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1、评分： 大学物理实验设计性实验实 验 报 告实验题目： 液体折射率的测定 班 级： 姓 名： 学号： 指导教师： 方运良 茂名学院技术物理系物理实验室 实验日期：2006年11月23日 液体的折射率测定实验提要实验课题及任务液体的折射率测定实验课题任务 方案一：光从一种介质进入另一种介质时会发生折射现象，当入射击角为某一极值（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，就可以实现液体折射率的测量。方案二：在薄膜干涉中，介质的折射率通过影响光程差造成在相同的条件下，不同介质处的干涉条纹不同的结果，经过分析比较，测量出液体的折射率。学生根据自己所学的知识，并在图书馆或互联
2、网上查找资料，设计出液体的折射率测定的整体方案，内容包括：（写出实验原理和理论计算公式，研究测量方法，写出实验内容和步骤)，然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果，按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。设计要求（1） 通过查找资料，并到实验室了解所用仪器的实物以及阅读仪器使用说明书，了解仪器的使用方法，找出所要测量的物理量，并推导出计算公式，在此基础上写出该实验的实验原理。（2） 选择实验的测量仪器，设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。（3） 测量5组数据，。（4） 应该用什么方法处理数据，说明原因。（5） 实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征
3、测量结果的可信赖程度。实验仪器方案一：分光仪、钠光灯、毛玻璃与待测液体，方案二：读数显微镜、钠光灯、劈尖与待测液体，实验提示方案一掠入射法测介质折射率的原理如图示3-1所示。将待测介质加工成三棱镜，用扩展光源（用钠光灯照光的大毛玻璃）照明该棱镜的折射面，用望远镜对棱镜的另一个折射面AC进行观测。在界面上图中光线、的入射角依次增大，而光线为掠入线（入射角为），对应的折射角为临界角。在棱镜中再也不可能有折射角大于的光线。在界面上，出射光、的出射角依次减小，以光线的出射角为最小。因此，用望远镜看到的视场是半明半暗的，中间有明显的明暗分界线。证明：棱镜的折射率与棱镜顶角、最小出射角有如下关系：若在面加
4、折射率为的待测液体，上述关系又如何。方案二在薄膜干涉中，薄膜厚度相同处的上下表面的两反射光的光程差相同，干涉情况相同。因此，形成的干涉条纹是膜厚相同点的轨迹，这种干涉称为等厚干涉。劈尖的干涉现象属于等厚干涉。可在劈尖中间某处滴一滴待测透明液体，(液体不要充满劈尖)，用显微镜分别测量有液滴处条纹和无液滴处条纹，求出液体折射率。评分标准(10分)（1） 正确写出实验原理和计算公式，2分。（2） 正确的写出测量方法，1分。（3） 写出实验内容及步骤，1分。（4） 正确的联接仪器、正确操作仪器，2分。（5） 正确的测量数据，1.5分。（6） 写出完整的实验报告，2.5分。(其中实验数据处理，1分；实验
5、结果，0.5分；整体结构，1分)学时分配实验验收，4学时，在实验室内完成；教师指导(开放实验室)和开题报告1学时。提交整体设计方案时间学生自选题后23周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求电子版。用电子邮件发送到指导教师的电子邮箱里液体折射率测定的设计方案实验目的：1. 掌握用掠入法测定液体折射率。2. 进一步研究学习显微镜、分光计等仪器的使用。实验仪器：分光仪、钠光灯、直角棱镜(两块)、毛玻璃与待测液体。实验原理：折射率是反映光在两种各向同性媒介质中光速比值的一个物理量。光从一种介质进入另一种介质时，其入射角的正弦跟折射角的正弦之比，被定义为光从介质1进入介质2时的相对折射率
6、，即 （1）介质相对于真空的折射率叫做介质的绝对折射率。若以、分别表示介质1和介质2绝对折射率，则介质2相对介质1的折射率（2）。如果介质1是空气，由于空气的绝对折射率仅为1.00028（20时），所以，可以近似的将空气的相对折射率看为1。为了测出待测液体的折射率，先测量三棱镜的折射率然后再间接测量待测液体的折射率。由折射率的定义可以知道： 又由几何关系可以知道，从以上三式消去和得 （3）因此，只要测出入射角、出射角和三棱镜的顶角即可计算出折射率。在钠灯光源前加上一块毛玻璃，使光线向各个方向散射成为扩展光源，并且使它大致位于AB的延长线上，同时遮住射向BC面的光，那么总可以得到90角的入射的光
