基于光路的玻璃热膨胀系数和折射率温度系数的测量方法

基于光路的玻璃热膨胀系数和折射率温度系数的测量方法

1实验方法的测量一般物理实验不涉及玻璃热膨胀系数和折射温度系数的测量。本文设计了基于水平方向光路的玻璃热膨胀系数和折射率温度系数实验方法，用降温法测量了某玻璃样品的热膨胀系数和折射率温度系数。实验装置结构简单，调节和观察方便。2玻璃的辐射温度分析本实验所用的样品由均匀各向同性的玻璃制成，如图1所示。图中:A是被切去一部分的玻璃圆柱体，上下表面基本平行;B和B′是2块也被切去一部分的圆形玻璃板，每块玻璃板的上下表面不平行。3块玻璃A、B、B′胶合成一体。胶的折射率与玻璃相同，厚度可以忽略不计。激光从上方射向样品，如图2所示。当激光从样品的双层面反射时，在屏上可以看到3个反射光斑，而且中间光斑有干涉条纹。它是由上薄玻璃板的下表面与下薄玻璃板的上表面2束反射光干涉形成的。这2束光的光程差为2L。如果对样品加热，设样品温度升高ΔL=Lβ·ΔT(β为玻璃的热膨胀系数)，干涉条纹移动m1条。则有:2ΔL=m1λ，其中，λ为激光的波长。可得当激光从样品的单层面反射时，在屏上只能看到1个有干涉条纹的光斑，它是由玻璃圆柱体的上下表面反射光的干涉形成的。这2束光的光程差为2nL，温度升高，T引起的光程差变化为其中，r=Δn/ΔT是玻璃的折射率温度系数。设此时的干涉条纹移动了m2条，则有即已知L和n，只要分别测得干涉条纹移动数m1、m2与温度T的关系，由m1-T,m2-T作图，就可以分别求得β和γ。3干涉样式的检测整个实验光路沿着水平方向(见图3)。图3中，He-Ne激光器，光波长为632.8nm;样品:放在大铝块里的玻璃样品;带小孔平板:光束可以通过小孔穿过照射玻璃样品，干涉图样呈现在屏幕右侧，作为观察屏。实验元件布置在光具座上，方便激光正入射到玻璃样品上，只需要稍微调节激光器或玻璃样品上下左右的位置，便可以得到较理想的干涉图样。调节观察屏与样品的距离，得到理想的易观察的干涉图样。与图2中的竖直光路不同，实验操作中采用水平方向的光路，是为了使实验易调节、易观察，同时方便记录数据，避免较大的操作误差。4实验过程和结果4.1样品自然降温实验时，先将样品小心地滑入大铝块中间的样品腔中，同时插入温度传感器，然后将大铝块放在电炉上面，将它们放在升降台上。将激光器、升降台等放在光具座上。打开激光电源，调节激光器和样品的位置，使激光从样品反射时，在屏上能看到3个反射光斑，中间1个有干涉条纹。开启电炉，对样品进行加热，加热到一定温度，关闭电炉，在样品自然降温过程中，测出干涉条纹数m1与温度T之间的关系;测完数据后，将样品旋转至另外一侧，在屏上可以看到1个有干涉条纹的光斑，同样对样品进行加热，在样品冷却过程中，测出干涉条纹数m2与温度T之间的关系。4.2实验结果和拟合分析(1)激光从样品的双层面反射。调节观察屏与样品的距离，当屏与样品距离较远时，干涉光斑较大，条纹数目少，条纹间距较大;而当屏与样品距离较近时，干涉光斑变小，条纹数目增多，条纹间距变小。实验时，选择的方便观察距离是:激光光源距离玻璃样品约1.5m;观察屏距离玻璃样品约1.2mㄢ在样品自然降温过程中，干涉条纹缓慢移动，会发生如图4从A—B—C过程，当该过程出现一次，干涉条纹就移动一条条纹，之后又从C—B—A,A—B—C如此循环反复。将所得的实验数据用Origin软件进行画图和线性拟合，得m1-T曲线呈线性，如图5所示。拟合结果如表1所示，表中:A为拟合直线的截距以及截距的标准差SA;B为斜率以及斜率的标准差SB;R为相关系数;SD为拟合变量m1的标准差。该直线拟合R=-0.99965,T与m1具有良好的线性关系。直线的斜率B=-0.24141，标准差SB=0.00227，即B=(-0.24141±0.00227)。在玻璃样品自然降温过程中记录数据，当干涉条纹移动1个条纹时，记录温度下降的度数，因此经转化后，即可运用β=m1λ/(2LΔT)，将Δm1/ΔT=0.241℃-1,λ=632.8nm,L=(10.12±0.05)mm代入式(1),得β=7.535×10-6℃-1。(2)激光从样品的单层面反射。当激光从样品的单层面反射时，在屏上只能看到1个干涉条纹的光斑。在样品自然降温的过程中，干涉条纹缓慢移动，会发生如图4从A—B—C过程，当该过程出现一次，干涉条纹就移动一条条纹，之后又从C—B—A,A—B—C如此循环反复。所得的实验数据用Origin软件进行画图和线性拟合，m2-T曲线呈线性，如图6所示。由表2可知:R=-0.99989，说明T与m2具有良好的线性关系。直线的斜率B=-0.46812,SB=0.00112，即B=(-0.46812±0.00112)，而该玻璃样品对应此激光波长在测量温度范围内的平均折射率为n=1.515，代入式(2)，可得玻璃的折射率温度系数5温度测量实验光路的设计本实验用激光光束在水平方向上的光路实现了玻璃热膨胀系数和折射率温度系数的测量，结果分别是:β=7.535×10-6℃-1，γ=3.216×10-6℃-1。实验光路设计水平方向，使实验操作