CN106556573B - 一种用于测定玻璃折射率的实验装置 - Google Patents

一种用于测定玻璃折射率的实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于测定玻璃折射率的实验装置，所述的演示装置包括基座、滑动导轨一、滑动导轨二、激光发射器、角度测量装置、玻璃试样夹持组件、支撑架一、滑块一、旋转控制器、待测玻璃试样、光斑显示装置、支撑架二、滑块二；将待测玻璃试样放入玻璃试样夹持组件中，调节旋转控制器角度来改变激光入射角，经过由空气到待测玻璃试样，再由待测玻璃试样到空气两次折射，得到平行激光，激光打到光斑显示装置，读取装置中各组件的位置读数，然后利用数学公式计算求出折射率。本发明设计新颖，操作简单，数理结合，可以节约实验时间，减少实验误差，提高数据的准确性。

Description

一种用于测定玻璃折射率的实验装置
技术领域
本发明涉及教学实验仪器，尤其涉及一种用于测定玻璃折射率的实验装置，属于高中物理实验领域。
技术背景
随着科技的发展，社会的进步，各行各业都在不断追求创新，以适应人们对物质需求和精神需求的不断提高。那么在学校里学生创新能力的培养也显得格外重要，而物理实验教学则为学生创新能力的培养搭建好了一个平台。在实验过程中可以培养学生的动手能力，观察能力，还可以激发学生的好奇心，培养学习兴趣，为以后从事科研工作做好基础，也起到抛砖引玉的作用。
在现阶段普通高中物理实验教材中，接触的物理实验较多，其中测定玻璃折射率的实验装置简单，但是误差较大；在传统的测定玻璃折射率实验中，是用肉眼观察和手绘的方式把入射光和折射光的轨迹绘制出来，根据折射定律可以算出折射率，使用这种方法装置简单，算法简易，但是实验过程中误差较大，在找像过程中时间比较长，手绘的过程笔的偏向不同，会得到不同的结果；另外，在实验过程中要求待测玻璃砖块不能移动，大头钉要垂直插入，这些均不能保障，可能会花费很多的时间得不到正确的结果，从而影响学生的积极性和实验数据的严谨性。
现在用高科技的方法测定玻璃折射率的方法也有很多，如最小偏向角法、自准直法、V棱镜折射仪法、干涉法等，这些方法、仪器测得的数据准确，且测量快速，对待测玻璃试样没有要求，但是这些方法、仪器所用原理复杂，目前还不适用于高中物理的讲解，即便得到准确的数值，却达不到最初预想的效果。
发明内容
本发明解决的技术的问题是提供一种用于测定玻璃折射率的实验装置，所用原理可行，操作简易，可以减小实验中误差。
本发明的技术方案如下：
一种用于测定玻璃折射率的实验装置，所述的演示装置主要包括基座、滑动导轨一、滑动导轨二、激光发射器、角度测量装置、玻璃试样夹持组件、支撑架一、滑块一、旋转控制器、待测玻璃试样、光斑显示装置、支撑架二、滑块二；所述的滑动导轨一与滑动导轨二分别与基座连接，位于加持组件两侧；所述的滑块一与滑动导轨一配对使用；所述的滑块一与支撑架一铆接；所述的支撑架一与旋转控制器通过轴孔配合；所述的旋转控制器和角度测量装置通过平键连接；所述的激光发射器插入旋转控制器端部孔内，通过螺钉进行紧固；所述的玻璃试样夹持组件位于基座中部；所述的滑块二与滑动导轨二配对使用；所述的滑块二与支撑架二铆接；所述的支撑架二通过环形扣与光斑显示装置连接。
进一步的，所述的基座两边均有刻度，总长度为1m，最小单位为1mm。
进一步的，所述的量角测量装置包括角度传感器和终端显示器；所述的角度传感器与旋转控制器通过平键连接；角度旋转器测量旋转控制器的角度，通过集成的模数转换电路转换成数字信号，呈现在终端显示器上，所述的角度传感器是BL50-R单圈绝对式角度传感器。
进一步的，所述的激光发射器是小型镭射激光笔，使用2节7号电池供电，功率5-50mw，发射光线直径小于1mm，激光波长为635nm、650nm、660nm中的一个，发出的光是红光，使光斑显示装置上的光斑清楚，光斑点较小，更准确的确定光斑位置。
