【测量液体折射率的几种光学方法的实验探究3800字（论文）】

测量液体折射率的几种光学方法的实验研究目录TOC\o"1-2"\h\u14663测量液体折射率的几种光学方法的实验研究 127124关键词：分光计；牛顿环；折射率 135671分光计法测量液体的折射率 2127141.1实验原理 2169921.2实验内容 3234851.3注意事项 4121891.4实验结果及分析 432731.5实验结论 62051.6误差分析 6862牛顿环干涉测量液体的折射率 6134272.1实验原理 6285792.2实验内容 8103472.3注意事项 8113212.4实验数据及处理 937962.5实验结论 9295992.6误差分析 10233803比较分析 10281993.1实验图像对比分析 10295163.2对比分析 1163194结束语 11259参考文献 11摘要：文章通过运用几何光学的原理来测量液体折射率。主要用分光计法和牛顿环法两种方法测量不同浓度的食盐水的折射率，通过数据分析，对比两种方法，得出分光计法比牛顿环法测量更加准确。关键词：分光计；牛顿环；折射率折射率是反映透明介质材料光学性质的一个重要参数，对于研究物质的性质和构造提供重要的依据；在食品、化工、医药等领域，经常要检测液体的浓度，大多数液体的浓度和折射率有一定的关系，测量液体的折射率就显得非常重要。测量液体折射率有多种方法，分光计法、牛顿环法是物理研究上通用的方法，原理简单、方法易操作。本论文通过这两种方法测量不同浓度的盐水折射率，并对实验结果进行分析、比较，以得出最佳方案。1分光计法测量液体的折射率1.1实验原理图1分光计法测量液体折射率原理图将折射率为n的待测物质放在已知折射率为n1的直角棱镜的折射面AB上，且n<n1。若以单色的扩散光源照射分界面AB时，则从图1可以看出：入射角为90°的光线I将分光计到AB界面，而后折射进入三棱镜并射到AC面，再经折射而进入空气。除I外，其他光线在AB面上的入射角小于90°，因此经三棱镜折射后进入空气时，都在光线I'的左侧。当用望远镜对准出射光方向观察时，视野中将看到以光线I'为分界线的明暗半荫视场。一般情况下，待测物质的折射率有如下关系[1]：如果棱镜∠A=90°，则上式简化为：1.2实验内容（1）将盐水按照质量浓度配比，配制浓度分别为2%，4%，6%，8%…22%，24%。（2）调好分光计，包括将望远镜对无穷远调焦，并使其光轴垂直于仪器的主轴；调节棱镜的主截面也垂直于仪器主轴。（3）将待测液体滴1～2滴在直角棱镜中的AB面上，使用顶角（∠A）为90°角的棱镜，并用另一辅助棱镜A'B'C'与AB面结合，使液体在两棱镜接触面形成一均匀液层，然后置于分光计棱镜台上，如图2所示。图2分光计法测液体折射率的实验装置图（4）先用眼睛在出射方向观察半荫视场。仔细调节使半荫视场的分界线位于棱镜。（5）台近中心处，将望远镜叉丝对准分界线，记下两游标读数（v1，v1'），重复几次，取平均值。（6）利用自准直法，测出AC面的法线方向，记下两游标读数（v2，v2'），重复几次，取其平均值：将∅值代入，计算n值。（7）依同样的方法，重复上述步骤，测定另一种浓度盐水的折射率。1.3注意事项（1）辅助镜的作用是让较多的光线能投射到液层和折射棱镜的AB面上，使观察到的分界线更为清楚。两棱镜之间的液层一定要均匀，不能含有气泡，滴入液体不宜过多，避免大量液体渗漏在仪器上。（2）当改换另一种被测液体时，必须将棱镜擦拭干净再更换液体。1.4实验结果及分析分光计法测量的盐水的折射率随浓度的变化曲线如图3所示。图2分光计法测液体折射率的实验装置图（4）先用眼睛在出射方向观察半荫视场。仔细调节使半荫视场的分界线位于棱镜。（5）台近中心处，将望远镜叉丝对准分界线，记下两游标读数（v1，v1'），重复几次，取平均值。（6）利用自准直法，测出AC面的法线方向，记下两游标读数（v2，v2'），重复几次，取其平均值：表1分光计法测不同浓度盐水的折射率浓度β(%)折射率n2.01.33454.01.33776.01.34138.01.3449l0.01.349112.01.351014.01.354616.01.359118.01.362220.01.367022.01.371724.01.3749图3盐水的折射率随浓度的变化曲线1.5实验结论（1）从拟合公式可得出：当盐水的浓度为0（即为纯水）时的折射率为1.3305，而水的折射率为1.3333。（2）通过对实验数据线性拟合得到的结果及分析得出，在一定温度下，盐水折射率与其浓度成正比；当盐水的浓度增大时，其对应的折射率也随之增大[3-4]。1.6误差分析1.6.1系统误差（1）分光计自身的仪器误差。（2）钠光灯不是严格意义上的单色光，不同波长的光的折射率不同导致的误差。（3）扩展光源的部分光线和环境杂散光直接进入望远镜，对分辨明暗视场的分界线造成干扰使观察到明暗过渡带，明暗分界线不清晰。因此，以肉眼分辨分界线的确切位置，会存在较大的主观性，容易产生误差，造成测出的出射角偏大。