折射率测量

折射率测量 实验十一 折射率测量 折射率是物质的重要特性参数之一，使人们了解光学玻璃、光纤、光学晶体、液晶、薄膜等材料的光学性能。折射率也是矿物鉴定的重要依据，也是光纤通信、工程塑料新物质和新介质判断依据。测量折射率的很多，这里介绍几种主要的实验方法。 练习一 用最小偏向角法测棱镜玻璃折射率 【实验目的】 1(进一步熟悉分光计调节方法; 2(掌握三棱镜顶角，最小偏向角的测量方法。 【实验仪器】 JJY型分光计、低压钠灯、平面反射镜、等边三棱镜。 【实验原理】 一束平行的单色光，从三棱镜的一个光学A面(AB面)入射，经折射后由另一光学面(AC 面)射出，如图5.11.1所示。入射光和AB面 法线的夹角称为入射角，出射光和AC面法线i,12,的夹角称为出射角，入射光和出射光的夹角ii,ir,r称为偏向角。可以证明，当入射角等于出射,iA?,角时，入射光和反射光之间的夹角最小，,i ? ,称为最小偏向角。 minCB ,,(i,r)，(i',r')由图5.11.1可知，当图5.11.1 时，由折射定律有，得 r,r'i,i' ,,2(i,r) (5.11.1) min r，r',2r,,,G,,,(,,A),A又因 Ar,所以 (5.11.2) 2 由式(5.11.1)和式(5.11.2)得 A，,min i,2 由折射定律有 A，,minsinsini2 (5.11.3) n,,Asinrsin2 由式(5.11.3)可知，只要测出最小偏向角,min (顶角已知)，就可以计算出棱镜玻璃对该波长的折射 率。 【实验内容与步骤】 1(正确调整分光计，使其满足实验要求(参阅 ?3.9) 2(测定玻璃三棱镜对钠光黄光的最小偏向角 如图5.11.2所示，旋载物台，使一光学面AC 与平行光管入射方向基本上垂直。当一束钠黄单色光 从平行光管发出平行光射向三棱镜AB光学面，经过三 棱镜AC光学面折射出来，望远镜从毛面BC底边出发， 沿着逆时针旋转，会看到清晰的狭缝像，说明找到折图5.11.2 测最小偏向角示意图 射光路。此时转动小平台连同棱镜，观察狭缝像运动 状态，如果向右移动，偏向角变小。再转小平台狭缝像会走到一定位置转折，使偏大，,,此转折点即为该光谱线的最小偏向角位置，把望远镜对准这个转折点，记录下来，为T、min''。然后使望远镜对准入射光(平行光管位置)，读取方位为T与，则最小偏向角 TTmin00 1 ,,[T,T，T',T']minmin0min02 3(计算棱镜折射率 光的颜色_______ 波长_______nm TT ，A,min.0min sin2 ,游标I 游标II 游标I 游标II n,minA sin''TT TT 2min.0min0次数 1 2 3 4 5 1 ,,[T,T，T',T']minmin0min02 ,,平均 ,,n,min 4(不确定度计算(绝对不确定度传递) ,n2n222 ,,(),，(),,minna2,,a2min ,5(结果表示 n,n,,n 【】 1. 三棱镜的拿法:不要用手触摸光学面; 2. 三棱镜的放法:轻拿轻放，放置安全位置。 【思考】 1(按图5.11.2摆放三棱镜，沿轴转动望远镜，在AB与AC光学面都能看见狭缝像， 如何判断哪个像符合测量偏向角折射要求, , 2(测量时如何识别最小偏向角,, min 练习二 用折射极限法测棱镜折射率 极限法是测量液体和固体折射率的基本方法之一，它是阿贝折射仪的依据。 A【实验原理】 1. 