7、线。这光线的出射角最小，称折射极限角。从扩展光源射向AB面的光线，凡是入射角小于90的，其出射角必大于折射极限角。这样，当面对AC面看出射光时，就会发现在极限角方位有一明暗视场的分界，如图1所示。把望远镜叉丝对准明暗视场分界，便可以测定出射角的极限方位，再利用自准法测出棱镜面的法线方向，就可以得到极限角，这种方法称折射极限法。将=90代入式（3）折射率的计算简化为 （4）在实际测量中可以把棱镜做成正三棱镜，即其顶角为60，所以折射率计算公式又可以进一步简化为 （5）在完成棱镜的折射率的测定后可以进一步对液体折射率的测定。液体折射率同样使用极限法测量。在折射率和顶角都已知的棱镜面上，涂一层待测液
8、体，再用另一个棱镜或毛玻璃片将液体夹住，从扩展光源射出来的光经过液层进入棱镜再折射其中一部分光线在通过液体时，传播方向平行于液体与棱镜的交界面（如图2所示），即掠入射于设液体的折射率为，三棱镜的折射率为，若有，则有如下关系： 根据几何关系（“”号对应，而），从以上三式消去、，可得 其中“”号用于，“+”号用于的情况。因和为已知（其中棱镜的折射率已经测得，的角度为60），所以只要测出就可以算出。如果用直角棱镜公式就可以简化为（其中角为60） （6）由于已经先测出棱镜的折射率，将式（5）代入式（6）得 （7）此式为用直角棱镜测出的液体的折射率。实验步骤：1.调节分光计并测量三棱镜的顶角。先调节望远
9、镜聚焦于无穷远，照亮十字叉丝后前后移动目镜，使十字叉丝位于目镜的焦平面上，此时看到双十字叉丝像最清晰。然后调节望远镜光轴与仪器轴垂直，调节平台下面的螺丝，（注意：在调节过程中发现小十字的水平线像与上叉丝成一定的角度，这是由于双十字叉丝中的竖线不铅直所致，此时应转动望远镜的套筒。使十字叉丝竖线铅直）再调节三棱镜面与光轴垂直，即可开始测量三棱镜的顶角（本实验中三棱镜的顶角已知，故不用进行测量）。实验中同样采用掠射法测量棱镜的折射率。实验中测出折射光的极限角，并记录于表格中。2.测极限角。（1）先用目测把光路布置好，使光源与棱镜等高，移动整个分光计，同时转动载物台，使棱镜的AB面对准光源，在棱镜角B
10、处轻轻地加一块毛玻璃。这时，观察AC卖弄的出射光，即呈现半明半暗的视场，在望远镜视野中能看到清晰的明暗分界线。（2）将叉丝对准明暗分界线，记下游标读数。（3）转动望远镜至三棱镜的法线位置（利用自准法），记下游标的读数。（4）重复以上的（2）、（3）两个步骤，测量五次数据，并将数据记录于表格中。3.测液体折射率在洗净的棱镜面滴一、二滴蒸馏水，再贴上一片毛玻璃，使水形成均匀薄膜（液体不宜过多，以免弄湿分光计，毛玻璃片和棱镜之间的液层要均匀，不能有气泡）。调节望远镜和光源的位置，测，重复五次。液体折射率的测定实验目的：1.掌握用掠入法测定液体折射率。2.进一步研究学习显微镜、分光计等仪器的使用。实验
11、仪器：分光仪、钠光灯、直角棱镜(两块)、毛玻璃与待测液体。实验数据：（1）棱镜的顶角 60 （本实验中用的棱镜的角度为60，其它实验可以采用不同顶角的棱镜，但以上公式仍然适用）。（2）三棱镜的折射率： 测量次数12345折射光极限位置左游标右游标法线位置左游标右游标角左游标右游标（3）测量出射光：测量次数12345折射光极限位置左游标右游标法线位置左游标右游标角左游标右游标数据处理：测量出棱镜的顶角（已知就不用测量）以及其它的角代入公式即可计算出液体的折射率。计算出的角所以的平均值为这样就可以求出的不确定度，同理可以求出平均值及其不确定度、。 所以液体的折射率为 其中 所以 相对不确定度为所以
12、实验结果表达：实验测得液体（水）的折射率为： 实验心得：本次的试验用到的一个主要仪器是分光计，使用分光计也是本实验的一个难点。在设计方案时，关于如何使用分光计遇到一点困难，但熟悉和掌握分光计后，设计就轻松多了。使用掠影法测量液体折射率是一种比较理想、比较精确的测量方法。分光计是精密仪器，要掌握其使用方法才能保证实验的精确性，使用时应注意以下几点：1.分光计的调节。使用分光计一定要先调节好分光计，这是实验的基础。在调节中要依据“各调一半”的法则来调节望远镜光轴与仪器主轴垂直。2.保证入射光掠射。在放置棱镜时一定要使光线与毛玻璃片平行，也可以适当的倾斜一点，只要保证光线可以掠射入棱镜。3.分光计的读数。为使读数简单而方便，应尽量避免跨零读数。另外，要找准明暗视场分界线，这样才能得到准确的读数。总的来说这次实验并不简单，需要细心、耐心。在实验中遇到困难是在所难免的，遇到困难然后解决困难这也是实验的目的。像找不到法线位置、明暗视场分界线等等，这些都需要细心找，要一定的耐心，不能急躁。9
