两种测量液体折射率光学方法的对比实验研究
两种测量液体折射率光学方法的对比实验研究[20200101170902]
本文在研究了四种常用测量折射率的方法基础上，利用牛顿环法和改进后的迈克耳孙干涉仪测量液体折射率，分析它们的测量原理、方法和步骤，在原迈克耳孙干涉仪基础上设计了一个附加装置，该装置可使动镜能底座的带动下在待测液体内前后移动。 本文分别用上述两种新的测量方法对水、乙醇和丙三醇进行了测量。结果表明，牛顿环法虽然原理简单、操作方便，但是精度不高，可测量的范围小；迈克尔逊干涉法测量所得数据精度高，测量范围广，但是操作不便，过程繁琐。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:液体折射率,牛顿环,迈克尔逊干涉仪,干涉暗纹
目 录
1 引言1
1.1 研究背景和研究意义1
1.2 国内外研究状况1
2 常用的液体折射率测量方法介绍1
2.1 掠射法1
2.2 激光照射法2
2.3 光纤杨氏干涉法3
2.4 劈尖法5
3 利用牛顿环装备测量液体折射率6
3.1 牛顿环测量原理和思路6
3.2 实验内容8
3.3 实验数据9
4 利用迈克尔逊干涉仪测量液体折射率10
4.1 迈克尔逊干涉仪原理11
4.2 实验思路12
4.3 实验内容15
4.4 实验数据17
5 对两种方法测量结果的比较与分析18
5.1 对两种测量方法的比较18
5.2 分析引起误差的因素19
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
1.1 研究背景和研究意义
折射率是透明介质的一个光学性质，在工业生产和科学技术的研究过程中，折射率是一个非常重要的物理量。随着当今科学技术的迅速发展，折射率几乎涉及每个部门，比如化工、医药、食品、石油等工业生产部门。可以看出，液体折射率不仅在工农业生产过程中不可替代，还与我们的日常生活关系密切。因此测量液体折射率意义重大，且富有现实价值。
牛顿环属于等厚干涉仪器，可以测量光的波长、微小长度、曲率半径、角度等，又因其测量精度较高，所以在科学研究中应用非常广泛。迈克尔逊干涉仪在历史上非常著名，可以用它来观察光的干涉、测量微小长度、测量透明介质折射率、研究各种因素对光的传播的影响等，已被研制成各种精密仪器，应用场合十分广泛。同时牛顿环装置和迈克尔逊干涉仪是大学物理实验室常见的仪器，本设计是对上述两个传统仪器进行改进用以测量液体折射率。因此，本次设计既扩展了实验室原有的实验仪器的测量功能以及测量范围，开拓了视野，又同时提高了学生的独立思考能力、创新能力[1]。
1.2 国内外研究状况
目前国内外测量液体折射率有许多方法，传统成熟的测量方法有两类：几何光学法，物理光学法。几何光学法是根据折射、反射、全反射定律为理论基础，通过测量光线在通过材料后偏折的角度来确定材料的折射率，如成像法、临界角法、激光照射法、阿贝折射仪法等[2]。物理光学法主要根据介质对透射光相位的影响来测定物体的折射率,主要有劈尖法、迈克尔逊干涉法、牛顿环法、光纤杨氏干涉法[2]。日新月异的科学技术发展迅速，也出现了一些新的测量技术如：CCD测量法、图像处理技术等都可以用来测量液体的折射率，这些测量方法观察方便、精度高。本文将会在第2部分选择上述所提到的一些方法进行较为详细的分析。
2 常用的液体折射率测量方法介绍
2.1 掠射法（阿贝折射仪）
如图1中的图（a）所示，将少量待测液体夹在三棱镜毛面和三棱镜之间，在光线入射待测液体时，有一部分光线是与三棱镜表面相平行的，根据全反射原理这部分入射光线的出射角最大。因此，我们会在出射角的视场中找到一个明暗分界线，根据相关角和液体折射率的对应关系我们就能够得到数值，这就是阿贝折射仪测量液体折射率的原理。角A是三棱镜的顶角， 是平行入射光线进入三棱镜后的折射角， 是折射光线在三棱镜的出射面的入射角，我们需要测量出射视场中的明暗分界线与法线之间的夹角 。
(a) 图1 (b)
假设待测液体的折射率是 ，已知三棱镜的折射率 ，根据几个关系我们可以得到： ，再依据折射定律我们可得到液体折射率的计算公式[3]： (1)
还有一种情况，就是图1中图（b）所示的情况，即当我们所选的三棱镜的折射率 较大时，这时会有： ，则此时的的液体折射率变为：
（2）
由以上所述的测量方法和计算公式，我们可以看出阿贝折射仪测量液体折射率的过程中，能导致误差的地方有许多，并且最后的计算公式也较为复杂。
2.2 激光照射法
