目的
1.掌握用掠射法测定液体的折射率。
2.了解阿贝折射仪的工作原理,熟悉其使用方法。
实验内容
练习一用掠入射法测定液体折射率
仪器和用具:
分光仪,三棱镜(两块),单色光源(钠灯),等待测液体(水、酒精),读数小灯,毛玻璃。
原理
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)。若以单色的扩展光源照射分界面AB,则从图4-1可以看出: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,显然,其折射角ic应为临界角。因而,应满足关系
(4-1)
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
(4-2)
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'为分界线的明暗半荫视场,如图4-1所示。
由图4-2可以看出,当三棱镜的棱镜角A大于角ic时,A、ic和角φ有如下关系
(4-3)
将(4-1),(4-2)和(4-3)消去ic和φ后可得:
(4-4)
若棱镜角A等于90度,则上式简化为:
(4-5)
因此,当直角棱镜的折射率n1为已知时,测出角后便可计算出待物质的折射率n。上述测定折射率的方法称为掠入射法,是应用全反射原理。(问:如果A<ic时,式(4-3),(4-4)将有何变化?观察的现象有何变化?)
测量
(1)按实验三有关内容将分光仪调节好,即应用自准直法将望远镜对无穷远调焦,并使其光轴垂直于仪器的转轴;调节棱镜的主截面也和仪器的转轴垂直。
(2)按图4-3所示,将待测液体滴一、二滴在直角棱镜的AB面上,用90度角作为棱镜顶角A,并用另一辅助棱镜(A'B'C')的一个表面A'B'与AB面相合,使液体在两棱镜接触面间形成一均匀液层,然后置于分光仪载物台上,(注意棱镜的放置方法)。(问:可否不用辅助棱镜?)
1直角棱镜 2辅助棱镜 3钠灯 4毛玻璃屏
5待测液体薄膜 6用望远镜观察到的半荫视场
(3)点亮钠灯照亮毛玻璃屏4,将它放在折射棱B的附近,先用眼睛在出射光的方向观察半荫视场。旋转载物台,改变光源和棱镜的相对方位,使半荫视场的分界线位于载物台近中心处,将载物台固定。转动望远镜,使望远镜叉丝对准分界线,记下两游标读数(V1,V2),重复测量几次,分别取平均值。
(4)再次转动望远镜,利用自准直的调节方法,测出AC面的法线方向(即使望远镜的光轴垂直于AC面),记下两游标读数(V1’,V2’)。重复测量几次,取其平均值。由此可得
=1/2[(V1’-V1)+(V2’-V2)]
(5)将值代入(4-5)式,即得
如果棱镜角A不等于90度,则将值代入(4-4)式计算出。
(6)依同样方法,重复以上步骤,测定另一种液体的折射率。
注意事项:
(1)注意观察看到的现象是否准确?(如何判断?)
(2)辅助棱镜A'B'C'的作用是让较多的光线能投射出到液层和折射棱镜的面AB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,不能有气泡。滴入液体不宜过多,避免大量液体渗漏在仪器上。
(3)改换另一种被测液体时,必须将棱镜擦拭干净。
练习二用阿贝折射计测定透明介质的折射率
原理和仪器描述
阿贝折射仪是测量固体和液体折射率的常用仪器。测量范围为1.3~1.7,可以直接读出折射率的值,操作简便,测量比较准确,精度为0.0003。还可测量出不同温度时的折射率。测量液体时所需样品很少,测量固体时对样品的加工要求不高。
阿贝折射仪也是根据全反射原理设计的。它有两种工作方式,即透射式和反射式。阿贝折射仪中的折射棱镜ABC和照明棱镜A'B'C'都是直角棱镜,由重火石玻璃制成。照明棱镜的A'B'面经过磨砂,使透射式测量作漫射光源用。折射棱镜的BC面也经过磨砂,供反射式测量作漫反射光源用。
