南昌大学物理实验报告

学生姓名： 学号： 专业班级： 班级编号： 实验时间：13时00分 第5周 星期一 座位号：2教师编号： 成绩： 实验35 阿贝折射仪

一、实验目的

1.加深理解全反射原理及其应用；

2.通过测量几种液体的折射，学会阿贝折射仪的使用。

二、阿贝折射仪的光学系统

图

1

1

图1是国产WEA型阿贝折射仪的光学系统。它山望远系统和读数系统组成。望远系统包括反射镜1、进光棱镜2、折射棱镜3、阿米西棱镜4和望远镜5。待测液体放置在进光棱镜和折射镜之间，形成液层。阿贝折射仪采用白照明，来自光源的光经反射镜1反射后进人光棱镜。进光棱镜的正面为磨砂面。起漫反射作用，以产生各种方向的人射光线进入折时棱镜。阿米西棱镜起抵消待测物体和折射棱镜产生的色散的作用，使望远镜视场小呈现消色的明暗分界线。阿米西棱镜可以绕望远镜系统的光轴旋转。它的结构及消包原理请参看有关资料。读数系统由小反射镜14、毛玻璃13、该度盘12、转向棱镜11和读数镜10组成。

三、实验原理 设待测物体的折射率为，折射棱镜的折射率为如图2所示。若，根据折射定律，沿BA掠射的光线经AB面折射后以全反射临界角。进入折射棱镜，然后以折射角i从AC面出射至空气中。以这条光线为界，所有入射角小于90°的入射光线经AB面折射后的折射角都小于临界角，且均在这条光线的下方，所有入射角大于90°的人射光线被棱镜的金属外套挡住，不能进入折射棱镜。因此，用阿贝折射仪的望远镜对准出射光线观察时。就会看到如图3所示的明暗分明的视场。明暗分界线对应于以i角出射的光线方向，不同折射率的物体有不同的临界角。因而出射角也不同。就是说一定的i角对应于一定的折射率值。

由折射定律可知

（1）

（2）

由式（2）可得

2

由式（1）及角度关系可得

（3） 式中，为折射棱镜入射面与出射面这问的夹角。 若和已知，则测出i角就可以由式(3)计算n值。阿贝折射的刻度盘上直接刻有与i角对应的n值，因此不必计算。只要用标准块校准刻度盘的读数，后。可直接从刻度盘上读出n值。由于阿米西棱镜是按照让D谱线直通(偏向角为零)的条件设计的。故用阿贝折射仪测得的折射率就是待测物体对D谱线(589.3nm)的折射率。

应该指出，当对应于明暗分界线的光线出现在折射镜AC面法线右侧时，式

(3)中前的减号应改为加号。

测量固体和折射率和平均色散时。必须将透明固体制成两个互相成90的角的抛光面的试件。并用折射击率液(溴代萘。其折射率大于等待测物体的拆射率而小于等于折射棱镜折射率)，将此试件粘着在折射棱镜头的AB面上，此时进光棱镜头不用。

视场里的分度标尺上有两行刻度，一行可以直读折射率的数值。另一行刻有百分浓度，为测定糖溶液浓度的专用标尺。

四、仪器的结构部分

原座(14)为仪器的支承座，壳体(17)固定在其上。除棱镜和目镜以外全部光 3

学组件及主要结构封闭于壳体内部。棱镜组固定于壳体上，由进光棱镜、折射棱镜以及棱镜座等结构组成，两只棱镜分别用特种粘合剂固定在棱镜座内。

(5)为进光棱镜座。(11)为折射棱镜座，两棱镜座由转轴(2)连接。进光棱镜能打开和关闭，当两棱镜座密合并用手轮(10)锁紧时，二棱镜面之间保持一均匀的间隙，被测液体充满此间隙。(3)为遮光析，(18)为四只恒温器接头，(4)为温度计。(13)为温度计座，可用乳胶管与恒温器连接使用。(1)为反射镜，(8)为目镜，(9)为盖板，(15)为折射率刻度调节手轮(6)为色散调节手轮，(7)为色散值刻度圈，(12)为照明刻度盘聚光镜。

