花一帆

【摘 要】本實(shí)驗(yàn)采用一種新型的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)量液體的折射率。實(shí)驗(yàn)通過(guò)現(xiàn)有的光速測(cè)定儀，通過(guò)改進(jìn)儀器的光路，在光路中放上待測(cè)液體，使光通過(guò)有介質(zhì)和無(wú)介制的光程相位差相同。相位差相同所以它們的光程差相同，并利用公式得出液體的折射率。這樣可以在不接觸液體的情況下測(cè)量水的折射率。

【關(guān)鍵詞】光速測(cè)定儀；折射率；水

1 研究的背景及意義

折射率是光學(xué)介質(zhì)的一個(gè)重要的物理參數(shù)，反映了物質(zhì)的光學(xué)基本性質(zhì)。液體的折射率與其濃度存在著一定的關(guān)系，如果能建立起兩者之間的經(jīng)驗(yàn)公式，則已知其中的任意一個(gè)量就可以計(jì)算出另一個(gè)量，這在生產(chǎn)部門和中學(xué)及高校實(shí)驗(yàn)中是很有實(shí)用價(jià)值的。目前測(cè)量透明介質(zhì)折射率的方法和儀器很多，普遍采用的是分光計(jì)法，但分光計(jì)的調(diào)整過(guò)于復(fù)雜，且操作不便。本文采用一種新的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用光速測(cè)定儀，通過(guò)改進(jìn)儀器的光路，以達(dá)到測(cè)量水的折射率的目的。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 研究目標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)是利用水介質(zhì)放入其中一個(gè)光路中改變?cè)摴獬虖亩鴾y(cè)出水的折射率。

2.2 主要內(nèi)容

本實(shí)驗(yàn)是利用激光束通過(guò)聲光移頻器，獲得具有較小頻差的兩束光，它們迭加則得到光拍；利用半透鏡將這束光拍分成兩路，測(cè)量這兩路光拍到達(dá)同一空間位置的光程差和光拍的頻率從而測(cè)得光速。在實(shí)驗(yàn)中將一光路上放上待測(cè)介質(zhì)，由于光程被改變要達(dá)到原來(lái)的狀態(tài)，即兩光拍相位差2π，必定要移動(dòng)可滑動(dòng)滑塊B，當(dāng)兩束光程差又為2π時(shí)示波器上的兩波行再次重合。根據(jù)公式：

即可測(cè)算出水的折射率。

3 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)光程定義，當(dāng)真空中傳播的光通過(guò)折射率>1的透明介質(zhì)時(shí)，其光程將增加。設(shè)透明介質(zhì)沿光路方向長(zhǎng)度為d，未將其放入光路中時(shí)，光在這段距離d內(nèi)的光程為（c為光速）。若將透明介質(zhì)置于光路中，則光在介質(zhì)中的光程為vd=cnd。因此，透明介質(zhì)加入前后的光程差為cd（n-1）（n為折射率），相當(dāng)于光在真空中傳播d（n-1）的光程，如圖1所示。

光速c=s/Δt=fλ′λ可以方便地測(cè)得，但光頻f大約104Hz，我們沒(méi)有那樣的頻率計(jì)。如果使f變得很低，例如30MHz，那么波長(zhǎng)約為10m。這種測(cè)量方法是十分方便地。這種使光頻“變低”的方法就是所謂“光拍頻法”，簡(jiǎn)稱“光拍法”。本實(shí)驗(yàn)是利用激光束通過(guò)聲光移頻器，獲得具有較小頻差的兩束光，它們迭加則得到光拍，利用半透鏡將這束光拍分成兩路，測(cè)量這兩路光拍到達(dá)同一空間位置的光程差（當(dāng)相位差為2π時(shí)光程差等于光拍的波長(zhǎng)f）和光拍的頻率從而測(cè)得光速。在實(shí)驗(yàn)中將一光路上放上待測(cè)介質(zhì)如圖2所示，由于光程被改變要達(dá)到原來(lái)的狀態(tài)，即兩光拍相位差2π，必定要移動(dòng)可滑動(dòng)滑塊B，當(dāng)兩束光程差又為2π時(shí)示波器上的兩波行再次重合。

根據(jù)無(wú)介制和有介質(zhì)時(shí)光程相同可以推得介質(zhì)的折射率為：

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

調(diào)節(jié)好儀器和光線，使遠(yuǎn)光程、近光程的光斑都打在儀器的光敏面上，打開(kāi)斬光器，然后移動(dòng)可移動(dòng)滑塊B，直到示波器上兩光波完全重合，如圖3所示。測(cè)量遠(yuǎn)光程中的e，f段數(shù)據(jù)。繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，在遠(yuǎn)光程中放上裝滿水的玻璃管，如圖4所示，此時(shí)由于光線穿過(guò)介質(zhì)而發(fā)生了改變，再次調(diào)節(jié)可移動(dòng)滑塊B，直到兩光波再次完全重合，如圖3所示。

在測(cè)定一些液體的折射率的時(shí)候，一些液體可能有毒，不小心沾染到液體會(huì)對(duì)人體造成危害。使用本實(shí)驗(yàn)的方法可以避免危害?？梢詮V泛的用在化工、醫(yī)藥、食品、石油等工業(yè)部門及中學(xué)、高校用于測(cè)量液體折射率的實(shí)驗(yàn)中。

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[責(zé)任編輯：湯靜]