固体与液体折射率测量仪的研究与设计

刘文琼

关键词：折射率仪；折射率

  一、引言

折射率是物质的重要光学常数之一，在科研和生产实际中常需要测量它，借以了解物质的光学性能、纯度、及浓度大小等。

目前我们实验室和工业生产中测量物质折射率时一般是利用分光计或阿贝折射计。这种方法原理复杂，折射率与角度线性关系不够好，计算繁琐，带来误差较大，且实验仪器的调节很麻烦费时，一般不能从仪器上直接读出物质的折射率，仪器也较贵，比较笨重，携带不便。

  二、折射率测量仪的设计研究

  1.液体折射率测量仪的设计

（1）设计方法：

液体折射率测量仪设计成可以漂浮在水面上，如图1所示，AB线、AB1线为事先刻画出在测量仪面板上，CB为可以转动的细杆，入射光线AB段长度=R2。折射光线BC段长度=R1。设计成R1=R2=R，B1B长度=2r时，根据折射率公式可得

折射率n=sinα/sinβ=（x/R）/（r/R）=x/r.

测量时要求入射光线或折射光线（光线从空气中射入待测液体中时）与AB线重合，x位置处标注有上述折射率公式计算出的折射率数值和刻度。

（2）使用说明：

测量时，将装置浮于待测液体上，转动杆CB，使得液体中折射光线与测量板上的AB线重合，此时所指的刻度线对应的数值即为液体的折射率。

该仪器适用于待测液体量多，但不需取量的条件下，可直接将装置放置在液体中开启激光源，转动杆到合适位置，待仪器稳定后即可读数。

  2.平板式固体折射率测量仪的设计

（1）设计方法：

其设计原理与液体折射率测量装置相同。如图2所示，该测量仪设计为一块不透明薄板，图中标示的AB，A1B1分别为可绕A点、A1点转动的在薄板底部的细杆，其上竖有a、b、c、d四根细针，用于测量时相互对准，它们在杆转动时可沿黑色圆弧槽转动。另外没有標示的两细杆和四根细针与其它的相同，为对称设计。

（2）使用说明：

测量时将待测固体置于装置上，其中待测固体的长度为X，平行地调节细杆AB和A1B1，使得沿着BA方向看时细针a、b在透明固体中的像与细针c、d重合，沿B1A1方向看时，同样a、b在透明固体中的像与c、d重合，即看起来a、b，c、d在同一直线上。此时由b、d所对应刻度线的值即为固体的折射率。可由两对角方向分别测量，读取固体折射率的两个测量值，然后取平均，以减少误差。

  3.折叠式固体折射率测量仪的设计

（1）设计方法：

折叠型固体折射率测量仪的设计方案的设计原理与液体折射率测量装置和平板型固体折射率测量仪相同。该折叠型装置最大的优点是携带方便，不使用时可将仪器折叠起来，该装置测量折射率时不受固体两平行面间的长度限制，对两侧面的整体平行度要求较低。固体折射率测量仪器，可用于测定透明固体的纯度和品质，例如测量玻璃的纯度等。如图3所示：

（2）使用说明：

测量时，将待测透明固体夹在四根转动刻度尺中间，转动刻度尺与待测固体的侧面对齐，由双向刻度尺读出R2的长度值，然后沿可转动刻度尺推动圆规脚到R1=R2的值处，转动可转动刻度尺使其画出圆弧，调节两原点对称的对准刻度尺上的细针对准，对准后移动滑动刻度尺到圆弧与对准刻度尺中心线的交点，由滑动刻度尺读出该交点到竖直刻度尺中心线的距离x，再推动竖直刻度尺中的可滑动指针，使其指向水平刻度尺上的数值，即可读出r的数值，由n=x/r可求得固体折射率，可由两对角方向分别测量（如仪器平面图的左上侧部分和右下侧部分对准测量以及左下侧部分和右上侧部分对准测量）得两试验值取其平均，以减少误差。

  三、折射率测量仪测试

通过设计的液体折射率测量仪，用来测量常温下自来水的折射率，可测得水的折射率约为1.33，与实际水在20℃时的折射率为1.3330基本一致。

测试用的工厂生产的固体玻璃的折射率为1.5163，经该设计的固体折射率测量仪测得的折射率为1.52，基本一致。

本文设计的折射率仪，原理简单，仪器使用方便，调节简单，精度较高，携带方便，能直接快速读出所测透明物质的折射率，且制作过程相对也很简单。

参考文献：

[1]赵凯华，钟锡华.光学[M].北京：北京大学出版社，1984.

[2]丁慎训，张孔时.物理实验教程[M].北京：清华大学出版社，2001.

（作者单位：衡阳市第八中学）