一种测量透明液体浓度的实验装置_杨成.pdf

第 卷第 期大学物理实验 年 月 收稿日期：基金项目：四川省教育发展研究中心重点课题“基于核心素养的高师物理师范生科技创新实践深化研究”（）通讯联系人文章编号：（）一种测量透明液体浓度的实验装置杨 成，代 伟（西华师范大学 物理与天文学院，四川 南充）摘要：针对现有测量液体浓度装置结构复杂，成本高，使用不便，不便于学校和一些小型研究机构使用的不足，利用光栅衍射法设计了一种测量透明液体浓度的装置。装置根据折射率和放入待测液体前后的光栅衍射角的关系进行液体折射率的测量，通过实验探究出液体折射率和液体浓度的关系，这样在测得未知透明液体折射率后就可通过换算得到其浓度。关键词：透明液体；浓度；折射率；测量；实验装置中图分类号：文献标志码：大学物理实验投稿网址：浓度是指一定量溶液和溶剂中溶质的量。液体的浓度与人们生产生活息息相关，液体浓度在一定程度上能够反映物质的某些特点，因此测量液体浓度也一直是科研工作者研究的热点问题。科研领域液体的研究一般都会从液体的折射率，浓度，密度，透射吸收光谱，粘滞系数，表面张力、旋光性等角度入手，如果能够建立一个液体的性质和其他衡量液体性质参数的关系，将会有利于液体本质的分析。折射率作为衡量液体性质的一个重要参数，可以在一定程度上反应物质的多种特性，而且在很多研究领域或者生活领域都要用到与它相关的参量。液体浓度和折射率是表征溶液特性的主要参量，折射率可以反映出液体的浓度，通过探究溶液的浓度和折射率的关系，可采取测量折射率来得到液体的浓度。用光学方法来研究液体的浓度，可以利用光学线路的精确性在一定程度上提高其研究方法的准确性，同时也避免了使液体发生化学反应，改变液体的物理性质，因此有利于保留液体原来的性质。目前高校常用的物理实验测量折射率有牛顿环测量法、等厚干涉法、衍射光栅法、劈尖法、迈克尔逊干涉仪法、阿贝折射计掠面入射法、激光照射法和转换法。但现有的液体浓度测量装置存在结构复杂，成本高，使用不便，不便于学校和一些小型研究机构的使用。为了以更加低廉的成本较准确测量出透明液体的浓度，设计出了一种以较低成本测量透明液体浓度的实验装置。本装置利用透明液体在光学中的实用性以及光学线路的精确性在一定程度上提高了其研究方法的准确性，同时也避免了使液体发生化学反应，改变液体的物理性质，因此有利于保留液体原来的性质，从而实现精确测量的目的。实验原理与方案 液体折射率测量的原理液体折射率测量的原理折射率 为（）在这里 表示光在空气中传播的波长，表示光在液体中传播的波长。通过式（）可以看出只要测量出光在液体中的波长和光在空气中的波长，就可以准确的测量出液体的折射率。通过光栅光谱仪是可以精确测量波长的，即在理论上是可行的。光栅光谱仪可以精确测量光在空气中的波长。但液体由于其特殊的存在形式，必须使用容器盛放，为了尽量减小容器对光的吸收作用，通常会选择玻璃容器盛放待测液体而进行测量。如果这样测量光通过液体后又回到了空气中，那么通过光栅光谱仪测量光的波长和光在空气中的波长是一样的，这样就无法测量出光在液体中的波长，进而也就无法测量出待测液体的折射率。因此只能通过使用一定的光学器件将波长转换成其它的可以测量的物理参量。由于光的衍射角和波长是具有一定关系的，所以可以通过光的衍射特性来测量波长，进而达到测量液体折射率的目的。于是可选择衍射光栅作为这个具有光的衍射功能的光学器件，通过图 所示的光栅衍射示意图可以知道光栅衍射过程中衍射角和波长是存在一定联系的。图 光栅衍射示意图根据（）式，得到折射率（）在这里 表示衍射光栅对光在空气中传播的衍射角，表示衍射光栅对光在液体中传播的衍射角。那么计算波长的问题就可以转化成了计算衍射角的问题。对于，可以通过光栅方程来进行计算，也就是 。其中，为激光器的波长，为光栅常量，由于 和 都是已知的，所以通过这个公式计算出来的光在空气中的衍射角是没有误差的。由此可见，液体折射率的测量的精度就取决于光在液图体中传播的衍射角的测量精度。