CN102467846A - 介质折射率测定装置 - Google Patents

Abstract

一种介质折射率测定装置，其特征是：将要测定其折射率的介质注满在一个玻璃容器(1)内，在(1)的上口覆盖有薄透明盖板(9)，在(1)的纵向中垂面上，(9)的斜上方固定有固定板(6)，(6)上固定有一支按确定的入射角倾斜放置的激光笔(5)，当(1)中充满介质时从(5)射出的激光会通过介质的折射，在(1)的一个侧面与(1)纵向中垂面的相交线上形成折射光斑，介质不同折射光斑所处的上下位置也不同，根据折射光斑所处的深度h与介质折射率n的函数关系可计算出适当多个h值所对应的各个n值，并将这些n值标度在容器(1)的右侧面上形成透明标尺(10)，根据折射光斑在(10)上的位置可测出介质的折射率n。

Description

介质折射率测定装置

技术领域

本发明涉及一种介质折射率的测定装置，尤其是适用于物理教学中光的折射演示和介质折射率测定的实验。

背景技术

介质相对于真空(或者是空气)的折射率，叫做这种介质的绝对折射率，简称介质的折射率。折射率是物质的重要物理参数之一。利用折射率，既可反映物质对光的偏折本领，也可反过来用以鉴别物质，所以，介质折射率的测定是基础物理光学的重要内容之一。但是，直到现在，还没有用来测定介质折射率的专用装置。物理课本中所设计的相关实验，不仅原理和方法过于复杂，而且关键的环节要全凭目测，极易导致测量误差。

发明内容

本发明提供了一种介质折射率的测定装置。该装置自成一体，既可在科研、生产和教学中用来测定液态和气态介质的折射率，也可以此测量结果来鉴别介质，并可在物理教学中用以演示光的折射。

本发明需要解决的技术问题：一是光源，如何保证入射光束细而集中，并且具有较高的强度和鲜艳的颜色；二是如何使折射光线都处在同一平面上；三是如何能够将不同密度的气体介质装满容器；四是如何根据折射光斑的位置显示出不同介质的折射率。

本发明所采用的技术方案是：1.利用红色的激光笔作为光源，既可保证入射光束细而集中，并且具有较高的强度和鲜艳的红色；2.在盛装介质容器的上部固定一块固定板，并使该固定板的一个平面(固定面)处在容器的纵向中垂面上，再将激光笔以一定的入射角(以容器的上盖板平面为界面)紧固在固定面上，可保证折射光都处于容器的纵向中垂面上；3.在介质容器的盖板上贯穿固定两支可交替使用的介质注入和排出管，两管的下端口，一个直达容器底部，一个刚刚透过上盖板，可满足盛装介质的需要；4.由于光的入射面和入射角都已确定，所以在介质注满容器的情况下，对于不同的介质，在容器的同一个侧壁，即折射光的射出面(简称折射面)上，就会有处于上下不同位置的折射光斑与之对应。依据光的折射定律，可推导出折射光斑到界面的距离h与介质的折射率n之间的函数关系，依此关系可作出n-h图像，据此图像即可将不同深度的h值所对应的不同介质的折射率n直接标明在折射面上，这样即可根据折射光斑的位置直接显示出容器中介质的折射率。

本发明的有益效果是：原理简单，操作方便，效果明显，既能够满足物理教学中相关内容课堂教学的需要，也可用于一般生产或科研中，介质折射率的测量，并且成本低廉。

附图说明

下面结合附图，对本发明作进一步说明。

附图是本发明的主视图。图中，1介质容器，2激光束，3注入(或排出)管，4支撑杆，5激光笔，6激光笔固定板，7标注在盖板9上的入射点，8排出(或注入)管，9薄透明盖板，10透明标尺，11激光在标尺上所形成的折射光斑，i和γ分别表示入射角与折射角。

具体实施方式

根据不同的需要，本装置可制成大小不同的规格，现以适用于一般课堂教学的装置为例来予以说明。附图中，介质容器(1)为100×60×180mm³(长×宽×高)的长方体玻璃缸；密封在容器(1)上的上盖板(9)为厚度为2mm的无色有机玻璃板；用以注入或排出介质的(3)和(8)为Φ6mm的玻璃管，且管(8)的下端口贴近容器(1)的底部，管(3)则刚刚透过上盖板(9)，(3)和(8)的上端口都高出盖板(9)约30mm；固定在容器(1)上的固定板(6)是厚度为5mm的有机玻璃板，(6)的前平面为固定面，该固定面处于容器(1)的纵向中垂面上，并固定于(9)的左上方；用作光源的激光笔(5)为能够射出极细的红色激光束的小型激光笔，(5)以其纵轴线与盖板(9)的垂直方向成某一确定角(入射角i)的方位固定于固定板(6)的固定面上；标尺(10)的标度直接标明在容器的右侧面(即折射光的射出面)上，从折射光(2)在标尺上所形成的光斑(11)的位置，可直接读出容器(1)中介质的折射率。