激光照射法的原理是利用光线经过玻璃板上表面的反射，与光线在液体表面的反射和通过液体的折射之间的关系来测量折射率。实验装置如图2所示，实验仪器有样品槽、玻璃板、观察屏、He-Ne激光器和待测液体。如图，样品槽里放有一块玻璃板，可以通过调节下面的螺丝旋钮使玻璃槽呈水平状态。本实验选择He-Ne激光器这一常见的激光器作为光源，在以某一角度 作为入射角照射在玻璃板上时，玻璃板会将光线反射到与地面垂直的观察屏上，此时观察屏上会出现一个光斑，在观察屏上标出这个光斑的位置N。然后缓慢地在样品槽内加入待测液体直至在玻璃板上层形成一个薄的待测液体层，此时有两个光斑同时出现在观察屏上，分别标注出此时两个光斑的位置，其中一个光斑 是人射光经液体折射后再由玻璃板反射，最后再经空气折射形成的，另一个光斑 是入射光直接经待测液体上表面反射形成的[4]。
图2 激光照射法实验装置图
由几何知识，得到入射角 ：
（3）
不妨将空气折射率定为1，由折射定律和几何关系，获得折射率公式： （4）
由上述原理可以知道，在使用这种方法测量液体折射率的时候，只需测出公式（4）中出现的几个点之间的距离，待测液体的折射率就很容易得到了。但是在实验过程中，想要准确地在观察屏上找到最强的光斑不是很容易的，如果光斑找错了那么实验的误差就会增大。
2.3 光纤杨氏干涉法
单模光纤具有芯径小、材质均匀、传光性能好等优点，因此可以作为理想点光源。光纤杨氏干涉法的原理就是利用光纤作光源，发生杨氏干涉现象，从而得到视场明亮同时又有较宽条纹的干涉图样，再对条纹宽度进行测量，从而计算出待测液体的折射率。如图所示，在盛液容器左侧面固定两根光纤的一端B，毛玻璃板是粘在容器上的，且垂直于光纤轴[5]。本实验选择He一Ne激光器，由激光器发出的激光入射进两根单模保偏光纤里，因为两根光纤的端面处于同一平面，所以这两根光纤可以在同一时间接收源自同一波阵面上的光，耦合时A端的光传递到B端，射出发散角 。因为所选的这两根光纤的长度相等，所以从光纤B端发射出来的两束光的相位也应当相同，那么此时两根光纤在B端的端面就可以等同于发光的两个圆孔。因为保偏光纤具有能保持光的偏振方向恒定的性质，因此在两根光纤所射出的光束有一样的偏振方向时，直接透过毛玻璃就可以看到明暗相间的干涉条纹[4]。
图3 杨氏干涉法的实验装置图
令 为两根光纤中心之间的距离， 是毛玻璃板到光纤B端的距离，从读数显微镜读出干涉条纹的宽度为 ，可得到待测液体的折射率为：
本文在研究了四种常用测量折射率的方法基础上，利用牛顿环法和改进后的迈克耳孙干涉仪测量液体折射率，分析它们的测量原理、方法和步骤，在原迈克耳孙干涉仪基础上设计了一个附加装置，该装置可使动镜能底座的带动下在待测液体内前后移动。 本文分别用上述两种新的测量方法对水、乙醇和丙三醇进行了测量。结果表明，牛顿环法虽然原理简单、操作方便，但是精度不高，可测量的范围小；迈克尔逊干涉法测量所得数据精度高，测量范围广，但是操作不便，过程繁琐。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:液体折射率,牛顿环,迈克尔逊干涉仪,干涉暗纹
目 录
1 引言1
1.1 研究背景和研究意义1
1.2 国内外研究状况1
2 常用的液体折射率测量方法介绍1
2.1 掠射法1
2.2 激光照射法2
2.3 光纤杨氏干涉法3
2.4 劈尖法5
3 利用牛顿环装备测量液体折射率6
3.1 牛顿环测量原理和思路6
3.2 实验内容8
3.3 实验数据9
4 利用迈克尔逊干涉仪测量液体折射率10
4.1 迈克尔逊干涉仪原理11
4.2 实验思路12
4.3 实验内容15
4.4 实验数据17
5 对两种方法测量结果的比较与分析18
5.1 对两种测量方法的比较18
5.2 分析引起误差的因素19
结论 20
致谢 21
参考文献 22
1 引言
1.1 研究背景和研究意义
折射率是透明介质的一个光学性质，在工业生产和科学技术的研究过程中，折射率是一个非常重要的物理量。随着当今科学技术的迅速发展，折射率几乎涉及每个部门，比如化工、医药、食品、石油等工业生产部门。可以看出，液体折射率不仅在工农业生产过程中不可替代，还与我们的日常生活关系密切。因此测量液体折射率意义重大，且富有现实价值。
牛顿环属于等厚干涉仪器，可以测量光的波长、微小长度、曲率半径、角度等，又因其测量精度较高，所以在科学研究中应用非常广泛。迈克尔逊干涉仪在历史上非常著名，可以用它来观察光的干涉、测量微小长度、测量透明介质折射率、研究各种因素对光的传播的影响等，已被研制成各种精密仪器，应用场合十分广泛。同时牛顿环装置和迈克尔逊干涉仪是大学物理实验室常见的仪器，本设计是对上述两个传统仪器进行改进用以测量液体折射率。因此，本次设计既扩展了实验室原有的实验仪器的测量功能以及测量范围，开拓了视野，又同时提高了学生的独立思考能力、创新能力[1]。
