多种液体折射率测定方法.doc

液体折射率的几种方法探究Sut.SchoolofScience,应用物理学0901
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液体折射率的几种方法探究
2011
沈阳工业大学理学院
何军

何军

2011/5/21

液体折射率的几种方法探究
[摘要]介绍了测量液体折射率的几种方法，并且结合实际需要评价各种方法。
[关键词]折射率；掠入射法；视深法；全折射法；分光计；麦克尔逊干涉仪
引言
光的折射定律告诉我们,当光从一种介质进入另一种介质时,光线的传播方向会发生改变,而入射角的正弦和折射角的正弦值之比为一常数,该规律适用于任何介质,但对于不同的介质,相应的常数的值是不一样的,且只和介质本身有关,我们把这个常数叫做介质的折射率。在现今的科学研究中,人们对折射率的研究不只停留在定性的了解,更趋于定量的研究。在现实生活中,常用到折射率来解决实际问题,例如:通过折射率的测量来鉴别牛奶是否是天然的,通过折射率来鉴别宝石的真伪,等等。
随着科学的发展,人们发现折射率会影响物质的各种物理性质,而在其他领域,往往会用得到与折射率相关的其他物理量,在光学和材料领域中,光学介质的折射率的研究价值越来越高。因此,人们需要测量各种介质的折射率,其中液体折射率的测量就是现代科学领域研究的一个重要课题。
在普通物理实验中,测量液体的折射率方法很多如偏振法,折射法等等,这里分别介绍几种测量液体折射率的方法，它们有的操作简便、仪器要求简单，有的操作精度要求高、实验结果也相对精确，有的对某些精密实验进行了改进、使得操作简单的同时获取精确结果。
一、掠入射法光从一种介质进入另一种介质时会发生折射现象，当入射角为某一极值（掠射）时，会产生一特殊的光学现象，能同时看到有折射光和无折射光的现象，用望远镜看到的视场是半明半暗，中间有明显的明暗分界线。利用这现象就可以实现固体和液体折射率的测量。

将折射率为n的待测液体，放在已知折射率为n1（n＜n1）的直角棱镜的折射面AB上，若以单色的扩展光源照射分界面AB，则入射角为π/2的光线Ⅰ将掠射到AB界面而折射进入三棱镜内，其折射角ic应为临界角。从图1-2可以看出应满足关系

当光线Ⅰ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

除入射光线Ⅰ外，其他光线如光线Ⅱ在AB面上的入射角均小于π/2，因此，经三棱镜折射最后进入空气时，都在光线Ⅰ＇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Ⅰ＇为分界线的明暗半视场，如图所示。
当三棱镜的棱镜角A大于角ic时，由图1—3可以看出，A、ic和角φ有如下关系

可得
评价：此方法测得实验结果精确度适合一般光学实验之用，但是操作要求精确，光路调制有一定难度，实验者主观误差会很大程度影响到实验效果。因而，此实验总体来说实验难度还是挺大的。

二、视深法
实验原理：
如图2-1所示,设S为水底的一点光源,由S发出图2-1的垂直于水面NN′的一条光线由O射出进入人的眼睛;另一条光线由S射向水面O′点折射到空气中也进入人眼中(由于眼睛瞳孔很小,实验中入射角、折射角都极小),进入人眼中的两条折射线的反向延长线交于S′点,即为人眼看到的水底部S点在水中的像.S点到水面O点的距离是S点在水中的实
际深度,S′点到水面O点的距离即是S点的视觉深度.
由几何关系知
,tanr=O′O

所以
又因为i、r均很小,则tani≈sini,
tanr≈sinr,

实验器材：量筒或烧杯一个(无色透明薄壁的柱形容器也可),大头针二枚、直尺一把.
实验步骤：
1.将量筒口向上放置在水平
桌面上,把作为物的大头针S放在量筒底部并紧靠筒壁,如图2-2所示.
2.将水缓慢注入量筒一定的深度SO.
3.将另一枚大头针在壁外上下移动,直到从量筒正上方观察到两枚大头针尖端对准为止,即S′和S的像没有显著的视差.
4.记下大头针S′的位置,测量从水面O到量筒底
部的距离OS即为实际深度,再测量水面O到S′的距离OS′即为视觉深度.
5.用不同深度的水重复实验,计算水的折射率的平均值.
四、实验数据记录
次数实深视深n平均值123
评价：此方法测定的液体折射率精度要求不如现代光学实验，但是操作简单，所需实验器材较少，适合学生低精度测定，并且在实验装置具有很大的课改进行空间，适合学生探索。

三、全折射法
实验原理:光的全反射公式n=1/sinC。
实验器材:密度小于被测液体密度的轻塞,大头针,刻度尺。
实验步骤：在轻塞的圆心处插上一枚大头针,让此塞浮在被测透明液体的液面上。调整大头针插入轻塞的深度,使它露在外面的长度为h,如图1所示。这时从液面上方的各个方向向液体中看,恰好看不到大头针,利用测得的数据r和h即可求出该透明液体的折射率。

解析:如图2所示,从液面上方恰