液体的折射率测定

1评分：大学物理实验设计性实验实验报告实验题目：液体的折射率测定茂名学院物理系大学物理实验室实验日期：2009年12月3日班级：姓名：学号：指导教师：陈丽娜实验23《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。学生根据自己所学的知识，并在图书馆或互联网上查找资料，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，写出完整的实验报告，也可按书写科学论文的格式书写实验报告。设计要求⑴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。⑵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。⑶测量5组数据，。⑷应该用什么方法处理数据，说明原因。⑸实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。实验仪器分光仪、钠光灯、毛玻璃与待测液体，实验提示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ci。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光线的出射角'i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1n与棱镜顶角A、最小出射角'i有如下关系：21sincos'sin1AAin若在AB面加折射率为n的待测液体，上述关系又如何。提交整体设计方案时间学生自选题后2~3周内完成实验整体设计方案并提交。提交整体设计方案，要求用纸质版(电子版用电子邮件发送到指导教师的电子邮箱里)供教师修改。液体的折射率测定实验目的：1.巩固对分光计的使用方法。2学习用掠入射法测定液体折射率。实验仪器：分光计、钠光灯、三棱镜、少许脱脂棉、酒精、毛玻璃及待测液体(水、酒精)实验原理：1.三棱镜折射率的测量如图1所示，将折射率为1n的待测物体放在已知折射率为2n的三棱镜的折射面AB上,且21nn.若以单色的扩展光源照射分界面AB时,则从图1可以看出,入射角为90的光线1,将射到AB界面而折射进入三棱镜内.显然,其折射角i应为临界角.因而满足关系式1'2sinnin（1.1）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112sinsinn（1.２）除光线1外,其他光线如光线2在AB面上的入射角均小于90,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为分界线的明暗半荫视场,如图1所示.由图1可以看出,三棱镜的棱镜角A与i及角有如下关系（1.3）而棱镜的折射率与上述方法相似，当取得极限角时,根据图2由三角形角之间关系可得出：222222sin1sinsiniAni由此两个式子，可得：2222222222sinsinsinsincoscossinsincossinsincossintansincosiAiAiAiAiAiAiA所以棱镜的折射率为:A12nNiBC明暗图1iA222222221111sinsintansincos1sinniiiAA（1.4）2.液体折射率的测量光从一种介质进入另一种介质时会发生折射现象，当入射角为某一极值（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，就可以实现对液体折射率的测量。应用式（1.1），（1.2）、（1.3）和（1.4）且消去'i、1、、2n后可得：22111111222222211.sinsinsincoscossinsincossinsincossin1cossinsinsinsiniAAAAAAAAAnnnnn即所求液体的折射率为：222111sincossin1cossinsinsinAnAAA（1.5）因此，当取得极限角时，用分光计分别测出，三棱镜与加工后的三棱镜对纳灯发出的黄谱线的极限角1、2，即可由式（1.5）计算出待测液体的折射率1n．上述测定折射率的方法即为掠入射法，是基于全反射原理.按照图2所示，纳灯发出的光经棱镜折射，转动望远镜，使明暗区域的分界线与望远镜的双十字叉丝的竖直线重合，记录两游标的读数1和'1。再转动望远镜，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），记录相应的两游标读数2和'2。则极限角：''21212（1.6）实验步骤及内容：1.分光计调节(1)目测粗调，目测调整望远镜光轴、平行光管轴、载物台平面、三者大致垂直于分光计中心旋转轴。(2)望远镜调焦到无穷远，适合观察平行光。图2(3)利用二分之—调节法，调节望远镜的光轴和仪器转轴垂直。2.测量三棱镜对纳灯黄线谱的极限角1，转动望远镜，使明暗区域的分界线与远镜的双十字叉丝的竖直线重合，记录两游标的读数1和'1。重复测量5次，记下实验数据。3.如图2所示,将待测液体滴在棱镜1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.测量液体对纳灯黄谱线的极限角2，再转动望远镜，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），记录相应的两游标读数2和'2。重复测量5次，记下实验数据。5.求出纳灯黄谱线的折射率1n，并计算其相对不确定度。注意事项：1.调节后的分光计在使用中，不要破坏已调好的条件。2.镜头，平面镜和三棱镜切勿用手摸。3.不能强行扳转望远镜和游标盘。实验数据:1（三棱镜）测量次数1234511624′30″1621′30″1622′00″1623′00″1623′30″'119625′00″19621′00″19622′30″19623′30″19623′00″25537′30″5538′30″5538′00″5539′30″5538′30″'223537′00″23539′00″23539′30″23540′00″23539′00″2（液体）测量次数1234514545′00″4546′00″4545′30″4545′30″4544′30″'122546′30″22547′30″22546′00″22546′00″22545′30″25539′00″5539′00″5538′30″5538′00″5539′30″'223540′30″23540′30″23539′00″23539′30″23540′00″三棱镜的顶角为:()60A仪器误差inst=2′数据处理:1、极限角1、2：1121211155370016243023537001962500223913000.685同理可得12391800133917000.686143917000.686153916000.68511112131415110.6850.6860.6860.6860.6850.68655其不确定度为B类不确定度：20.000333instu；2111222221110.6850.6860.6860.6860.6860.6860.6860.6860.6850.686)]40.0007niiSn[（）（）（）（）（；2222110.00080.00030.0007sUu同理可得：21954000.17322953000.17223953000.17224953150.17325955150.17322122232425110.1730.1720.1720.1730.1730.173552221222221110.1730.1730.1720.1730.1720.1730.1730.1730.1730.173)]40.0007niiSn[（）（）（）（）（2222220.00080.00030.0007sUu2、液体的折射率：2221112211112221sincossin1cossinsinsin39.27cos60sin601sin9.89cos60sin9.891.3324sin601sinsin22coscossincos[1()]sinsin1sin602sinAnAAAAnAAA221222222221sin(29.89)cos60cos9.890.58sin39.27cos60[1()]sin9.89sin60sin22coscos11sin(239.272cos60cos39.2722sin39.27cos60sincos[1()]sin9.89[1()]sinsin60sinnAAA0.34其相对不确定度为：1212114222222220.580.00080.340.0008510rUUnnU其不确定度为：1145101.33240.0007rUnnU实验结果：所测量液体的折射率为：11.33240.0007n（；4510rU实验心得：完成这个实验了，给我的感受就是原来这个实验非常的简单，一开始给吓到了。调节好分光计之后，最关键的一步就是找出明暗分解线，因为不会摆那个棱镜，所以可能明暗分界线不明显，找不出来，后来发现了窍门。之后的工作测角度就十分容易了，测数据只用了半个小时。数据处理也比较少和简单，感觉自己蛮幸运的。这次设计性实验令到我明白做事情不要被表面的现象吓到了，而不敢去做，我深刻认识到一句说话：做了不一定成功，但是不做就一定不会成功。