液体折射率测定的设计与实现完整版

1液体折射率测定的设计与实现班级：农机112学号：201102120724姓名：顾宋佳摘要：分光计又称光学测角仪，是一种分光测角光学实验仪器。分光计是一种具有代表性的基本光学仪器，通过用掠入射法测三棱镜的折射率和设计实验测量液体折射率。可以让我学好分光计的调整和使用，为今后使用其他精密光学仪器打下良好基础。关键词：分光计、掠入射法、三棱镜、液体、折射率一、引言：分光计是一种分光测角光学实验仪器。分光计是一种具有代表性的基本光学仪器，学好分光计的调整和使用，可为今后使用其他精密光学仪器打下良好基础。二、实验任务：1．温习分光仪的结构，并掌握分光仪调节和使用方法2.学习用掠入射法测定三棱镜和待测液体的折射率三、实验仪器JJY分光仪（本实验不提供平面镜），钠光灯，黑玻璃，三棱镜，水槽，水四、实验原理1.分光仪的调节（1）目测粗调目测调节望远镜光轴﹑平行光管光轴﹑载物台平面，三者大致垂直于分光中心旋转轴。目测是重要的一部，是进一步细调的基础，可以缩短调整时间。（2）望远镜的调焦，使之能接受平行光，调节步骤如下：1.目测调焦先通电照明，再旋转目镜调节手轮，调整目镜与分划线相对位置，使叉丝与小十字变清晰为止。2.物镜调焦将载物台紧贴台基，置平面镜于台上，使平面镜放置时，与平面与载物台下螺钉G2，G3连线垂直，再使望远镜光轴大致垂直平面镜，再调望远镜倾度调节螺钉，左右转动载物台，使之能看到十字反射像，然后松开调焦锁紧螺母，前后调节目镜镜筒并调节分划板与物镜相对位置，是小十字及其反射镜皆十分清晰为止，最后消除视差—微调目镜系统，眼睛左右移动时，小十字反射像与叉丝无相对位移。2（3）调节望远镜光轴及载物台面垂直于仪器中心转轴。调节步骤如下：1.旋转载物台，使平面镜前后两面反射的十字反射像皆在视场内，说明：自习调望远镜倾度调节螺钉，使之前后两面都能看到十字反射像，设其中一反射像与上十字叉丝距离为h。2.调节载物台下G2或G3两螺钉之一，使此h缩短为h／2，在调节望远镜倾度调节螺钉，使十字反射像与十字叉丝重合。3.旋转载物台，用“各半”调节法使另一反射面的十字反射像与“上十字叉丝”重合，这需要2，3两步反复调整数次，要细心，耐心。4.将载物台转动90°后放在载物台，调节载物台下螺钉G1，使十字反射像与上十字叉丝重合。2.用掠入射法测三棱镜的折射率掠入射法测三棱镜折射率的原理如图23-1所示。按照图23-1摆好实验仪器，用扩展光钠光灯源（用钠光灯照亮的毛玻璃）照明该棱镜的折射面AB，用望远镜对棱镜的另一个折射面AC进行观测。在AB界面上图中光线a、b、c的入射角依次增大，而c光线为掠入线（入射角为90），对应的折射角为临界角，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整体移动分光计或刻度盘使钠光灯大体位于AB光学面的延长线上，用眼睛在出射光的方向找到一个明暗相间的分界线，再将望远镜转至该方位—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，使竖直“+”字叉丝对准明暗相间的分界线，将刻度盘固定记下左右游标读数1i和2i。记下转动望远镜AC面的法线位置，记下两游标读数3i和4i，从而可求光线经过三棱镜的最小出射角i。在棱镜中再也不可能有折射角大于ci的光线。在AC界面上，出射光a、b、c的出射角依次减小，以c光的入射角为90,出射角'i为最小，称为极限角。因此，用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。证明如下：其中棱镜的折射率n与棱镜顶角A、最小出射角'i当一束光以入射角i射入三棱镜一光面上，由光折射定律可得：三棱镜的折射率n1/sinA222sinsin(sincossin)iAiA由图23-2可得到几何关系,rrA3当入射光平行界面入射时，入射角i=90，代入化简可得图23-23.液体折射率的测量原理将一、二滴被测液体均匀地滴在毛玻璃的表面，然后贴在三棱镜的AB面上(此动作要轻，不要使三棱镜位置发生移动)，使液体形成一均匀的薄膜（液体不用过多，过多就用吸脂棉吸收）。整体移动分光计或刻度盘使钠光灯大体位于AB光学面的延长线上，用眼睛在出射光的方向找到一个明暗相间的分界线，再将望远镜转至该方位—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，使竖直“+”字叉丝对准明暗相间的分界线，将刻度盘固定，记下左右游标读数1和2。记下转动望远镜AC面的法线位置，记下两游标读数3和4，从而可求光线经过待测液体的出射极限角。当钠光灯扩展光的光线以90°掠入射时，证明如下：由图23-3可以看出,入射角为π/2的光线1,将射到AB界面而折射进入三棱镜内.显然,其折射角应为临界角.因而满足关系式sin=xn/n(23-1)当光线1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,有sinnsin(23-2)2sincos'sin1AAin4除光线1外,其他光线如光线2，光线3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1左侧.当用望远镜对准出射光线方向观察时,视场中将看到以光线1为分界线的明暗相间半明半暗的视场,如图23-2所示.