得到:

5 測量結(jié)果及討論

上述測量結(jié)果很準(zhǔn)確，表明本實(shí)驗(yàn)室所用的光學(xué)玻璃三棱鏡，屬于硅酸鹽玻璃材料范圍，色散率適中，從而說明本實(shí)驗(yàn)適應(yīng)于實(shí)際測量，可以在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開設(shè)。

分光計(jì)測量阿貝數(shù)的實(shí)驗(yàn)，是對光學(xué)材料知識和光學(xué)儀器綜合運(yùn)用到的一種新嘗試，即拓寬了學(xué)生靈活運(yùn)用測量儀器的思路，又為光學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。從教學(xué)效果來看，確實(shí)啟迪和鍛煉了學(xué)生實(shí)驗(yàn)方面的技能和方法。

教學(xué)的實(shí)質(zhì)是培養(yǎng)學(xué)生的探究和實(shí)踐能力，教育不僅僅是向?qū)W生傳授書本上的知識，其本質(zhì)目的是培養(yǎng)學(xué)生對新事物的探索意識和創(chuàng)造能力，愛因斯坦曾說過:“提出一個問題往往比解決一個問題更重要”［5］。本實(shí)驗(yàn)很容易引起學(xué)生的興趣，也可以為學(xué)生提共關(guān)于分光計(jì)應(yīng)用方面的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目。作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目，可以先提出測量目標(biāo)，提供實(shí)驗(yàn)儀器，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、大膽假設(shè)、努力探索，認(rèn)真設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探尋新的實(shí)驗(yàn)方法。

［1］馬眷榮.玻璃辭典［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］趙彥釗，殷海榮.玻璃工藝學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［3］史智平.光源特性研究與使用［J］.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011(2):14.

［4］朱莉，傅志雄.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.長春:吉林人民出版社，2008.

［5］藍(lán)嵐翎.高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)方案探討［J］.湖北廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(11):127-128.