張鳳云，曹 文，張利巍

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.黑龍江省高校校企共建測試計量技術(shù)及儀器儀表工程研發(fā)中心，黑龍江 大慶 163318）

折射率是表征物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)的物理量，它影響物質(zhì)的各種物理特性，而在其他各個領(lǐng)域的研究中往往會用到與它相關(guān)的其他物理量，特別是在光學(xué)和材料領(lǐng)域。因此，人們需要測量各種介質(zhì)的折射率，其中液體折射率的測量就是現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域研究的一個重要課題。測量液體折射率的方法很多，文章中嘗試采用幾種不同的光學(xué)方法測量液體的折射率，包括牛頓環(huán)法、劈尖干涉實驗法、邁克爾遜干涉儀、利用分光計和棱鏡的折射極限法，進而分析比較實驗結(jié)果討論各種方法的優(yōu)缺點。這樣在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，學(xué)生可以根據(jù)現(xiàn)有的實驗設(shè)備選用不同的實驗方法，從而開拓視野，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維。

1 實驗原理

1.1 用邁克爾遜干涉儀測量液體折射率

如圖1所示，先將兩個空的自制的玻璃槽按圖的位置插入，先用激光調(diào)節(jié)邁克爾遜干涉儀[1－2]調(diào)出清晰地干涉條紋，再換白光調(diào)節(jié)出白光干涉的彩色條紋。此時能確定邁克爾遜干涉儀兩臂等光程點，讀出鏡 的位置。然后將待測液體滴入一個玻璃槽中，另一為空的玻璃槽，此時兩臂光程不再相等，干涉條紋消失。繼續(xù)移動動鏡使干涉條紋再次出現(xiàn)，此時的條紋比之前的變細，變淡，讀出鏡M1的位置。則鏡所移動的距離等于插入玻璃槽使兩束光產(chǎn)生的光程差的一半，因此可知折射率為：

圖1 邁克爾遜干涉儀法

1.2 牛頓環(huán)法測量液體折射率

當(dāng)平行的單色光垂直入射牛頓環(huán)時，入射光將平面玻璃與平凸透鏡之間形成空氣薄膜上下兩表面依次反射，產(chǎn)生具有一定光程差的兩束相干光。因此形成以接觸點為中心的一系列明暗交替的同心圓環(huán)即牛頓環(huán)。調(diào)出清晰的干涉條紋后，先用讀數(shù)顯微鏡測量此時干涉條紋的直徑。然后在牛頓環(huán)裝置中滴入待測液體，使平面玻璃與平凸透鏡之間形成一層液體薄膜，這時由于光程差增加，反襯度下降，干涉條紋變淡，沒有之前的清晰，條紋半徑變小，再測液體薄膜時干涉條紋的直徑。通過牛頓環(huán)裝置[1]中空氣膜和待測液體膜的干涉條紋直徑與液體折射率的關(guān)系公式可求出液體的折射率。

1.3 劈尖干涉實驗法測量液體折射率

讓平行的單色光垂直入射劈尖，入射光將兩塊平面玻璃間形成的空氣薄膜的上下兩表面依次反射，產(chǎn)生具有一定光程差的兩束相干光。因此形成平行于交棱的一組明暗相間、等寬、等間距的直條紋。調(diào)出清晰的干涉條紋后，先測量此時干涉條紋的條紋寬度；再用滴管在劈尖裝置中滴入待測液體，使兩塊平面玻璃間形成一層液體薄膜，此時條紋變細，變得雖然不如之前清晰但很容易測量，再測量液體薄膜時干涉條紋的條紋寬度。通過劈尖裝置[2]中空氣膜和待測液體膜的干涉條紋寬度與液體折射率的關(guān)系公式可求出液體的折射率。

1.4 用折射極限法測定液體折射率

采用兩塊棱鏡，一個是輔助棱鏡，一個是直角棱鏡，他們之間固定待測液體。如圖2所示，以單色的擴展光源照射分界面AB，則入射角為90°的光線1將掠射到AB界面而折射進入三棱鏡內(nèi)，其折射角i′為臨界角，根據(jù)光的折射定律當(dāng)光線射到AC面折射進入空氣中，則滿足sinφ＝n1sinφ′其他光線如2光線在AB面上的入射角均小于90°，因此經(jīng)棱鏡折射后進入空氣時都在光線1的左側(cè)，在望遠鏡視場中將看到以光線1為分界線的明暗半蔭視場。對于三棱鏡的棱鏡角等于90°，可以推導(dǎo)出棱鏡的折射率n1已知，測出φ[3]即可計算出折射率。

2 實驗主要儀器

鈉光燈、讀書顯微鏡、滴管、臺燈、毛玻璃片、牛頓環(huán)裝置、劈尖裝置、邁克爾遜干涉儀、He－Ne激光器、自制玻璃槽 、分光計 、輔助棱鏡 、直角棱鏡等。

3 實驗結(jié)果

在溫度為16℃的環(huán)境下，以純水和濃度為99.8%的乙醇作為待測液體，各種方法測得的待測液體折射率如表1所示。然后與查閱資料得到此溫度下純水和乙醇的折射率的理論值分別為1.333 33[4]和1.362 10比較計算得到相對誤差。

4 實驗結(jié)論

分析比較上面的實驗結(jié)果可見，各種不同的方法測得的液體折射率與理論值吻合很好，而且每種方法都具有一定的可操作性。同時，通過比較分析知道每種方法各有其優(yōu)點和缺點如表2所示，這樣我們在具體測量時可以根據(jù)具體需要合理選擇合適的方法。希望可以把此實驗設(shè)計為綜合性實驗[5－7]，充實實驗內(nèi)容。使學(xué)生可以根據(jù)現(xiàn)有的實驗設(shè)備選用不同的實驗方法，從而開拓視野，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維。

表2 各種方法的優(yōu)點和缺點

[1]姚啟均.光學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]張穎.測液體折射率實驗的研究[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報，2008（1）：120－122.

[3]唐小村穎.分光計設(shè)計性實驗研究[J].物理與工程，2012（2）：51－52.

[4]李景鎮(zhèn).光學(xué)手冊[M].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1986.

[5]王小懷，李卓凡，龐懷.邁克耳孫干涉儀應(yīng)用功能的擴展[J].物理實驗，2012（3）：22－25.

[6]江影，邱淑霞，龐寧.綜合設(shè)計性物理實驗項目開發(fā)與指導(dǎo)方法的探究[J].大學(xué)物理實驗，2012（6）：116－118.