五、实验内容

1.测定透明、半透明液体

将被测液体用干净滴管加在折射棱镜表面。并将进光棱镜盖』二，用手轮(10)锁紧，要求液层均匀，充满视场，无气泡。打开遮光板，合上反射镜．调节目镜视度，使十字线成像清晰，此时旋转手轮(15)并在目镜视场中找到明暗分界线位置，再旋转手轮(6)使分界线不带任何彩色，微调手轮(15)，使分界线位于十字线的中心，再适当转动聚光镜，此时目镜视场下方显示的示值即为被测液体的折射率。

2.测定透明固体

被测物体上需有一个平整的抛光面。把进光棱镜打开，在折射棱镜的抛光面上加l～2滴溴代萘，并将被测物体的抛光面擦干净放上去，使其接触良好，此时便可在目镜视场中寻找分界线，瞄准和读数的操作方法如前所述。

3.测量蔗糖内糖量浓度

操作与测量液体折射时相同，此进读数可直接从现场中示值上半部读出，即是蔗糖溶液含糖量浓度的百分数。

六、实验数据及处理

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根据以上数据得出各项数据平均值

7 n糖1?1.34018333n水?1.333783333 n酒?1.356416663 c糖1?4.95833333n糖2?1.347553 c糖2?9.835 根据贝塞尔公式计算以上各项数据的标准差

?水?0.000160208

?酒?0.00017224

?糖1?0.000194079

6 ?糖2浓度?0.074498322 ?糖2?5.47723?10-5 ?糖1浓度?0.10553040实验装置的示值误差为?仪n?0.002 ?仪c?0.01 则

水的折射率不确定度的A类分量为：?A水??水?0.000160208 ?B水??仪n?0.002 于是，水的折射率的合成不确定度为

22

u水??2A水??2B水?0.000160208）?（0.002）?0.002006406

相对不确定度为

ur水?

u水n水

?100%?0.001504297

5

测量结果表达式为

n水?1.333783333?0.002006406 urn水?0.1504297%

同理可得

n酒?1.356416667?0.002007403

urn酒?0.1479931%

n糖1?1.340183333?0.002009395

urn糖1?0.1499343%

n糖2?1.34755 ?0.00200075

urn糖2?0.1484731%

c糖1?4.958333333?0.106003145

urc糖1?2.1378785%

c糖2?9.835?0.075166482

urc糖2?0.7642754%

七、误差分析

1.由于使用的是同一台仪器测量不同液体的折射率以及液体浓度，所以在更换液体时并未能完全擦拭干净，有残留从而影响测量结果。实际测量的是两种或者两种以上液体的混合折射率和浓度。

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2.人眼的视差以及读书时的主观误差。

八、实验总结

1.通过本次实验，更加深刻地了解了全反射折射原理，巩固了所学知识。

2.学会了如何正确使用阿贝折射仪测量液体的折射率和液体浓度。

3.虽然实验操作简单，但是需要一定的耐心。

九、注意事项

1.认真阅读仪器说明书，了解仪器结构和使用方法。

2.使用前检查折射棱镜和标准块光学百是否清洁，如有污渍，可用酒精和乙醚棉球擦拭干净。

3.用标准块校准刻度盘读数或测量固体试件的折射率时，需要用折射率液将它粘附在折射棱镜头上。但折射率液不宜多，只要折射率液能均匀地布满整个接触面即可，过多的折射率液易堆积在试件的尖棱处，会影响明暗分界线的清晰度，而且容易造成试件从折射棱镜上掉落而损坏。为了弱强观察效果，在进光棱镜的磨砂面上放一小片白纸，主光线由纸面漫反射人被测试件中。

4.防止气泡进入待测液体或折射率液体中，以免影响测量结果。

5.仪器用毕，将有关元件的光学面用酒精棉球擦拭干净，并放回仪器箱内。

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第二篇：用阿贝折射仪测液体的折射率

用阿贝折射仪测液体的折射率

    折射率是透明材料的一个重要光学常数。测定透明材料折射率的方法很多，全反射法是其中之一。全反射法具有测量方便快捷，对环境要求不高，不需要单色光源等特点。然而，因全反射法属于比较测量，故其测量准确度不高（大约Δn=3×10⁴），被测材料的折射率的大小受到限制（约为1.3～1.7），且对固体材料还需制成试件。尽管如此，在一些精度要求不高的测量中，全反射法仍被广泛使用。