由图23-2可以看出,三棱镜的棱镜角A与及角有几何关系可得：+=A利用上式,并从(23-1)和(23-2)两式中消去和,得上式中，n为棱镜的折射率，为极限角。图23-3五、实验内容及步骤：(1)按照分光计调节要求和方法,调节分光计。（2)用掠入射法测量出1i，2i，3i，4i，利用公式''.'2'2422'22'sin60sin91912cos9191211.6475sin60(cos60cos91912)1.21.610180601.6475sin919121.6475sin91912。。。。。22。。（）（）（）（）求出极限角i，重复测量5次，求极限角平均值和不确定度并由此计算所给三棱镜的折射率n、不确定度U(n)。(3)如图23-3所示摆好实验仪器,将待测液体滴在三棱镜的AB面上,并用另一毛玻璃AB的一个表面AB与AB面相结合,使液体在两棱镜接触面间形成一均匀液膜,然后置于分光计载物平台上。(4)点亮钠光灯,旋转载物平台或望远镜,在出射光方向AC面找到半荫视场分界线，利用自准直的调节方法,使“+”字像与上叉丝中心重合，将刻度盘固定，记下左右游标读数1和2，测出AC面的法线方向(即使望远镜的光轴垂直于AC面)，使望远镜叉丝对准分界线,记下两窗口（即两游标）的读数3和4。(5)由公式计算出，重复测量5次,求平均值与不确定度。sincossinsin22AnAnx5（6）利用（23-3）式子求出液体折射率xn、不确定度U(xn)、相对不确定度Ur(xn)。注意：有关角度误差的数值要以弧度为单位注意事项：1.调节后的分光仪在使用中，不要破坏已调节的条件：分光计上可调螺钉较多，要明确它们的作用2．实验时，要注意保护仪器，手不能触摸棱镜光学面，也不准用手，海绵等物擦拭，必要时可用擦镜纸揩去。3.调整分光计的过程中，一定要耐心按照正确的步骤进行调整。4.测量液体折射率时，液体不能滴太多，以免弄湿仪器。实验完毕要擦试净。5.平面镜，三棱镜要放置好，以免摔破。6.实验完毕要整理仪器，打扫卫生，保持实验室整洁。六、实验数据处理及分析：已知：'()2ms60A。次数测量数据1i2i3i4ii156°35’236°32’296°28’116°29’60°2’256°38’236°34’296°31’116°31’60°2’356°37’236°35296°31’116°31’60°2’测量数据次数明暗分界线垂直位置=1/2[|3-1|+|4-2|]1234155°10’235°10’44°32’224°35’10°36’255°12’235°8’44°31’224°37’10°36’6355°10’235°11’44°32’224°34’10°37’454°51’234°55’44°35’224°35’10°18’555°10’235°11’44°30’224°33’10°9’由公式'1324()()2iiiiii可得I1’=（|56°35’-296°28’|+|236°32’-116°29’|）/2=60°2’同理可得'2i=60°2’'3i=60°2’i==60°2液体折射率的计算由公式'1324()()2i可得Φ1=10°36’同理可得'2=10°36’，'3=10°37’，4=10°18’，'510°9’Φ=(Φ1+Φ2+Φ3+Φ4+Φ5)/5=10°27’A类不确定度'211()1niiSn=2’46”Bum（s）类不确定度3='23不确定度22+uUS=1°9’20”由公式又代入数值可得xn=2''sin601.6475sin91912cos60sin91912。。2。。（）（）=1.4181sincossinsin22AnAnx7由不确定传递公式222NxyzfffUUU+U......xyz222（）（）（）对进行求导xn=-22sinsincossinAn-coscosA对n进行求导xnn=22sinsinnAn待测液体折射率xn的不确定度U(xn)=2222xxnn()()nUUn=22222222sinsincossinsin(coscos)()sinsinnAAAUUnn=''.'2'2422'22'sin60sin91912cos9191211.6475sin60(cos60cos91912)1.21.610180601.6475sin919121.6475sin91912。。。。。22。。（）（）（）（）=4210相对不确定度Ur(xn)=xxU(n)n100=42101001.3388=0.02实验结果的表达：xn=（1.41810.0002)Ur(xn)=0.02八、实验心得：通过这次设计型试验感觉受益匪浅，与以前的依着老师给我们的示范画瓢实验不同，这次的作业充分体现出注重实验的探索性，通过自主设计实验目的，实验仪器，实验原理以及实验步骤，清楚了实验与理论的关系，结合实验中出现的问题以及实验技能的有关问题，通过用掠入射法测三棱镜的折射率和设计实验测量液体折射率。可以让我学好分光计的调整和使用，为今后使用其他精密光学仪器打下良好基础。使我对物理实验的那个精益求精以及对实验数据的尊重的精神，有了更加深入的理解。通过自己独自的设计以及做完整个实验，有了一定的成就感，在这里衷心的感谢戴朝卿老师的悉心讲解。九、文献参考书籍：大学物理实验模块化教程（理工类）赵丽华戴朝卿等编网址：