衍射角测量实验方案为了测量光在液体中传播的衍射角，本文采取图 的技术方案对 进行测量。图 测量光在液体中传播的衍射角 的光学系统这里激光几乎为垂直入射进入样品池，也就是图示的玻璃槽，光栅放置在样品池内。在接收屏上反映了激光通过光栅后的光的衍射条纹，在这里也就是 级，级，级，以及 级以上亮斑。测量中我们需要记录的数据有光栅到接收屏的垂直距离（），接收屏上条纹（亮斑）的位置。这里的接收屏是贴在玻璃容器右壁外表面的硫酸纸。所以对于衍射角 的测量一是要测出光栅片到光屏的距离，二是要测出衍射光栅条纹所在位置 ，于是有 （）（），这样就可以测出光在液体中传播时衍射角 的正弦值。知道了 和 就可以由（）式测出被测透明液体的折射率。装置设计测量液体浓度装置由 个部分组成，分别是光线产生部分，光栅衍射装置和测量装置 个部分组成。测量透明液体浓度实验装置设计如图 所示。图 装置简图 光线产生装置测量液体浓度装置的光线产生部分由激光器调平装置和氦氖激光器组成，其中氦氖激光器用于激发波长稳定且已知的光线。激光调平装置用于调整入射光线，使其垂直入射于光栅表面。该部分结构简图如图 所示。大 学 物 理 实 验 年 光栅衍射装置光栅衍射部分是该装置的核心部分，这部分由玻璃水槽和衍射光栅组成。其中玻璃水槽是一开口水槽，用来盛放被测液体。为了满足测量要求玻璃水槽用 的玻璃制作，用来盛装被测透明液体。水槽长 、宽 、高 ，水槽右壁外侧贴有接收屏，前后壁的上边缘贴有刻度尺。光栅片通过挂架倒挂在玻璃水槽中，综合实验结果的准确性和实验的可操作性以及降低实验成本等角度来考虑，选择使用每毫米 刻线的光栅，光栅片可在玻璃水槽中移动，根据刻度尺的读数每次测量向前移动 。光栅衍射部分结构简图如图 所示。测量装置测量装置由精密十字滑台和读数显微镜组成。所述精密十字滑台的 方向上安装有数字游标尺，数字游标尺的测量卡和显微镜固定在一起，测量中通过转动 方向上的手轮可使显微镜沿 方向移动，移动的量通过数字游标尺读出。测量装置结构简图如图 所示。测量装置实物根据设计图制作出的测量装置实物图如图 所示。图 测量装置实物图 使用步骤 使用步骤测量透明液体浓度的实验装置的使用步骤如下，本实验通过测量 溶液的浓度为例，第 步，打开激光器，调节激光器相对于光学防震底板平台的准直，可以使用白屏进行调节。将白屏靠在距离激光器较近的位置，激光器发出的光会打在白屏上，形成光点。标记出此时的位置。接下来将白屏移到距离激光器较远的位置，反复仔细调节激光器，使激光器发出的光还能打在白屏的同一位置；第 步，调节激光器相对于玻璃容器整体的准直。上下左右移动玻璃容器，让激光器发出的光经过玻璃容器前壁的光点与光经过玻璃容器前壁透射到玻璃容器后壁反射回来的光点重合。由于衍射光栅平面和玻璃容器前后壁垂直，所以激光器发出的光相对于衍射光栅平面垂直；第 步，将衍射光栅通过挂架放置在玻璃容器中，挂架对准玻璃水槽上方的刻度尺，使两边的读数保持一致。安放光栅时将光栅玻璃的一面，也就是与镀层相对的一面对准激光器，这样才能保证光栅和玻璃容器左右面平行，也就是衍射光栅平面相对于玻璃容器前后壁垂直；第 步，将提前配置的溶液倒入玻璃容器中，需要注意的是在倒入溶液的时候要先将光栅挂架拿开，待溶液加完后从水槽上方将光栅慢慢放入溶液中，光栅挂架对准位水槽上方的刻度尺后保持光栅固定不动。使用黑色签字笔对白屏上的衍射光斑光强最强处进行标记。第 步，按照玻璃容器上方刻度尺的读数改变光栅的位置，每次移动；第 步，读数。首先关闭激光器；第 步，调节显微镜的目镜和十字滑台 方向的手轮，让目镜中的视场尽量清晰，能在显微镜中清晰看到白屏上描好点的标记，接下来通过移动十字滑台 方向的手轮，让读数显微镜的物镜从白屏上的一个点移动到另一个点，读取两个点的位置并将两个值相减进而得出条纹间距，在测量过程中应避免回程误差；第 步，利用已经测得的数据，利用测得的中心亮斑 级到 级，级，级以上亮斑的条纹间距（）以及光栅到容器壁的垂直距离的垂直距离（），利 用 三 角 函 数 关 系 就 可 求 出。