透射式测量光路如图4-4()所示。将折射率为的待测物质放在折射率为n1的直角棱镜的斜面上,其棱角为A,并用光源S照明。如果介质的折射率n<n1,这时与图4—1相同,经棱镜ABC两次折射后,由AC面射出的光束,在望远镜视场中将观察到半荫视场,明暗分界线就对应于掠面入射光束,测出AC面上相应的临界出射角,即可应用(4-4)式计算出n。
应用阿贝折射仪测定固体折射率时不用照明棱镜。对于加工有两个抛光面的固体样品,则光路可采用如图4-4()所示的透射式测量,对于加工只有一个抛光面的固体样品。则可采用图4-4()所示的反射式测量。
用光源S(一般为自然光)照亮折射棱镜上的磨砂面BC,使之成为一个扩展的平面光源,从面上各点发出的光线、Ⅱ射抵AB面上的E点时,入射角均不相同。其中入射角大于临界角iC的,都发生在全反射后再由AC面射出,同样,在望远镜对准Ⅰ'观察时,亦可看到半荫视场,只是明暗分布恰与透射光的视场分布相反,其临界出射角为最大,而且视场中明暗的对比也不如透射光明显,这是由于照射在AB面上那些小于临界角的光线,也会在AB面上产生部分的反射。测出AC面上的临界出射角,仍4-4式,计算待测固体的折射率。
测定时,将待测样品的抛光面与折射棱镜AB面紧密的叠合在一起,中间添加一层接触液,形成均匀的液膜,其折射率应大于样品的折射率(例如溴代萘,nD=1.66),当折射率大于1.66时。可用二碘甲烷(nD=1.74)进行测量,可以证明接触液的加入,并不影响计算公式4-4的适用性。
阿贝折射仪的光学系统由两部分组成:望远系统与读数系统如图4-5所示。
望远系统:光线经反射镜1反射进入照明棱镜2及折射棱镜3,待测液体放置在棱镜2与3之间,经阿米西消色差棱镜组4抵消由于折射棱镜待测物质所产生的色散,通过物镜5将明暗分界线成像于分划板6上,再经目镜7和8放大成像后为观察者所观察。
阿米西消色差棱镜组由两个完全相同的直视棱镜组成,每一个直视棱镜又由三个分光棱镜复合而成。棱镜和Ⅲ的介质相同,与棱镜Ⅱ互为倒置,并使钠黄光(D线)能无偏向地通过,但对波长较长的红光(C线)、波长较短的紫光(F线),因复合棱镜的色散,将产生相应的偏折,其主截面如图5—5—5所示。消色差棱镜组通过一个公用的旋钮调节,使之绕望远镜的光轴沿相反方向同时转动,转动的角度可从读数盘上读出。在平行于阿贝折射棱镜的主截面内,产生一个随转动角度改变的色散,色散的方向和数值的大小均可变化,以抵消由于折射棱镜和待测样品产生的色散,使半荫视场清晰、界线分明。从消色差棱镜组转动的角度,对照仪器的附表,便可查得样品的平均色散nF-nC。
读数系统:光线由小反光镜14经毛玻璃13照明刻度盘12,经转向棱镜11及物镜10将刻度成像于分划板9上,再经目镜7'、8'放大成像后为观察者所观察。
国产型阿贝折射仪的外形如图4-7所示,图中13为阿贝棱镜组,下面的棱镜为辅助照明棱镜,上面的棱镜为折射棱镜,它们整个连结在一个可以旋转的臂上。当旋转手轮2时棱镜组同时转动,可使明暗分界线位于视场中央,并与测量叉丝的交点对准。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,作为测定糖溶液浓度的专用标尺。
测量
(一)液体折射率的测定
1)转动棱镜锁紧手柄12,打开棱镜,用脱脂棉沾一些无水酒精将棱镜面轻轻擦干净。在照明棱镜的磨砂面上滴上一二滴待测液体,旋紧棱镜锁紧手柄,使液膜均匀,无气泡,并充满视场。
(2)调节两反光镜4及18,使两镜筒视场明亮。
(3)旋转手轮2使棱镜组13转动,这是在望远镜视场中可观察到明暗分界线上下移动,同时旋转阿米西棱镜手轮10,使视场中除黑白二色外无其它颜色,当视场中无色且分界线在十字线叉丝中心时,观察读数显微镜视场右边所指示的刻度值,即为待测液体的折射率n的数值。如图4-8所示,n=1.330。
