利用暗斑效应测量液体折射率装置的改进

(华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510000)

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利用暗斑效应测量液体折射率装置的改进

湛高超刘炜黄彦媚

(华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510000)

笔者改进了利用暗斑效应测量液体折射率的实验装置，在同样能求得待测液体折射率的前提下，减少了待测液体的用量。

暗斑效应；液体折射率；装置改进

1 引言

利用光的全反射特性形成的暗斑来测量固体或液体折射率的研究已有不少，但大部分装置都只是呈现了整个暗斑，而实际需要测量的仅仅是暗斑的半径，从而造成了大量的空间浪费。本文通过改进装置，仅取暗斑的一部分进行测量，使得装置的空间利用最大化。

2 改进暗斑效应测量液体折射率

2.1 测量液体折射率的原理

如图1所示,取一个玻璃容器，内表面底部喷漆，使其成为散射面，将激光入射至散射面。激光受到散射面中固体颗粒的影响，成为高发散度的发散光。发射光束入射到液体-空气界面后，大于全反射角的光经全反射返回到液体，小于全反射角的光线则部分透射到空气中，因此能形成以散射面入射点为中心、边界清晰、对比度高的圆形暗斑图像。图中暗斑中心亮点位置是入射点位置，以入射点为圆心形成了一圈亮度较暗的圆形暗斑，在圆形暗斑边缘及外处为明亮区。

图1

2.2 改进后实验装置及原理

图2

图3

2.3 消除光斑误差

图4

2.4 灵敏度分析

选择折射率n为1.55的玻璃进行分析，nx-r曲线如图5所示，随着r的增大，nx的变化趋于平缓且无限趋近于玻璃的折射率1.55。此外，h的增大，会使nx-r曲线下移，且更趋于平缓。液体的折射率一般都在1.3以上，为使测量的灵敏度更高，应使待测液体的折射率范围更多地落在曲线的平缓区域，同时由于装置不能做得太大，因此半径不能太大。

图5

选择h=20mm，对不同折射率的影响进行分析。如图6所示，当折射率增大时，曲线上移，测量范围增大，但曲线斜率也增大。因此，需要通过判断所测量的液体的大致折射率范围来选择玻璃的折射率，尽量接近待测液体的折射率。

图6

综上所述，如果追求装置小巧且测量范围大，则应选择折射率大的玻璃，且选择较小的厚度。如果追求更佳的灵敏度，则应选择折射率接近待测液体的玻璃，且选择较大的厚度。

3 结语

本装置改进了利用暗斑效应测量折射率的方法，缩小了体积，提高了精度。不仅可以应用于中学物理实验教学，也可以应用于生产实际，具有一定的应用空间。

[1] 苗润才,朱京涛,杨宗立.液体表面的遮光效应及其应用[J].光子学报,2002,31(4).

[2] 高美玲.遮光效应的研究及应用[D].陕西师范大学,2011.

[3] 袁剑辉,周烈生.用激光散射方法测量透明板的折射率[J].物理实验,1985,(2):62-63.

[4] 任俊鹏.透明容器中液体折射率非接触实时测量[D].陕西师范大学,2015.