三棱镜折射率 设单色平行光源照在三棱镜的AB面上，经 ,过两次折射，如图5.11.3所示，由折射定律及几12i,ir何关系得 ,r Asini,nsinr,?,?nsinr',sini' (5.11.4) , C,Br，r',A, 图5.11.3 ,r由以上三式消去和，得 r 1222 (5.11.5) n,sinisinA，(sinicosA，sini')sinA ,n只要测出、、即可算出。 Aii0如果入射光以90角掠入射，有 0 i,90 sini,1 ',i,极限角isini,sini此时出射角,则上式变为 mm cosAsini，2m (5.11.6) n1(),，sinA 0其中，是三棱镜的顶角，为光线掠入射时的出射极限角，要使光线准确地以90iAm 角掠入射棱镜，需选用扩展光源，一般是在光源前加一块毛玻璃，光向各方向漫反射成为扩展光源，把扩展光源的位置大致在棱镜面、的延长线上，如图5.11.4所示，当扩展光AB 0源的光线从各个方向射向面时，凡入射角小于的光线，其出射角必大于，大于i90ABim 00的光线不能进入棱镜，在侧面观察时，可看到由的光产生和各种方向的出90i,90AC 0射光，其出射角,形成亮视场;而的光波挡住，在出射角的方向，没有光线,i,ii,90mm ,射出，形成暗视场。虽然，明暗视场的分界线就是入射角掠入射引起的出射方向，见i,90 图5.11.5。转动望远镜使叉丝交点对准明暗分界线，便可以测定出射的极限方向，利用自准法再测出棱镜面的法线方向，求出这两个方向之间的夹角，便得到的折射极限角i，ACm这种方法，称为折射极限法。 o在实际测量中，常把棱镜顶角磨成90，折射率公式(5.11.6)又可进一步简化为: 2n,1，sini (5.11.7) m ,IIAniAIBic im,rriim3,1,22,nI,31NBC,II 图5.11.4 图5.11.5 【实验内容】 1. 调节分光计满足测量条件 2. 测量出射极限角 3(计算三棱镜折射率 【思考题】 1(用掠入射法测折射率，对光源有什么要求, 2(在分光计上用掠入射法测折射率时，对望远镜的调节有何要求,为什么, 3(用掠入射法能否测定固体(切成薄片)的折射率,试简要说明实验方法 练习三 用偏振法测量折射率 【实验仪器】 分光计、偏振片、玻璃片、钠光灯。 【实验原理】 光波是(一定频域)的电磁波，振动方向和传播方向相互垂直。当振动在某一固定方向上的光，称其为线偏振光，如图5.11.6所示。 平行于纸面的振动 垂直于纸面的振动 图5.11.6线偏振光的表示 图5.11.7 自然光的直观表示 自然光是非偏振光，它的振动在垂直于光的传播方向的平面内可取所有可能的方向，如图5.11.7所示。 1. 起偏 nn当自然光入射到折射率分别为和的两种介质的分界面上时，反射光和折射光都是12 部分偏振光。只有入射角满足 i n2 (5.11.8) tani,0n1 时反射光成为完全偏振光(或称线偏振光)。其振动面垂直于入射面，(5.11.8)式称为布儒 i斯特公式，称为布儒斯特角(也称起偏角)。 0 2. 检偏 线偏振光经过检偏器后，若光振动方向与检偏器透振方向相同，光将全部透射，光强度不变;若振动方向与检偏器透振方向垂直，则无光通过，出射光强度为零，称为消光。 【实验内容】 1. 调节分光计至满足测量条件 2. 测量平面玻璃片的布儒斯特角 ',与,? 测入射光的方位角; 11 ? 把待测平面玻璃片置于载物台上，转动平台改变入射角，将检偏器套在望远镜的物镜前，转动望远镜接收反射光，旋转检偏器，观察光强的变化，找到消光位置，记下读数 ',,与。 22 ? 则望远镜转过的角度为 ''1 (5.11.9) ,,(,,,，,,,)21212 ? 入射角为 01i,(180,,) (5.11.10) 02 3(计算待测玻璃片折射率 n,tani 0【思考题】 若入射光为平行于入射面的偏振光，其反射光有何特性,