(4)依同样的方法,重复上述步骤1~3次,测量另一中待测液体的折射率,并与方法一测得的结果比较,分析测量误差。
二、固体折射率的测定
自行设计实验步骤,测定玻璃样品的折射率。
注意事项:
(1)测量工作开始前,注意做好棱镜的清洁工作,以免在工作面上残留其它物质而影响测量精度。
(2)必须对阿贝折射仪进行读数校正。通常,最简便的方法是用蒸馏水来校正,因蒸馏水在一定温度(20摄氏度)和一定光源(钠光589.3纳米)照射下,它的折射率为已知值,n水=1.3330。为此,只要滴几滴蒸馏水到进光棱镜上,调节并读取其折射率数值,如不相符,可微动仪器上的校正螺旋,使之完全相同。这样,折射仪的读数就得到校正。
如使用仪器上的标准玻璃块(nD=1.5172)进行校正,则应根据测定固体折射率的方法,在标准玻璃块与折射率棱镜之间滴入高折射率的接触液,按上述方法进行校正。
(3)任何物质的折射率都与测量时使用的光波波长和温度有关,本仪器在消除色散的情况下测得的折射率,其对应光波的波长λ=589.3纳米;如需要测量不同温度时的折射率,可将阿贝折射仪与恒温、测温装置连用,待棱镜组和待测物质达到所需温度后,方能进行测量。一般均在室温下进行。
复习思考题
1.怎样应用掠入射法测定玻璃的折射率?简要说明实验方法并推导出折射率的计算公式。
2.用阿贝折射仪测量固体折射率时,为什么要滴入高折射率的接触器液?为什么它对测量结果没有影响?试论证之。
插针法测定玻璃砖的折射率实验方法
【目的和要求】
应用折射定律测定玻璃的折射率,加深对折射定律的理解。
【仪器和器材】
玻璃砖(J2506型),钢直尺,大头针,量角器或圆规,图板,图钉或透明胶带,白纸或坐标纸。
【实验方法】
1.插针 将一张八开的白纸或坐标统,平铺在绘图板上,用图钉或透明胶带固定,玻璃砖平放在纸中央。取一枚大头针,紧贴玻璃砖上底面AE的中点附近,垂直插牢在图板上。插针点为O点,取第二枚大头针,垂直插在O点左上方的O1点。实验者的眼睛在玻璃砖下底面< /SPAN>CD的下方,沿水平方向透过玻璃砖观察插在O、O1点处的大头针,移动观察位置,使两枚大头针位于一直线上。然后在玻璃砖下底面CD的下方,沿着O1O的方向再在点O2、O3处插两枚大头针,观察者应看到插在O1、O、O2、O3的四枚大头针在一直线上。 拔下大头针,标好插针点O1、O、O2、O3。笔尖贴紧玻璃砖画下它的轮廓线AECD,如图5.1-1所示。
2.作图 取走玻璃砖,连直线O1O、O2O3,延长O3O2交DC边干O′,连OO′。过点O作AE的垂线NN′,则O1O为入射光线,OO′为折射光线,ON为法线,∠O1ON为入射角i,∠O′ON′为折射角i′,如图5.1-2所示。
3.测量计算 根据图5.1-2,有两种计算折射率的方法。
(1)用量角器在图5.1-2上量出入射角i及折射角i′,代入折射定律公式 n=sini/sini′ 计算出折射率n。
(2)如图5.1-2所示,延长OO′,以O为圆心,R(大于100毫米)为半径作圆,分别与入射光线O1O交于P,与折射光线OO′的延长线交于P′。过PP′作NN′的垂线,垂足分别为BB′,刚
sini=PB/R sini′=P′B′/R n=sini/sini′=PB/P′B′
用钢直尺测出PB及P′B′,代入上式即可计算出折射率。
根据图5.1-2,用上述两种方法测得的结果列在表中。
表 1
i i′
28° n PB 1.51 80.7毫米 P′B′ n 53.8毫米 45° .50 1
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