进一步的，所述的玻璃试样夹持组件内置厚度为0.4-3cm的薄木板，外部是一U型夹，U型夹两个边的距离小于10cm，其中一边有两个螺丝长度为3-5cm，两个螺丝可以向里移动，以此达到固定待测玻璃试样的作用。
进一步的，所述的待测玻璃试样是长方体玻璃砖，厚度3-6cm，长不小于30cm，其中最大的面为激光入射面。
进一步的，所述的光斑显示装置包括光电探测器和终端显示器；所述的光电探测器的规格不低于40×40cm；光电探测器接收到激光后，通过数模装换，将接收到的光斑位置显示在终端显示器上；所述的终端显示器内含有复位电路，具有复位功能，使旋转控制器的旋转角度为0度时，光斑在光斑显示装置上的位置是0刻度。
进一步的，所述的滑动导轨一、滑动导轨二、玻璃试样夹持组件、支撑架一、支撑架二、旋转控制器均是由高磷铸铁材料制成，含磷量为0.3％-0.65％，硬度HB180-200，铸铁中加入少量磷可以提高铸铁材料的耐磨型、减震性，易于铸造和切削加工。
进一步的，一种用于测定玻璃折射率的实验装置，工作原理为：通过调节旋转控制装置来调节激光最初的入射角，光需要经过空气到待测玻璃试样再由待测玻璃试样到空气，最终打到接收光斑的光斑显示装置上；由于激光具有单色性好，方向性好，亮度高等特点，在整个过程中激光束的大小变化可以忽略，由于折射定律可知，空气到待测玻璃试样：待测玻璃试样到空气：可知θ＝θ″，即最初的入射光与最后得到的出射光相互平行；根据装置中各组件位置、角度的读数，利用勾股定理定理：直角三角形内可求出光在待测玻璃内的偏移角θ′，根据n空气＝1进而求出待测玻璃试样的折射率。
进一步的，本发明实验装置测定待测玻璃折射率的方法为：
(1)校零：调节旋转控制器角度为0度时，光斑显示装置上光斑的位置设置成0刻度线；
(2)调节装置：待测玻璃试样放在玻璃试样夹持组件中，使用螺丝、薄木板将待测玻璃试样固定，调节支撑架位置和旋转控制器角度，使光斑显示装置上有个光斑；
(3)记录数据：旋转控制器度数为θ；光斑显示装置到待测玻璃试样的距离X1；待测玻璃试样的厚度d；待测玻璃试样到支撑架一的距离X2；光斑显示装置上光斑到0刻度距离h；
(4)数值计算：在待测玻璃试样内偏移角度为θ′
在待测玻璃试样内偏移高度：y＝h-tanθ×(X1+X2)
折射率：
至少测量3次，求平均值，结果保留3位有效数字。
与现有的实验装置相比，本发明具有以下优点：
1.利用激光的单色性好、方向性好、亮度高的特点，使激光由空气到待测玻璃，再由待测玻璃到空气，经过两次折射最终得到的出射光与最初的入射光平行，且在光斑显示装置得到一个不到1mm的清晰光斑。
2.滑动导轨采用含高磷铸铁，可以提高在使用过程中的耐磨性、减震性，可以尽可能的减少器材原因而造成的光线偏差，进一步提高实验结果的准确性。
3.本发明中数据清晰，光线调节完成以后，只需读数、计算即可，减少过多人为接触而造成的误差。
4.本发明原理简单，操作简易，方便高中生的理解，将数学运算过多的运用到物理实验中，实现数理结合，更有利于开发创造性思维。
附图说明
图1是本发明所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置结构示意图。
其中，1-基座、2-滑动导轨一、3-滑动导轨二、4-激光发射器、5-角度测量装置、6-玻璃试样夹持组件、7-支撑架一、8-滑块一、9-旋转控制器、10-待测玻璃试样、11-光斑显示装置、12-支撑架二、13-滑块二。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图及具体实施例为例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。
