一种基于分光计测量透明液体折射率的新方法

崔振杰，张斯琪，李晓蕾，王世燕

(中国石油大学(华东)，山东 青岛　266580)



一种基于分光计测量透明液体折射率的新方法

崔振杰，张斯琪，李晓蕾，王世燕*

(中国石油大学(华东)，山东 青岛266580)

提出了一种测量透明液体折射率的新方法。该方法基于分光计的拓展性应用，利用激光准直的特点并结合自制的液体容器，实现了液体折射率的快速准确测量。

分光计;半导体激光器;液体折射率

分光计测量法作为一种简单精确的测量方法，被广泛地应用在物理及化学量的测量中。实验中通过对角度的直接测量，包括反射角、透明物体的折射角、光栅的衍射角等，可以确定与这些角度有关的物理量如折射率、光波波长、衍射光谱等[1]。在此基础上，提出了一种基于分光计测量透明液体折射率方法。

折射率是物质的重要光学参数之一。液体折射率通常与液体的浓度有关，因此通过折射率数值来判断样品的质量已成为一种重要的鉴别方法。目前，大学物理实验中液体折射率的测量主要有衍射光栅法[2]、掠面入射法[3]、杨氏干涉法[4]和干涉对比法[5]等等。利用激光准直的特性并结合自主设计的液体容器，可快速准确的测量出液体的折射率。

1　实验原理

当光从一种介质斜射入另一种介质时会发生折射。实验中将待测液体置于玻璃容器中，半导体激光器发射的激光以角φ1入射到玻璃表面上，假设玻璃的折射率为n0，n0n0待测液体折射率为n，经平板玻璃和液体介质多次折射后以φ2出射,如图1所示。

由折射定律可知：

sinφ1=n0sinθ1=nsinθ2

(1)

nsinθ3=n0sinθ4=sinφ2

(2)

θ2+θ3=90°

(3)

由此可知待测液体的折射率为：

(4)

2　实验仪器设计

由于液体没有形状，因此必须放于合适的容器进行测量。首先我们利用实验室现有的玻璃容器进行实验测试，其尺寸为外长8.85cm，内长8.10cm，外宽4.65cm，内宽4.00cm。经过多次操作发现实验过程中无法在望远镜中观察到折射光线。考虑到液体容器对实验的影响，实验组对容器重新进行了设计制作。如图2所示，以玻璃和水的入射接触面为例，水的折射率取n=1.33，玻璃的折射率取n0=1.51。以容器俯视图为标准，如图2所示，设折射角θ1所对应的容器边长为x，容器的内宽为d。

图2　容器俯视分析图

由折射定律可知：

(5)

当折射光线恰好沿容器边缘出射时：

(6)

(7)

(8)

3　实验内容

(a) 如图3所示为自制液体容器的俯视图，首先对液体容器的各个面编号：前方为1，后方为2，右方为3，左方为4。

(b) 利用“镜外寻像法”快速调节分光计[6-8]使其达到“自准直”状态，使激光器发出的光准直穿过望远镜的镜筒，未放器皿前读出刻度盘示数为θ3。

图3　自制容器俯视图

注：由于我们用面1、面2来测量入射角和折射角(详见以下步骤)，由推导过程可知必须保证其平行。

(d)图3自制容器俯视图调节分光计使其达水平状态。正方体玻璃仪器与分光计垂直放置，则可在望远镜中看到十字叉丝的像与分划板上方的“十字”重合(此时观察方向为面1的法线方向)，读出此时的刻度盘示数为θ4，则|θ3-θ4|=φ1。

(a)

(b)图4　液体折射率测量实验图

4　实验结果

利用JJY型分光计和532nm绿光半导体激光器，对20 ℃水和酒精的折射率进行多次测量，结果如下：

表1　水的折射率测量数据(温度:20 ℃)

表2　酒精的折射率测量数据(温度:20 ℃)

由测量结果可以看出，测得的水和酒精的折射率接近理论值，准确度高。与传统的测量液体折射率的方法相比，该方法操作简单、误差小，实验过程无污染，充分证明了该方法的可行性、科学性。

5　结　　论

详细介绍了利用分光计测量液体折射率的一种新方法。将透明液体折射率的测量转化为光学现象中入射角、折射角的测量，使测量对象更加直观、容易控制，使操作更加简单方便。经过理论推导和实验操作，验证了分光计测量液体折射率的科学性和可行性；分析出实验现象与仪器形状的定量关系，使得实验更加科学准确，同时锻炼了学生发现问题解决问题的能力。该实验设计的测量方法可以应用到大学物理实验中，作为设计实验扩展学生的思维，激发学生的创新创造能力。

[1]李书光,张亚萍,朱海丰,等.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2012：130-142.

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[3]金清理,柯见洪.用掠入射法测量液体折射率和浓度[J].2002,21(3):52-54.

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[6]高海林,高扬.分光计的调整技巧[J].实验室科学,2008,6:143-145.

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A New Method for Measuring Liquid RefractiveIndexBasedonSpectrometer

CUI Zhen-jie,ZHANG Si-qi,LI Xiao-lei,WANG Shi-yan

(China University of Petroleum,Shandong Qingdao266500)

Itcomesupwithanewmethodformeasuringtherefractiveindexoftransparentliquid.Themethodisbasedontheexpandingapplicationofspectrometer,whichtakingadvantageofthecollimatingcharacterofsemiconductorlasersourceandusingtheself-designedcontainer.Theresultsshowthatitcanquicklyandaccuratelymeasuretherefractiveindexofliquid.

spectrometer；semiconductorlaser；liquidrefractiveindex

2016-03-15

中央高校基本科研业务费专项资金资助(15CX02077A) ；中国石油大学实验教学改革项目(JYA2014 02)；中国石油大学(华东)大学生创新训练项目资助(20151334)

1007-2934(2016)04-0067-03

O435.1

ADOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.004.022

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