利用折射表征盐水浓度*

刘正兵，聂 优，何京鸿

(楚雄师范学院物理与电子科学系，云南 楚雄 675000)

1 引言

在许多工业部门、学校的试验和一些建筑业中常会需要测量到液体的浓度、折射率等物理量［1］。目的、材料不同，测量的方法也不尽相同，本文就测量或监测一些常见透明溶液的浓度提出了一种新的方法——利用折射表征浓度。同时，本文研究设计并制备出测不同盐水浓度的实验装置，通过测不同食盐水所对应的不同折射率来表征食盐水浓度。所设计的装置成本较低，可直接读出食盐水浓度。

2 测量原理与方法

2.1 实验装置

图1为所设计的实验装置示意图，图2为实物图。

图1 测量液体折射率的实验装置

实验装置说明:(1)玻璃矩形水槽;(2)玻璃平板;(3)固定玻璃板的底座;(4)激光器;(5)贴在玻璃板上的一块圆形防水纸，纸上过圆心处有一条竖直向下的直线和一条与之相垂直的水平直线，在水平线以下的半圆内标有角刻度;(6)一块与圆边缘重合的光屏，其与防水纸一样标上相同的刻度。

图2 实验装置实物图

图3 光的折射原理图

2.2 测量原理

设媒质1，2都是透明、各项同性的均匀物质，当一束光线从媒质1入射到分界面上时发生折射。入射光线和折射线光(如图3)与分界面法线的夹角i1、i2即为入射角和折射角。

实验表明:折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与煤质和光的波长有关的常数

比例常数n12称为第二种媒质相对第一种媒质的折射率，两种媒质1，2的相对折射率n12等于他们各自的绝对折射率n1和n2之比

用两种媒质的绝对折射率n1和n2来表示则可以写成:

如果把空气的折射率近似地看成是1，则测公式就变为:

即如果知道入射角i1和折射角i2即可计算出媒质2的折射率

对于本文所设计的装置，在空气中打开激光器，可以直接从圆盘上直接读出入射光线的入射角i1，再向玻璃槽内慢慢注入待测盐水直至盐水面与圆盘上过圆心的水平线相重合时停止注入(调整水槽水平使水面和圆盘上过圆心的直线相重合)，然后再打开激光器，在光屏上读出光线的折射角i2。根据折射率公式便可直接计算出待测液体的折射率。对于一定浓度的NaCl溶液与其折射率有一一对应的关系，故仅需要在如图2所示的实物装置光点刻度处标出与之对应的浓度值便可用来直接测量NaCl溶液浓度。

2.3 实验

(1)用温度计测量实验室的室温并记录。

(2)配置NaCl溶液:将一张A4纸放置在电子天平上，打开电子天平的电源，读出一张A4纸的质量m并记录，再向A4上倒上准备好的NaCl固体读出天平的示数M，M－m即为NaCl的质量，再将NaCl倒入烧杯中，根据浓度的要求用量筒测量相应纯净水的体积并根据水的密度将水的体积转化为质量倒入放有NaCl的烧杯中并用玻璃棒搅拌，配置出要求浓度的NaCl溶液。

(3)在空气中打开刻度盘上的激光器，让光束射到刻度盘下面的光屏上，从光屏上读出示数，此示数即为光屏的入射角i1。

(4)将已准备好的固定有激光器的刻度盘放入玻璃水槽中，使刻度盘面与水槽的一个面保持平行。

(5)将烧杯中的NaCl溶液慢慢注入到水槽中，调整水槽的水平度，直至盐水面注入到与刻度盘过圆心的水平面相重合时停止注入。

(6)待水面平静以后，打开激光器，光束则通过水的折射照射到水下面的标有刻度的光屏上，此时记录下光屏上的示数。

(7)按照步骤(1)的方法配置不同浓度的NaCl盐水溶液，依次测量他们的折射率。

表1是在入射角为固定值i1=45°，室温27℃时不同NaCl溶液浓度及其对应所测得的折射率，

表1 不同NaCl溶液浓度及其对应折射率(T=27℃;i1=45°)

根据所测数据以NaCl溶液浓度为X轴，以其对应的折射率随NaCl溶液浓度变化如图4所示。

如图4可以看出，在一定温度下，NaCl溶液的浓度和其折射率呈线性关系，即当NaCl溶液浓度增大其对应的折射率的浓度也随之增大。对所测数据线进行线性拟合，用变量x表示NaCl溶液的浓度，y表示与其对应的折射率，并设拟全直线方程y=Ax+B。

图4 NaCl溶液浓度与其折射率的关系图

此方程为NaCl盐水浓度与其折射率的线性方程，只要测出NaCl盐水的浓度代入方程即可求出此浓度下的折射率。再在光点刻度处标出与折射率对应的浓度值则可直接测量并读出NaCl溶液浓度值。

3 结论

本文提出的利用折射表征浓度方法切实可行，装置制作成本较低。本文研究设计并制备出测不同盐水浓度的实验装置，可直接读出食盐水浓度。并通过实验测量得到NaCl盐水折射率随浓度变化的经验公式为y=0.003048x+1.3254(x代表的是盐水的浓度，带入方程即可求出折射率y)。实验结果表明盐水的折射率和其浓度成线性关系，且随着盐水浓度的增加其折射率随之增大。

本文设计实验装置可以用来监测透明液体的折射率，但应根据不同的待测液体合理选择不同大小的圆盘以提高测量的精确性。圆盘直径越大，相同角度在圆盘边沿所对应的弧度线段就越长，表刻度和读数时也就越精确，所以应根据待测液体价格等各方面因素合理选择圆盘的直径(因为圆盘直径越大，水槽内所要装的待测液体的量的要求就越大)，减小实验时读数的误差。同时激光器光束的粗细会对实验读数时带来误差，尽量选择光束较细的激光器作为实验的光源可以减小误差。

［1］陈余行，马振斌.最小偏向角法测量NaCl溶液浓度与折射率 ［J］.实验科学与技术.2010.12(06):1—10.

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