阿贝折射仪就是根据全反射原理制成的一种专门用于测量透明或半透明液体和固体折射率及色散率的仪器，它还可用来测量糖溶液的含糖浓度。它是石油化工、光学仪器、食品工业等有关工厂、科研机构及学校的常用仪器。

一、实验目的

1．加深对全反射原理的理解，掌握应用方法。

2．通过对几种液体折射率的测量，学会使用阿贝折射仪。

二、教学重、难点

  重点：实验原理的理解

        阿贝折射仪的结构

  难点：阿贝折射仪的结构

三、实验原理

由全反射定律可知，当光线从光密媒质进入光疏媒质时，若入射角为某个特定角，其折射角可达90^o，此入射角称为全反射临界角。反之，当光线以90^o入射角自光疏媒质进入光密媒质时，其折射角即为全反射临界角。

如图所示,在进光棱镜A^‵B^‵C^‵与折射棱镜ABC之间均匀充满折射率为n_x的液体。设折射棱镜的折射率为n₁，且n₁＞n_x，光线进入进光棱镜后被磨砂面A^‵B^‵漫反射为各种方向的光线通过待测液体后射向折射棱镜。沿AB面掠射的光线（入射角i=90^o）经界面AB折射后以全反射临界角α进入折射棱镜，又以折射角β从BC面出射至空气中。所有入射角小于90^o的光线都能折射进入折射棱镜，经AB面折射后的折射角都小于临界角α。而所有入射角大于90^o的光线都被棱镜的金属外壳挡住，不能进入折射棱镜。因此，入射角等于90^o的光线是折射到棱镜内的所有光线中最靠边(折射角最大)的一条光线)图中1-1^‵光线），其他光线均在该光线的下方（图中2-2^‵光线），在此光线以上则完全无光。用望远镜迎着出射光方向观察，就会看到图中明暗分明的两分视场，其分界线对应于以β角出射的光线。

物质材料的不同，其折射率就不相同。不同的折射率又对应着不同的全反射临界角，因而出射角也就不相同。简而言之，就是一定的出射角β，对应于一定的折射率。

由折射定律，光线经AB面折射满足：

                               

经BC面折射满足：

                              

已知  i=90⁰，  n₂=1（空气的折射率），由角度关系α=φ-γ和三角函数关系解得：

             

当出射光线在折射棱镜BC面法线的上方（右侧）时，上式中cosφsinβ前的“-”号应改为“+”号。

   式中，φ为折射棱镜入射面AB与出射面BC之间的的夹角。若φ和n₁已知，则只需测出出射角β，便可计算出待测液的折射率n_x。阿贝折射仪的刻度盘上直接刻有与出射角β对应的n值，因此用阿贝折射仪测物体的折射率不必计算，可从刻度盘上直接读出n_x的值。

物质的折射率与通过该物质的光的波长有关。通常所指固体和液体的折射率是对钠光发出的平均波长为5.893×10^-7m的D谱线（钠黄光）而言的，用n_D表示。一般情况下略去下标记作n。阿贝折射仪中的阿米西棱镜（也称色散棱镜），是按照让D谱线直通（偏向角为零）的条件设计的，所以用阿贝折射仪测得的折射率n_x就是待测物对D谱线的折射率n。

四、实验仪器

阿贝折射仪一台，照明台灯一座，标准玻璃块一块，折射率液（溴代萘）一瓶，待测液（自来水，酒精，糖溶液）、滴管 、脱脂棉及擦镜纸。

五、实验内容

1．校准阿贝折射仪读数

1）打开照明台灯,调节两个反射镜4、18的方位,使两镜筒内视场明亮。

 2）在标准玻璃块的光学面上滴少许折射率液（溴代萘），把它贴在折射棱镜的光学面上，标准块侧边光学面的一端应向上，以便于接受光线。

 3）旋转棱镜转动手轮2，使读数镜视场中的刻线对准标准块上所标刻的折射率值，此时望远镜视场中的明暗分界线应正对十字叉丝的交点。若有偏差，则需调节刻度校准螺钉9，使分界线对准叉丝交点。以后不可再调动该螺钉。