另一方面，由于扩展光源的辐射角较小，棱镜入射面上入射角最大的光线与最小的光线有一定的夹角，因此在棱镜出射面上观察到的是一个亮的光柱，存在着两条半荫视场的分界线，对于找准分界线也会存在一定影响。（4）水中含有杂质引起误差。（5）气温和大气的流动使空气的折射率并不为1导致的误差。1.6.2随机误差（1）分光计游标读数时观测人员无规则变化导致的误差。（2）实验台面有微小振动导致入射角度的变化引起的误差2牛顿环干涉测量液体的折射率2.1实验原理当一个曲率半径很大的凸透镜A放在一个平面玻璃B上时，如图4所示，在透镜的凸面和平面之间形成一个从中心O向四周逐渐增厚的空气劈尖。但单色光垂直照射下来时，从空气层的上下两个表面反射的光束在上表面相遇时产生干涉现象，形成以O点为圆心的明暗相间的同心圆环，成为“牛顿环”，如图4所示。当在凸透镜A和平面玻璃B两面之间加入待测液体时，会在凸透镜A和平面玻璃B之间形成一个从中心O向四周逐渐增厚的液膜。当单色光垂直照射下来，从液膜的上下表面反射的光束在上表面相遇时产生干涉现象，形成以O点为圆心的明暗相间的同心圆环[2]。图4牛顿环干涉法测量液体折射率实验示意图设透镜的曲率半径为R，在与接触点O相距r处，液膜的厚度为d，当光垂直入射时，在该处上下表面反射光的光程差为：其中λ为入射光波长，d为液膜的厚度，液膜的折射率为n，λ/2是光在B面反射时的半波损失，得出：故液体的折射率为：为消除附加光程，取直径的平方差带入公式，可得液体的折射率n为：其中，D2m-D2n为空气膜时的直径平方差，Dm′2-Dn′2为液膜时的直径平方差。2.2实验内容（1）调节仪器，观察牛顿环a.调节牛顿环装置，处于不松不紧状态，使自然光下的牛顿环位于正中央，且没有畸变。b.将调好的牛顿环装置放置在读数显微镜筒正下方，调节45°角反射镜，使视场最亮。c.调节目镜、物镜，使叉丝清晰、牛顿环清晰且没有视差。（2）测定空气膜下的各环直径测量m=20、19、18、17、16、15和n=10、9、8、7、6、5各级暗环的直径。（3）测量液体的折射率a.将盐水按照质量浓度配比，浓度分别为2%，4%，6%，8%…22%，24%。b.将待测液体滴1～2滴在平面玻璃的中心，将凸透镜慢慢盖在平面玻璃上，保证液膜均匀。c.在视野中观察清晰的牛顿环。d.重复内容（2），利用公式计算液体的折射率n。e.依同样的方法，重复上述步骤，测定另一种浓度盐水的折射率。2.3注意事项（1）液膜不能含有气泡，滴入液体不宜过多，避免大量液体渗漏在仪器上。（2）当改换另一种被测液体时，必须将凸透镜与平板玻璃擦拭干净。2.4实验数据及处理表2牛顿环干涉测不同浓度的盐水的折射率浓度β(%)2.04.06.08.0折射率n1.34111.34221.34791.3512浓度β(%)10.012.014.016.0折射率n1.35441.35761.36101.3646浓度β(%)18.020.022.024.0折射率n1.36741.37051.37451.3776图5牛顿环法测量盐水折射率随浓度变化曲线2.5实验结论（1）从拟合公式可以看出：当盐水的浓度为0（即为纯水）时的折射率为1.3372，而水的折射率为1.33。（2）通过对实验进行线性拟合得到的结果以及拟合的曲线分析，在一定温度下，盐水的折射率与其浓度成正比。当盐水的浓度增大时，其对应的折射率也随之增大[5]。2.6误差分析2.6.1系统误差主要是仪器误差：实验采用了电子设备读数，精确度在0.01mm产生误差；电子天平的精确度不高，导致配制的盐水的浓度不精确，从而产生误差。2.6.2随机误差（1）将液体加入凸透镜与平板玻璃之间时，滴入的液体量不能准确的控制每次都相同，从而使液膜的厚度不同，而液膜厚度会影响牛顿环的清晰度，从而产生误差。（2）加入液体后会使视野中的牛顿环不清晰，从而在转动鼓轮时十字叉丝不能十分准确地与牛顿环相切，造成读数误差。（3）十字叉丝的交点和圆环中心不能严格重合从而使牛顿环的直径测量不准确而产生误差。3比较分析3.1实验图像对比分析图6盐水的浓度随折射率的变化曲线3.2对比分析（1）通过图像对比分析可以得出两种方法测得的液体浓度与其折射率的关系都为：盐水的浓度与其折射率成正比，随着盐水的浓度每增加2%，折射率增加0.0017（0.0018）。（2）查阅相关资料及测得结果可知，用分光计法测出的液体的折射率更准确。4结束语比较用分光计法和牛顿环干涉的方法测量液体折射率可知，用牛顿环干涉的方法测量液体的折射率从理论上讲是一种新方法，但在实际应用操作中存在较大困难，因干涉条纹可见度小而只能勉强测量，误差影响因素较多，重复性差，结果精度不高；而用分光计法测量液体折射率时，明暗半荫视场明显，操作方便迅速，环境要求低，重复性好，测量时数据相对较少，且精确度高。综合比较两种测量方法，用分光计法测量液体的折射率的方法更优。参考文献崔振杰,张斯琪,李晓蕾,等.一种基于分光计测量透明液体折射率的新方法[J].大学物理实验,2016,29(4):67-69.崔海瑛.分光计测量方法的分析[J].科技创新与生产力,2017(6):24-25.罗浩,向泽英,谢英英,等.分光计测定液体折射率实验的综合性设计与提升[J].高教研究:西