测量液体折射率的几种光学方法的实验研究

张凤云，曹 文，张利巍

（1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2.黑龙江省高校校企共建测试计量技术及仪器仪表工程研发中心，黑龙江 大庆 163318）

折射率是表征物质的光学性质的物理量，它影响物质的各种物理特性，而在其他各个领域的研究中往往会用到与它相关的其他物理量，特别是在光学和材料领域。因此，人们需要测量各种介质的折射率，其中液体折射率的测量就是现代科学领域研究的一个重要课题。测量液体折射率的方法很多，文章中尝试采用几种不同的光学方法测量液体的折射率，包括牛顿环法、劈尖干涉实验法、迈克尔逊干涉仪、利用分光计和棱镜的折射极限法，进而分析比较实验结果讨论各种方法的优缺点。这样在大学物理实验教学中，学生可以根据现有的实验设备选用不同的实验方法，从而开拓视野，培养创造性思维。

1 实验原理

1.1 用迈克尔逊干涉仪测量液体折射率

如图1所示，先将两个空的自制的玻璃槽按图的位置插入，先用激光调节迈克尔逊干涉仪[1－2]调出清晰地干涉条纹，再换白光调节出白光干涉的彩色条纹。此时能确定迈克尔逊干涉仪两臂等光程点，读出镜 的位置。然后将待测液体滴入一个玻璃槽中，另一为空的玻璃槽，此时两臂光程不再相等，干涉条纹消失。继续移动动镜使干涉条纹再次出现，此时的条纹比之前的变细，变淡，读出镜M1的位置。则镜所移动的距离等于插入玻璃槽使两束光产生的光程差的一半，因此可知折射率为：

图1 迈克尔逊干涉仪法

1.2 牛顿环法测量液体折射率

当平行的单色光垂直入射牛顿环时，入射光将平面玻璃与平凸透镜之间形成空气薄膜上下两表面依次反射，产生具有一定光程差的两束相干光。因此形成以接触点为中心的一系列明暗交替的同心圆环即牛顿环。调出清晰的干涉条纹后，先用读数显微镜测量此时干涉条纹的直径。然后在牛顿环装置中滴入待测液体，使平面玻璃与平凸透镜之间形成一层液体薄膜，这时由于光程差增加，反衬度下降，干涉条纹变淡，没有之前的清晰，条纹半径变小，再测液体薄膜时干涉条纹的直径。通过牛顿环装置[1]中空气膜和待测液体膜的干涉条纹直径与液体折射率的关系公式可求出液体的折射率。

1.3 劈尖干涉实验法测量液体折射率

让平行的单色光垂直入射劈尖，入射光将两块平面玻璃间形成的空气薄膜的上下两表面依次反射，产生具有一定光程差的两束相干光。因此形成平行于交棱的一组明暗相间、等宽、等间距的直条纹。调出清晰的干涉条纹后，先测量此时干涉条纹的条纹宽度；再用滴管在劈尖装置中滴入待测液体，使两块平面玻璃间形成一层液体薄膜，此时条纹变细，变得虽然不如之前清晰但很容易测量，再测量液体薄膜时干涉条纹的条纹宽度。通过劈尖装置[2]中空气膜和待测液体膜的干涉条纹宽度与液体折射率的关系公式可求出液体的折射率。

1.4 用折射极限法测定液体折射率

采用两块棱镜，一个是辅助棱镜，一个是直角棱镜，他们之间固定待测液体。如图2所示，以单色的扩展光源照射分界面AB，则入射角为90°的光线1将掠射到AB界面而折射进入三棱镜内，其折射角i′为临界角，根据光的折射定律当光线射到AC面折射进入空气中，则满足sinφ＝n1sinφ′其他光线如2光线在AB面上的入射角均小于90°，因此经棱镜折射后进入空气时都在光线1的左侧，在望远镜视场中将看到以光线1为分界线的明暗半荫视场。对于三棱镜的棱镜角等于90°，可以推导出棱镜的折射率n1已知，测出φ[3]即可计算出折射率。

2 实验主要仪器

钠光灯、读书显微镜、滴管、台灯、毛玻璃片、牛顿环装置、劈尖装置、迈克尔逊干涉仪、He－Ne激光器、自制玻璃槽 、分光计 、辅助棱镜 、直角棱镜等。

3 实验结果

在温度为16℃的环境下，以纯水和浓度为99.8%的乙醇作为待测液体，各种方法测得的待测液体折射率如表1所示。然后与查阅资料得到此温度下纯水和乙醇的折射率的理论值分别为1.333 33[4]和1.362 10比较计算得到相对误差。

4 实验结论

分析比较上面的实验结果可见，各种不同的方法测得的液体折射率与理论值吻合很好，而且每种方法都具有一定的可操作性。同时，通过比较分析知道每种方法各有其优点和缺点如表2所示，这样我们在具体测量时可以根据具体需要合理选择合适的方法。希望可以把此实验设计为综合性实验[5－7]，充实实验内容。使学生可以根据现有的实验设备选用不同的实验方法，从而开拓视野，培养创造性思维。

表2 各种方法的优点和缺点

[1]姚启均.光学教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]张颖.测液体折射率实验的研究[J].吉林省教育学院学报，2008（1）：120－122.

[3]唐小村颖.分光计设计性实验研究[J].物理与工程，2012（2）：51－52.

[4]李景镇.光学手册[M].西安：陕西科学技术出版社，1986.

[5]王小怀，李卓凡，庞怀.迈克耳孙干涉仪应用功能的扩展[J].物理实验，2012（3）：22－25.

[6]江影，邱淑霞，庞宁.综合设计性物理实验项目开发与指导方法的探究[J].大学物理实验，2012（6）：116－118.