标尺的标度原理及其标度方法

设介质的折射率为n，则

$n=\frac{\sin i}{\sin \mathrm{\γ}},$

其中i和γ分别是光线由真空(或空气)射入介质时的入射角与折射角。实验中，如果控制激光束，使入射角i为一设定值，则可设

sin i＝e，

从而就有， $n=\frac{e}{\sin \mathrm{\γ}},$ 则 $\sin \mathrm{\γ}=\frac{e}{n},$ 由附图可知， $\sin \mathrm{\γ}=\frac{L}{\sqrt{L^2+h^2}},$ 从而有，

$\frac{e}{n}=\frac{L}{\sqrt{L^2+h^2}}\⇒n=\frac{e}{L}.\sqrt{L^2+h^2}.---(*)$

以上各式中的h是折射光斑的中心到介质界面，即到薄盖板(9)的距离，L是入射点(7)到标尺之间的距离。由于相对于不同的介质，光线在其中偏折的程度不同，所以在入射点(7)、L和入射角i确定之后，相对于容器中所盛装的每一种介质，激光在其中折射后都会在标尺(10)上形成一个与之对应的光斑。介质不同，该光斑在标尺上的上下位置也不同。这样根据每一个光斑中心所在位置的h值和(*)式中n与h的关系即可找出与该h值所对应的n值，即测知该介质的折射率。

在实际制作装置时，是根据n与h的函数关系，直接在标尺(10)上标出了n值。这样在实际使用时，只要看到标尺上的光斑，即可直接读出介质的折射率。

在确定标尺的标度时，要注意几点：

①要将薄盖板(9)所在的平面确定为标尺上h值的0刻度，并将竖直向下取为标尺h值的递增方向。因h＝0时，sinγ＝90°，所以有n＝sin i＝e.

②因无论L值和入射角i怎么选取，当容器(1)中不装介质(实际上是装满空气)时，激光都将沿直线穿过容器并在标尺上形成一个光斑，而此光斑的中心所在位置的h值(假设该值为h₁)所对应的折射率必定为“1”，即当h＝h₁时，n＝1.

③标尺上其它各折射率的标度值，可在入射点(7)、L和入射角i确定之后，取适当多个n值，如n₂＝1.25，n₃＝1.40，n₄＝1.50，n₅＝1.66等，再根据(*)式计算出与这些n值所对应的h值，h₂、h₃、h₄、h₅，并列出n与h的对应值表，根据此表，用描点发绘制出n-h图像，绘制图像时，最好以[h₁，1]为坐标原点，据此图像，可在标尺上确定出任意多个h值所对应的n值，并将这些n值标定在标尺上。

使用方法

先将(3)和(8)两管的上端口打开，并从其中的一个管口向容器中注入介质。注入的方法是：如果介质是密度大于空气的气体或液体，要从(8)口注入，这样，容器中的空气可从(3)管排出；反之如果是密度小于空气的介质，则须从(3)的上端口注入，这样可使容器中原有的空气通过(8)的下端口，而从其上端口排出。对于密度小于空气的介质，要注意在介质注满容器(即整个容器中都充满介质)后，将(3)的上端口用塞栓封闭，以免介质泻出容器。然后，打开激光灯(5)，即可从折射光斑的中心在标尺(10)上所处的位置，直接读出容器(1)中介质的折射率。

Claims (6)

1.一种适用于介质折射率的测定装置，它包括一个竖直放置的盛装介质的长方体玻璃容器、一块薄透明盖板、一支用作光源的激光笔、一块固定板、两支可交替使用的注入和排出管、能够直接读出介质折射率值的标尺，其特征在于：薄透明盖板(9)密闭于容器(1)的上口，(9)上装置有注入与排出管(3)和(8)，固定板(6)固定于(9)的斜上方，激光笔(5)倾斜固定在(6)上，在容器(1)的一个侧面上标有刻度形成标尺(10)。

2.根据权利要求1所属的介质折射率测定装置，其特征是：两根可交替使用的介质注入与排出管(3)和(8)，都贯穿并固定在盖板(9)上，且(3)管是刚刚透过(9)，而(8)管的下端口则贴近容器(1)的底部，使用时，对于密度大于空气的液体或气体介质，需从(8)的上端口注入，使(1)中的空气从(3)排出，而对于密度小于空气的介质，则需由(3)管注入，以使(1)中的空气由(8)管排出。

3.根据权利要求1所属的介质折射率测定装置，其特征是：固定板(6)上固定激光笔(5)的平面要处在(1)的纵向中垂面上，且(6)要固定在(9)的斜上方。

4.根据权利要求1所属的介质折射率测定装置，其特征是：以薄盖板(9)为界面，激光笔(5)是以确定的入射角i固定在(6)上。

5.根据权利要求1所属的介质折射率测定装置，其特征是：标尺(10)直接标度在(1)的一个侧面上，这个侧面是从(5)中所发出的所有激光经(1)中的介质折射后，其所有折射光都要由此射出(1)的射出面。

6.根据权利要求1所属的介质折射率测定装置，其特征是：标尺(10)上所有标度确定的依据是：

$n=\frac{e}{L}.\sqrt{L^2+h^2}$

其中，n是(1)中所储介质的折射率，e＝sin i，i为激光入射角，L是激光入射点到标尺(10)的距离，h是折射光斑的中心到介质界面，即到薄盖板(9)之间的距离。

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