如图1所示，一种用于测定玻璃折射率的实验装置，所述的演示装置主要包括基座1、滑动导轨一2、滑动导轨二3、激光发射器4、角度测量装置5、玻璃试样夹持组件6、支撑架一7、滑块一8、旋转控制器9、待测玻璃试样10、光斑显示装置11、支撑架二12、滑块二13；所述的滑动导轨一2与滑动导轨二3分别与基座1连接，位于玻璃试样夹持组件6两侧；所述的滑块一8与滑动导轨一2配对使用；所述的滑块一8与支撑架一7铆接；所述的支撑架一7与旋转控制器9通过轴孔配合；所述的旋转控制器9和角度测量装置5通过平键连接；所述的激光发射器4插入旋转控制器9端部孔内，通过螺钉进行紧固；所述的玻璃试样夹持组件6位于基座1中部；所述的滑块二13与滑动导轨二3配对使用；所述的滑块二13与支撑架二12铆接；所述的支撑架二12通过环形扣与光斑显示装置11连接。
其中，所述的基座1两边均有刻度，总长度为1m，最小单位为1mm。所述的量角测量装置3包括角度传感器和终端显示器；所述的角度传感器与旋转控制器6通过平键连接；所述的角度传感器是BL50-R单圈绝对式角度传感器。所述的激光发射器4是小型镭射激光笔，使用2节7号电池供电，功率5mw，发射光线直径小于1mm，激光波长是635nm。所述的玻璃试样夹持组件6内置厚度为2cm的薄木板，外部是一U型夹，U型夹两个边的距离为8cm，其中一边有两个螺丝长度为5cm。所述的待测玻璃试样10是长方体玻璃砖，厚度最小值3cm，厚度最大值5cm，长度最小值30cm，其中最大的面为激光入射面。所述的光斑显示装置11包括光电探测器和终端显示器；所述的光电探测器的规格45×45cm；所述的终端显示器含有复位功能。所述的滑动导轨一2、滑动导轨二3、玻璃试样夹持组件6、支撑架一7、支撑架二12、旋转控制器9均是由高磷铸铁材料制成，含磷量为0.5％，硬度HB200。
一种用于测定玻璃折射率的实验装置，工作原理为：通过调节旋转控制装置9来调节激光最初的入射角，光需要经过空气到待测玻璃试样10再由待测玻璃试样10到空气，最终打到接收光斑的光斑显示装置11上；由于激光具有单色性好，方向性好，亮度高等特点，在整个过程中激光束的大小变化可以忽略，由于折射定律可知，空气到待测玻璃试样：待测玻璃试样到空气：可知θ＝θ″，即最初的入射光与最后得到的出射光相互平行；根据装置中各组件位置、角度的读数，利用勾股定理定理：直角三角形内可求出光在待测玻璃内的偏移角θ′，根据n空气＝1进而求出待测玻璃试样的折射率。
使用本实验装置测定待测玻璃折射率的方法为：
(1)校零：调节旋转控制器9角度为0度时，光斑显示装置11上光斑的位置设置成0刻度线；
(2)调节装置：待测玻璃试样10放在玻璃试样夹持组件6中，使用螺丝、薄木板将待测玻璃试样10固定，调节支撑架一7的位置和旋转控制器9的角度，使光斑显示装置11上有个光斑；
(3)记录数据：旋转控制器9度数为θ；光斑显示装置11到待测玻璃试样10的距离X1；待测玻璃试样10的厚度d；待测玻璃试样10到支撑架一7的距离X2；光斑显示装置11上光斑到0刻度距离h；
(4)数值计算：在待测玻璃试样10内偏移角度为θ′
在待测玻璃试样10内偏移高度：y＝h-tanθ×(X1+X2)
折射率：
至少测量3次，求平均值，结果保留3位有效数字。
具体实验方法：
分别通过传统手绘插针法、本发明演示装置测量和阿贝折射仪测定法对一K9玻璃进行测定，每种方法测量4次，求最终平均值。
方法一：传统手绘插针法
(1)将白纸用图钉按在绘图板上，先在白纸上画出一条直线aa＇作为界面，过aa＇上的一点O画出界面的法线NN＇，并画出一条线段AO做入射光线。
(2)把待测玻璃试样平放白纸上，使它的长边跟aa＇对齐，画出待测玻璃试样的另一条长边bb＇。
(3)在线段AO上竖直地插上两枚大头针P1、P2，透过待测玻璃试样观察大头针P1、P2的像，调整视线方向，直到P1的像被P2挡住。再在观察的这一侧依次插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P1、P2、P3的像。
