用光速测定仪探究水的折射率

花一帆

【摘 要】本实验采用一种新型的实验方法来测量液体的折射率。实验通过现有的光速测定仪，通过改进仪器的光路，在光路中放上待测液体，使光通过有介质和无介制的光程相位差相同。相位差相同所以它们的光程差相同，并利用公式得出液体的折射率。这样可以在不接触液体的情况下测量水的折射率。

【关键词】光速测定仪；折射率；水

1 研究的背景及意义

折射率是光学介质的一个重要的物理参数，反映了物质的光学基本性质。液体的折射率与其浓度存在着一定的关系，如果能建立起两者之间的经验公式，则已知其中的任意一个量就可以计算出另一个量，这在生产部门和中学及高校实验中是很有实用价值的。目前测量透明介质折射率的方法和仪器很多，普遍采用的是分光计法，但分光计的调整过于复杂，且操作不便。本文采用一种新的方法进行实验，利用光速测定仪，通过改进仪器的光路，以达到测量水的折射率的目的。

2 设计方案

2.1 研究目标

本实验是利用水介质放入其中一个光路中改变该光程从而测出水的折射率。

2.2 主要内容

本实验是利用激光束通过声光移频器，获得具有较小频差的两束光，它们迭加则得到光拍；利用半透镜将这束光拍分成两路，测量这两路光拍到达同一空间位置的光程差和光拍的频率从而测得光速。在实验中将一光路上放上待测介质，由于光程被改变要达到原来的状态，即两光拍相位差2π，必定要移动可滑动滑块B，当两束光程差又为2π时示波器上的两波行再次重合。根据公式：

即可测算出水的折射率。

3 实验原理

根据光程定义，当真空中传播的光通过折射率>1的透明介质时，其光程将增加。设透明介质沿光路方向长度为d，未将其放入光路中时，光在这段距离d内的光程为（c为光速）。若将透明介质置于光路中，则光在介质中的光程为vd=cnd。因此，透明介质加入前后的光程差为cd（n-1）（n为折射率），相当于光在真空中传播d（n-1）的光程，如图1所示。

光速c=s/Δt=fλ′λ可以方便地测得，但光频f大约104Hz，我们没有那样的频率计。如果使f变得很低，例如30MHz，那么波长约为10m。这种测量方法是十分方便地。这种使光频“变低”的方法就是所谓“光拍频法”，简称“光拍法”。本实验是利用激光束通过声光移频器，获得具有较小频差的两束光，它们迭加则得到光拍，利用半透镜将这束光拍分成两路，测量这两路光拍到达同一空间位置的光程差（当相位差为2π时光程差等于光拍的波长f）和光拍的频率从而测得光速。在实验中将一光路上放上待测介质如图2所示，由于光程被改变要达到原来的状态，即两光拍相位差2π，必定要移动可滑动滑块B，当两束光程差又为2π时示波器上的两波行再次重合。

根据无介制和有介质时光程相同可以推得介质的折射率为：

4 实验过程

调节好仪器和光线，使远光程、近光程的光斑都打在仪器的光敏面上，打开斩光器，然后移动可移动滑块B，直到示波器上两光波完全重合，如图3所示。测量远光程中的e，f段数据。继续实验，在远光程中放上装满水的玻璃管，如图4所示，此时由于光线穿过介质而发生了改变，再次调节可移动滑块B，直到两光波再次完全重合，如图3所示。

在测定一些液体的折射率的时候，一些液体可能有毒，不小心沾染到液体会对人体造成危害。使用本实验的方法可以避免危害。可以广泛的用在化工、医药、食品、石油等工业部门及中学、高校用于测量液体折射率的实验中。

【参考文献】

[1]姜德生，魏仁选.基于光纤F-P干涉波长的溶液浓度测量系统研究[J].中国激光，2004.

[2]李远琴，杨永安.用光速测量仪测量玻璃的折射率[J].楚雄师范学院学报，2008.

[3]竺江峰.大学物理实验教程[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[4]伍雁雄，张姝，赵璐冰，等.基础实验中光速和介质折射率测量方法的研究[J].大学物理，2014.

[责任编辑：汤静]