通过实验探究可得到液体折射率和浓度的关系，通过对于不同浓度同种液体的折射率的测量，我们可以将折射率和浓度的关系由 进行演示。此后可根据对结果的线性耦合，可以得到不同液体的浓度与折射率的线性关系，得到如图 的结果。这样在测得被测透明液体的折射率后就可换算出测出被测透明液体的浓度大小。实验数据测量 溶液的折射率测量，采用一级衍射条纹进行折射率的分析，为一级衍射条纹所在位置，测 第 期杨 成，等：一种测量透明液体浓度的实验装置量数据如表 所示。表 溶液的折射率测量，采用一级衍射条纹进行折射率的分析浓度 （）（）用上述同样的方法对 溶液的折射率测量，采用二级和三级衍射条纹进行折射率的分析，为所在级衍射条纹的位置，最终通过测量 溶液（包含纯水）的一级、二级和三级衍射条纹所得到的折射率结果汇总如表。表 溶液的折射率浓度（）（）（）公测值根据表 的实验数据作图得到图，从图 可以看出 溶液（包含纯水）的浓度增大时液体的折射率也呈现增大的趋势。随着衍射级次的增加，所得到的折射率也逐级增加。另外以纯水为例，高级衍射给出的结果比低级衍射结果更加接近公测值。实验数据和图表均可看出在不同浓度的一级、二级和三级衍射条纹所得到的折射率与公测值相比都存在一定的误差且都偏小。导致误差产生的原因在于测量对象是液体，液体就必须放在容器里面进行测量，由于玻璃的折射率比待测液体各浓度的折射率大，故光线在传播时将会发生折射，使得打在接收屏的衍射光斑的位置会发生一定程度的偏移。所以实际测量的条纹间距相对于真实值就会有所偏差，所以玻璃容器后壁对折射率测量带来的影响就不可避免。另外激光器相对于衍射光栅的完全准直也很难办到，这也会给测量带来误差。图 实验数据分析 溶液浓度与折射率的关系从图 可以看出不同浓度 溶液的浓度和折射率呈现线性关系，相对来说通过三级衍射条纹测出的值更接近公测值。为此可以通过三级衍射条纹测出的数据通过最小二乘法对其进行线性拟合可以得到 溶液折射率和浓度的关系式是 （）表示 溶液的折射率，表示 溶液的浓度。采取同样的实验方法对蔗糖溶液进行测量，经过测量发现对于蔗糖溶液的浓度和蔗糖溶液的折射率满足线性的关系 。结 语该实验装置结构简单，制作容易，装置可通过不同模块进行组装，大大降低了制作难度便于在学校和小型科研机构推广，有望替代各高校测量液体浓度的实验装置。利用该装置进行实验，实验数据与参数值基本上相吻合，可以近似认为该测量装置的实验方法与装置结构设计合理，可以用于测量透明液体浓度。另外，该装置利用光栅衍射法测透明液体浓度操作简单，所需仪器较少，但是测量精度有待提高。通过不断优化和改进，希望今后在该装置设计的基础上，使装置精巧化，并结合电子记录设备，做到对于不同液体浓度的简易化测量，使其在实际生产中有着更广阔的实际应用空间。参考文献：刘宁亮，李沁瑶，丁驰竹利用牛顿环测量液体折射率仿真实验设计与开发大学物理实验，大 学 物 理 实 验 年（）：陈代兵，张佳伟，李金玉利用劈尖的等厚干涉测量液体的折射率 大学物理实验，（）：程显中，唐殿皓劈尖法测不同液体和透明固体的折射率大学物理实验，（）：袁浩洋，谈浩，李英豪，等基于迈克尔逊干涉仪和智能手机定量测量溶液折射率大学物理实验，（）：魏家祺，陈永华，丁霞利用阿贝折射仪测定不同盐度海水的折射率 科技经济导刊，：罗劲明，周柔燕，冯祖强，等基于激光散斑的固体折射率测量研究与改进 应用激光，（）：杨靖垒，李廷荣，李春江，等一种简易测量物体折射率的实验仪的设计及研究大学物理实验，（）：王昆林，岳开华普通物理实验成都：西南交通大学出版社，张静基于液体浓度光学测量的实验研究苏州：苏州大学，周万福，罗双玲，王传坤，等不同液体浓度与折射率关系的经验公式 兴义民族师范学院学报，（）：，（，）：，：；第 期杨 成，等：一种测量透明液体浓度的实验装置