2．测定液体的折射率

 1）用脱脂棉沾酒精或乙醚将进光棱镜和折射棱镜擦试干净，干燥后使用。避免因残留有其他物质，而影响测量结果。

 2）用滴管将少许待测液滴在进光棱镜的磨砂面上，旋紧棱镜锁紧板手12，使两镜面靠紧，待测液在中间形成一层均匀无气泡的液膜。若待测液属极易挥发物质，则在测量中，需通过棱镜组侧边的小孔予以补充。

 3）旋转棱镜转动手轮2，在望远镜视场中观察明暗分界线的移动，使之大致对准十字叉丝的交点。然后旋转阿米西棱镜手轮10，消除视场中出现的色彩，使视场中只有黑、白两色。

 4）再次微调棱转动手轮2，使明暗分界线正对十字叉丝的交点。此时，读数镜视场中读数刻线所对准的右边的刻度值，就是待测液体的折射率n。

5）分别测定自来水、酒精和糖溶液的折射率各5次。

6）求出自来水、酒精、糖溶液的折射率的最佳值和不确定度，写出结果表达式。

3．测糖溶液的含糖浓度

按照2中的1)、2)、3)、4)步骤完成后，读数镜视场中读数刻线所对准的左边的刻度值，即为所测糖溶液的百分比含糖浓度。

注意事项

1. 使用仪器前应先检查进光棱镜的磨砂面、折射棱镜及标准玻璃块的光学面是否干净，如有污迹用酒精或乙醚棉擦拭干净。

2．用标准块校准仪器读数时，所用折射率液不宜太多，使折射率液均匀布满接触面即可。过多的折射率液易堆积于标准块的棱尖处，既影响明暗分界线的清晰度，又容易造成标准块从折射棱镜上掉落而损坏。

3．在加入的折射率液或待测液中，应防止留有气泡，以免影响测量结果。

4．读取数据时，首先沿正方向旋转棱镜转动手轮（如向前），调节到位后，记录一个数据。然后继续沿正方向旋转一小段后，再沿反方向（向后）旋转棱镜转动手轮，调节到位后，又记录一个数据。取两个数据的平均值为一次测量值。

  5．实验过程中要注意爱护光学器件，不允许用手触摸光学器件的光学面，避免剧烈振动和碰撞。

6．仪器使用完毕后，要将棱镜表面及标准块擦拭干净，装入保护盒，套上外罩。

图4.16-4  标准块放置法           图4.16-5  视场情形

六、数据处理

用阿贝折射仪测折射率，仪器极限误差Δ_n=3×10⁴，按均匀分布处理，则：               

测量不确定度： 

自来水折射率：=_1.3346 ±_0.0002____

酒精折射率：=_1.3626 ±_0.0002____

糖溶液折射率：=_1.3406 ±_0.0002____

表：原始数据表

【预习思考题】

1． 阿贝折射仪使用什么光源？所测得的折射率是对哪条谱线的折射率？

答：阿贝折射仪设计使用的是钠光源(平均波长为5.893×10^-7m)，由于阿米西棱镜是按照让D谱线直通（偏向角为零）的条件设计的，故所测得的折射率是对D谱线的折射率。

2． 进光棱镜的工作面为什么要磨砂？

答：磨砂的目的是为了产生漫反射的出射光，使待测液中有各种不同角度的入射光。

3． 折射率液起何作用？对其折射率有何要求？

答：折射率液在本实验中主要用于对阿贝折射仪进行校准，其折射率必须小于棱镜的折射率。

【实验后思考题】

1． 用阿贝折射仪测量酒精的折射率时，若使用钠光照明，在望远镜中可见到黑白分明的两分视场；若用日光照明，则必须消除色散，这是为了改善 分界线的清晰度，从而提高测量精度。

2．用阿贝折射仪测物体折射率的方法是建立在全反射 基础上的 掠入 法。