崔振杰，張斯琪，李曉蕾，王世燕

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島　266580)

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一種基于分光計(jì)測(cè)量透明液體折射率的新方法

崔振杰，張斯琪，李曉蕾，王世燕*

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島266580)

提出了一種測(cè)量透明液體折射率的新方法。該方法基于分光計(jì)的拓展性應(yīng)用，利用激光準(zhǔn)直的特點(diǎn)并結(jié)合自制的液體容器，實(shí)現(xiàn)了液體折射率的快速準(zhǔn)確測(cè)量。

分光計(jì);半導(dǎo)體激光器;液體折射率

分光計(jì)測(cè)量法作為一種簡單精確的測(cè)量方法，被廣泛地應(yīng)用在物理及化學(xué)量的測(cè)量中。實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)角度的直接測(cè)量，包括反射角、透明物體的折射角、光柵的衍射角等，可以確定與這些角度有關(guān)的物理量如折射率、光波波長、衍射光譜等[1]。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于分光計(jì)測(cè)量透明液體折射率方法。

折射率是物質(zhì)的重要光學(xué)參數(shù)之一。液體折射率通常與液體的濃度有關(guān)，因此通過折射率數(shù)值來判斷樣品的質(zhì)量已成為一種重要的鑒別方法。目前，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中液體折射率的測(cè)量主要有衍射光柵法[2]、掠面入射法[3]、楊氏干涉法[4]和干涉對(duì)比法[5]等等。利用激光準(zhǔn)直的特性并結(jié)合自主設(shè)計(jì)的液體容器，可快速準(zhǔn)確的測(cè)量出液體的折射率。

1　實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)光從一種介質(zhì)斜射入另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射。實(shí)驗(yàn)中將待測(cè)液體置于玻璃容器中，半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光以角φ1入射到玻璃表面上，假設(shè)玻璃的折射率為n0，n0n0待測(cè)液體折射率為n，經(jīng)平板玻璃和液體介質(zhì)多次折射后以φ2出射,如圖1所示。

由折射定律可知：

sinφ1=n0sinθ1=nsinθ2

(1)

nsinθ3=n0sinθ4=sinφ2

(2)

θ2+θ3=90°

(3)

由此可知待測(cè)液體的折射率為：

(4)

2　實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)

由于液體沒有形狀，因此必須放于合適的容器進(jìn)行測(cè)量。首先我們利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的玻璃容器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其尺寸為外長8.85cm，內(nèi)長8.10cm，外寬4.65cm，內(nèi)寬4.00cm。經(jīng)過多次操作發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中無法在望遠(yuǎn)鏡中觀察到折射光線?？紤]到液體容器對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)組對(duì)容器重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作。如圖2所示，以玻璃和水的入射接觸面為例，水的折射率取n=1.33，玻璃的折射率取n0=1.51。以容器俯視圖為標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示，設(shè)折射角θ1所對(duì)應(yīng)的容器邊長為x，容器的內(nèi)寬為d。

圖2　容器俯視分析圖

由折射定律可知：

(5)

當(dāng)折射光線恰好沿容器邊緣出射時(shí)：

(6)

(7)

(8)

3　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(a) 如圖3所示為自制液體容器的俯視圖，首先對(duì)液體容器的各個(gè)面編號(hào)：前方為1，后方為2，右方為3，左方為4。

(b) 利用“鏡外尋像法”快速調(diào)節(jié)分光計(jì)[6-8]使其達(dá)到“自準(zhǔn)直”狀態(tài)，使激光器發(fā)出的光準(zhǔn)直穿過望遠(yuǎn)鏡的鏡筒，未放器皿前讀出刻度盤示數(shù)為θ3。

圖3　自制容器俯視圖

注：由于我們用面1、面2來測(cè)量入射角和折射角(詳見以下步驟)，由推導(dǎo)過程可知必須保證其平行。

(d)圖3自制容器俯視圖調(diào)節(jié)分光計(jì)使其達(dá)水平狀態(tài)。正方體玻璃儀器與分光計(jì)垂直放置，則可在望遠(yuǎn)鏡中看到十字叉絲的像與分劃板上方的“十字”重合(此時(shí)觀察方向?yàn)槊?的法線方向)，讀出此時(shí)的刻度盤示數(shù)為θ4，則|θ3-θ4|=φ1。

(a)

(b)圖4　液體折射率測(cè)量實(shí)驗(yàn)圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用JJY型分光計(jì)和532nm綠光半導(dǎo)體激光器，對(duì)20 ℃水和酒精的折射率進(jìn)行多次測(cè)量，結(jié)果如下：

表1　水的折射率測(cè)量數(shù)據(jù)(溫度:20 ℃)

表2　酒精的折射率測(cè)量數(shù)據(jù)(溫度:20 ℃)

由測(cè)量結(jié)果可以看出，測(cè)得的水和酒精的折射率接近理論值，準(zhǔn)確度高。與傳統(tǒng)的測(cè)量液體折射率的方法相比，該方法操作簡單、誤差小，實(shí)驗(yàn)過程無污染，充分證明了該方法的可行性、科學(xué)性。

5　結(jié)　　論

詳細(xì)介紹了利用分光計(jì)測(cè)量液體折射率的一種新方法。將透明液體折射率的測(cè)量轉(zhuǎn)化為光學(xué)現(xiàn)象中入射角、折射角的測(cè)量，使測(cè)量對(duì)象更加直觀、容易控制，使操作更加簡單方便。經(jīng)過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)操作，驗(yàn)證了分光計(jì)測(cè)量液體折射率的科學(xué)性和可行性；分析出實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與儀器形狀的定量關(guān)系，使得實(shí)驗(yàn)更加科學(xué)準(zhǔn)確，同時(shí)鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的測(cè)量方法可以應(yīng)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，作為設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

[1]李書光,張亞萍,朱海豐,等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2012：130-142.

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A New Method for Measuring Liquid RefractiveIndexBasedonSpectrometer

CUI Zhen-jie,ZHANG Si-qi,LI Xiao-lei,WANG Shi-yan

(China University of Petroleum,Shandong Qingdao266500)

Itcomesupwithanewmethodformeasuringtherefractiveindexoftransparentliquid.Themethodisbasedontheexpandingapplicationofspectrometer,whichtakingadvantageofthecollimatingcharacterofsemiconductorlasersourceandusingtheself-designedcontainer.Theresultsshowthatitcanquicklyandaccuratelymeasuretherefractiveindexofliquid.

spectrometer；semiconductorlaser；liquidrefractiveindex

2016-03-15

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(15CX02077A) ；中國石油大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目(JYA2014 02)；中國石油大學(xué)(華東)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助(20151334)

1007-2934(2016)04-0067-03

O435.1

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.022

*通訊聯(lián)系人