实验一 阿贝折光仪测液体物质折射率
折射率是物质的重要光学常数之一,能借以了解物质的光学性能、纯度、及浓度大小等.在分光计的使用实验中将给出固体(玻璃)折射率的测定方法,本实验采用阿贝折光仪测定液体折射率.
实 验 目 的
(1) 学习用掠入射法测量液体折射率的原理;
(2) 了解阿贝折光仪的结构和工作原理,学会使用该仪器测量液体的折射率.
实 验 仪 器
阿贝折光仪,滴管,蒸馏水,无水酒精,少许脱脂棉,待测液体(水).
实 验 原 理
光线从光密介质进入光疏介质,入射角小于折射角.逐渐加大入射角,可使折射角达到90.折射角等于90时的入射角称为临界角.反过来,若光线自光疏介质进入光密介质,入射角大于折射角.当光线以90角入射(掠射)时仍有光线进入光密介质,此时的折射角亦为临界角.本实验测量折射率的原理及阿贝折射计的工作原理,就是基于测定临界角的原理.
1 1 掠入射法测量液体的折射率
如图1.3所示,在一折射棱镜的AB面上充满了折射率为n1的液体,棱镜的折射率n2> n1.若以单色的扩展光源照射分界面AB时,从图1.3可看出:入射角为90的光线1将掠射到AB界面而折射进入三棱镜内.显然,光线1经折射面AB后的折射角正如发生全反射时的临界角,因而满足
(1.1)
当掠入射光线1经折射到AC面,再经折射而进入空气时,设在AC面上的入射角为ψ,折射角为φ,则有
(1.2)
除掠入射光线1外,其它光线如光线2在AB面上的入射角均小于90,因此经三棱镜折射,最后从AC面折射进入空气时,都在光线的左侧.由于入射角i不可能比90大,因而在三棱镜内不可能出现比临界角大的光线,即AC 面上出射的光线中,没有比φ角小的折射光线,故称φ为极限角.当用望远镜对准AC 面观察时,视场中将看到明暗两部分,其分界线就是i=90的掠入射引起的极限角方向.
由图1.3中的光路图可知:三棱镜的棱镜角A与角及角ψ有如下关系:
,
即 . (1.3)
应用式(1.3),并从式(1.1)和式(1.2)中消去和ψ后可得
. (1.4)
如果棱镜角A=90°,则
. (1.5)
因此,当直角三棱镜的折射率n2为已知时,测出φ角后即可计算出待测液体的折射率n1.上述测定折射率的方法即为掠入射法.
2 阿贝折光仪的测量原理及仪器结构
阿贝折光仪是测量透明、半透明液体或固体折射率的常用仪器.国产的阿贝计的测量范围为1.30001.7000(精度为±0.0002).若该仪器接上恒温器,则可测定温度为0℃70℃内的折射率n.
阿贝折光仪也是根据全反射原理设计的.它有两种工作方式,即透射式和反射式.本实验只要求采用透射式方法测量透明液体的折射率.透射式测量光路如图所示.
将折射率为n的待测液体放置在折射率为N的折射棱镜的AB面上,其棱角为A,并将进光棱镜盖上,则液体将充满AB面与A’B’面之间隙,并用光源照明之.如果n<N,与图1.1相同,入射到AB面上的光线,经棱镜ABC两次折射后,由AC面射出的光束,
在望远镜视场中将看到半明半暗的视场,明暗分界线就对应于掠面入射光束.测出AC面上相应的临界角φ,即可应用(1.4)式计算求出待测的n值.因
阿贝折射计是用望远镜观察和进行角度测量的一种直读式仪器,所以仪器中直接刻有与φ角对应的折射率值.故不需要任何计算,可直接从调节的明暗分界现象,直接读出分界线对应的折射率值.
应用阿贝计测量n值时,无论采用透射光或反射光,式(1.3)都成立.反射式测量用于测量固体(透明或半透明)物质的折射率,测量方法不再介绍.
实 验 方 法
(1) 校准阿贝折光仪.
用蒸馏水校准.打开进光棱镜,用脱脂棉沾一些乙醚、酒精的混合液(4:1)将镜面轻擦干净,然后用滴管在镜面上滴几滴蒸馏水(其折射率标准值20℃时为1.3330),调手轮,使读数恰为1.3330,再从望远镜目镜中看叉丝交线是否与黑白分界线重合.校正完毕后,再进行测定.测定的过程中不允许随意再动此部位.
(2) 测量水的折射率.要求重复读数5次,求出待测n的平均值.
(3) 按照上述方法,测量另一种液体的折射率.
注 意 事 项
(1) 每次测量前必须按照步骤1的方法对镜面进行清洁,清洗后必须待晾干才能再加入被测液体.
(2) 任何物质的折射率都与测量时的温度和使用的光波波长有关.本仪器是在消除色散的情况下测得的折射率,其对应光波波长λ=589.3nm.如不需要测量不同温度时的折射率,测定可在室温下进行.
(3) 实验完毕,必须用步骤1的方法清洗棱镜面.
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