1.2 国内外研究状况
目前国内外测量液体折射率有许多方法，传统成熟的测量方法有两类：几何光学法，物理光学法。几何光学法是根据折射、反射、全反射定律为理论基础，通过测量光线在通过材料后偏折的角度来确定材料的折射率，如成像法、临界角法、激光照射法、阿贝折射仪法等[2]。物理光学法主要根据介质对透射光相位的影响来测定物体的折射率,主要有劈尖法、迈克尔逊干涉法、牛顿环法、光纤杨氏干涉法[2]。日新月异的科学技术发展迅速，也出现了一些新的测量技术如：CCD测量法、图像处理技术等都可以用来测量液体的折射率，这些测量方法观察方便、精度高。本文将会在第2部分选择上述所提到的一些方法进行较为详细的分析。
2 常用的液体折射率测量方法介绍
2.1 掠射法（阿贝折射仪）
如图1中的图（a）所示，将少量待测液体夹在三棱镜毛面和三棱镜之间，在光线入射待测液体时，有一部分光线是与三棱镜表面相平行的，根据全反射原理这部分入射光线的出射角最大。因此，我们会在出射角的视场中找到一个明暗分界线，根据相关角和液体折射率的对应关系我们就能够得到数值，这就是阿贝折射仪测量液体折射率的原理。角A是三棱镜的顶角， 是平行入射光线进入三棱镜后的折射角， 是折射光线在三棱镜的出射面的入射角，我们需要测量出射视场中的明暗分界线与法线之间的夹角 。
(a) 图1 (b)
假设待测液体的折射率是 ，已知三棱镜的折射率 ，根据几个关系我们可以得到： ，再依据折射定律我们可得到液体折射率的计算公式[3]： (1)
还有一种情况，就是图1中图（b）所示的情况，即当我们所选的三棱镜的折射率 较大时，这时会有： ，则此时的的液体折射率变为：
（2）
由以上所述的测量方法和计算公式，我们可以看出阿贝折射仪测量液体折射率的过程中，能导致误差的地方有许多，并且最后的计算公式也较为复杂。
2.2 激光照射法
激光照射法的原理是利用光线经过玻璃板上表面的反射，与光线在液体表面的反射和通过液体的折射之间的关系来测量折射率。实验装置如图2所示，实验仪器有样品槽、玻璃板、观察屏、He-Ne激光器和待测液体。如图，样品槽里放有一块玻璃板，可以通过调节下面的螺丝旋钮使玻璃槽呈水平状态。本实验选择He-Ne激光器这一常见的激光器作为光源，在以某一角度 作为入射角照射在玻璃板上时，玻璃板会将光线反射到与地面垂直的观察屏上，此时观察屏上会出现一个光斑，在观察屏上标出这个光斑的位置N。然后缓慢地在样品槽内加入待测液体直至在玻璃板上层形成一个薄的待测液体层，此时有两个光斑同时出现在观察屏上，分别标注出此时两个光斑的位置，其中一个光斑 是人射光经液体折射后再由玻璃板反射，最后再经空气折射形成的，另一个光斑 是入射光直接经待测液体上表面反射形成的[4]。
图2 激光照射法实验装置图
由几何知识，得到入射角 ：
（3）
不妨将空气折射率定为1，由折射定律和几何关系，获得折射率公式： （4）
由上述原理可以知道，在使用这种方法测量液体折射率的时候，只需测出公式（4）中出现的几个点之间的距离，待测液体的折射率就很容易得到了。但是在实验过程中，想要准确地在观察屏上找到最强的光斑不是很容易的，如果光斑找错了那么实验的误差就会增大。
2.3 光纤杨氏干涉法
单模光纤具有芯径小、材质均匀、传光性能好等优点，因此可以作为理想点光源。光纤杨氏干涉法的原理就是利用光纤作光源，发生杨氏干涉现象，从而得到视场明亮同时又有较宽条纹的干涉图样，再对条纹宽度进行测量，从而计算出待测液体的折射率。如图所示，在盛液容器左侧面固定两根光纤的一端B，毛玻璃板是粘在容器上的，且垂直于光纤轴[5]。本实验选择He一Ne激光器，由激光器发出的激光入射进两根单模保偏光纤里，因为两根光纤的端面处于同一平面，所以这两根光纤可以在同一时间接收源自同一波阵面上的光，耦合时A端的光传递到B端，射出发散角 。因为所选的这两根光纤的长度相等，所以从光纤B端发射出来的两束光的相位也应当相同，那么此时两根光纤在B端的端面就可以等同于发光的两个圆孔。因为保偏光纤具有能保持光的偏振方向恒定的性质，因此在两根光纤所射出的光束有一样的偏振方向时，直接透过毛玻璃就可以看到明暗相间的干涉条纹[4]。
图3 杨氏干涉法的实验装置图
令 为两根光纤中心之间的距离， 是毛玻璃板到光纤B端的距离，从读数显微镜读出干涉条纹的宽度为 ，可得到待测液体的折射率为：
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/rwxy/wuli/163.html
