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实验5-16 固体与液体折射率的测定

实验讲义

单 位：物理实验中心
教师姓名：王殿生
实验5—16 固体与液体折射率的测定

（一）教学基本要求
1. 掌握利用显微镜测量透明固体和液体折射率的基本原理。
2. 了解测量显微镜的结构和使用方法，主要包括读数方法和调焦方法。
3. 学会利用合适标志正确调焦在液体上下表面的方法。
4. 介绍物质折射率与光波波长、温度等因素有关的概念。

（二）讲课提纲
1．实验简介
折射率是透明物质的一个重要的物理参数，它反映了物质的基本光学性质。物质的折射率不但与它的分子结构和光线的波长有关，而且与物质的密度、温度、压力等因素有关。实际工作中有时也需要通过测量折射率来反求物质的密度、浓度等。
实验所用仪器主要是测量显微镜，使用显微镜准确确定待测位置，通过显微镜上的读数机构进行定量测量。测量折射率的基本方法是利用光的折射原理。实验主要目的是学会一种测量物质折射率的方法。
2．测量与数据处理要求
（1）具体测量方法和步骤自己想办法，不统一讲解。（自学成才、相互讨论、问老师等均可）
（2）固体和液体的折射率均要求测量5次，5次的A点位置基本固定。
（测量技巧，A-B-C点依次测量，先将微调调到最下端，调节镜筒看清第一片上的A点读数，此后不能再调节镜筒焦距，放上第二片向上调节微调看清B点读数，继续向上调节微调看清C点读数，完成一次测量；然后C-B-A倒序测量。如此反复，测量5次。）
（3）列表记录数据，表格规范，不能使用铅笔记录数据。
（4）测量数据签字时检查具体的测量操作过程，不能在签字之前整理实验仪器，保持测量原貌，特别是液体不能倒掉。
（5）充分熟悉测量显微镜的功能，注意实验过程中调节技巧和读数放大镜的使用。
（6）先想后做，边做边想，边想边做，动脑和动手相互结合，相互促进。
（7）数据处理时，计算折射率不确定度，表示实验结果。
3．问题思考与讨论
（1）测量固体玻璃折射率时，测量厚玻璃片好还是薄玻璃片好？
（2）测量液体水折射率时，烧杯中水多一点好还是少一点好？

（三）实验报告
实验5—16 固体与液体折射率的测定
〔教学目的〕
1．学习测量显微镜的原理和使用方法。
2．进一步学习根据光的折射定律测量折射率的基本原理和实现方法。
3．利用测量显微镜测量液体和固体的折射率。
〔实验原理、设计思想及实现方法〕
当光线射到两种介质的界面时，一部分反射，一部分折射，如图所示，根据折射定律有：

式中和分别为第一和第二介质的绝对折射率，而称为第二介质对第一介质的相对折射率。

对光密介质底部一物体A来说，它发出的光线经界面而折射，由于空气是光疏介质，因而折射线远离法线，即折射角大于入射角。我们自空气中看去，物体好象升高到B的位置，如图所示。在和很小时，由△DCA及△DCB可得：

代入上面公式可得出空气对介质的相对折射率，

式中AC为固体（或液体）的厚度，BC为固体（或液体）的视厚度，它们的值可用显微镜测出来。因介质对空气的折射率为的倒数，故可得

物质的折射率随光波波长而改变（此现象叫色散）。因此，实验时应当用单色光来进行测量。通常用对钠黄光的折射率来标明介质的特性。大多数液体的折射率随温度的改变而变化很大，因此，测液体的折射率不仅要标明波长，而且还要标明温度。
〔仪器用具〕
物镜
目镜
调节螺旋
标尺
玻璃片
烧杯
测量显微镜
钠光灯
测量显微镜，钠光灯，薄玻璃片，待测厚玻璃片，小烧杯，粉末或纸片等。
图1 实验仪器概貌
〔实验内容〕
1、测玻璃的折射率
（1）把涂有绿漆作为标记的薄玻璃片放在显微镜的载物台上，用钠光灯把它照亮，并把显微镜调焦于绿漆线上，记之为A的坐标。
（2）把待测的厚玻璃板放在薄玻璃上，再用显微镜对绿漆标记调焦记之为B的坐标。
（3）在厚玻璃表面上做标记，对其调焦记之为C的坐标。
以上都需要反复测量，取平均值计算出AC和BC代入公式内计算并求不确定度。
2、测水的折射率
具体测量步骤请学生们自己设法解决。
3、记录测量温度和所用光波波长。
〔注意事项〕
1、实验过程中一定要仔细调节测量显微镜，以观察到尽量清楚的像，这是本实验的主要误差来源。
2、大多数液体的折射率随温度的改变而变化，不仅要标明波长，而且还要标明温度。
〔问题思考与讨论〕
1、实验中所用计算折射率的公式是如何推导出来的？
2、在开始测量之前为什么应该先粗略地把要测量的各个位置的像先观察一下?
3、折射率的测量结果为什么要注明光的波长和室温？
4、使用显微镜应注意什么问题？
5、再考虑一种测固体和液体折射率的方法？
〔数据记录与处理〕
1、测量玻璃的折射率
（1）测量条件：温度t＝25.0℃；Na光照明，λ＝5893Ao；0.1mm测量显微镜；厚普通玻璃片。
（2）数据记录与处理
表1测玻璃的折射率数据
位置
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
平均值
A点/cm
2.94
2.95
2.92
2.93
2.90
2.93
B点/cm
3.12
3.13
3.14
3.13
3.13
3.13
C点/cm
3.46
3.47
3.45
3.46
3.47
3.46
AC/cm
0.53
BC/cm
0.33

（3）不确定度计算方法
计算直接测量量A、B、C的→计算间接测量量AC、BC的→计算间接测量量n的。
2、测量水的折射率
（1）测量条件：温度t＝25.0℃；Na光照明，λ＝5893Ao；0.1mm测量显微镜；自来水。
（2）数据记录与处理
表2 测水的折射率数据
位置
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
平均值
A点/cm
5.64
5.63
5.65
5.62
5.66
5.64
B点/cm
6.43
6.42
6.44
6.41
6.45
6.43
C点/cm
8.93
8.92
8.94
8.91
8.95
8.93
AC/cm
3.29
BC/cm
2.50

（3）不确定度计算方法
计算直接测量量A、B、C的→计算间接测量量AC、BC的→计算间接测量量n的。

〔实验结果与结论〕
在25.0℃、Na光波长5893Ao条件下，测量普通玻璃的折射率为1.61，自来水的折射率为1.32。
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