(4)移去待测玻璃试样连接P3、P4并延长交bb＇于O′，连接OO′即为折射光线，入射角θ1＝∠AON,折射角θ2＝∠O′ON′。
(5)用量角器测出入射角和折射角，查出正弦值，填入表中。
(6)改变入射角θ，重复上述实验。
表1传统手绘插针法
由表1可知折射率
方法二：采用本发明所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置：待测玻璃厚度3cm,在测量过程中始终保持X1＝10cm,X2＝10cm。
表2本发明演示装置测定法
θ值 37° 44.3° 56.5° 63°
h(cm) 16.390 21.067 32.196 41.449
折射率n 1.496 1.522 1.514 1.508
由表2可知折射率
方法三：采用阿贝折射仪进行测定折射率n＝1.514。
由于阿贝折射仪属于高精度仪器，数值相对准确；方法一和方法二相比，方法二的数值更接近与阿贝折射仪的测量结果相近。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用隔音环保的的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对测定玻璃折射率的演示装置进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用隔音环保的实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于测定玻璃折射率的实验装置，其特征在于，所述的实验装置主要包括基座(1)、滑动导轨一(2)、滑动导轨二(3)、激光发射器(4)、角度测量装置(5)、玻璃试样夹持组件(6)、支撑架一(7)、滑块一(8)、旋转控制器(9)、待测玻璃试样(10)、光斑显示装置(11)、支撑架二(12)、滑块二(13)；所述的滑动导轨一(2)与滑动导轨二(3)分别与基座(1)连接，位于玻璃试样夹持组件(6)两侧；所述的滑块一(8)与滑动导轨一(2)配对使用；所述的滑块一(8)与支撑架一(7)铆接；所述的支撑架一(7)与旋转控制器(9)通过轴孔配合；所述的旋转控制器(9)和角度测量装置(5)通过平键连接；所述的激光发射器(4)插入旋转控制器(9)端部孔内，通过螺钉进行紧固；所述的玻璃试样夹持组件(6)位于基座(1)中部；所述的滑块二(13)与滑动导轨二(3)配对使用；所述的滑块二(13)与支撑架二(12)铆接；所述的支撑架二(12)通过环形扣与光斑显示装置(11)连接。
2.如权利要求1所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置，其特征在于，优选地，所述的基座(1)两边均有刻度，总长度为1m，最小单位为1mm。
3.如权利要求1所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置，其特征在于，优选地，所述的角度测量装置(5)包括角度传感器和终端显示器；所述的角度传感器与所述旋转控制器(6)通过平键连接；所述的角度传感器是BL50-R单圈绝对式角度传感器。
4.如权利要求1所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置，其特征在于，所述的激光发射器(4)是小型镭射激光笔，使用2节7号电池供电，功率5-50mw，发射光线直径小于1mm，激光波长为635nm、650nm、660nm中的一个。
5.如权利要求1所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置，其特征在于，所述的玻璃试样夹持组件(6)内置厚度为0.4-3cm的薄木板，外部是一U型夹，U型夹两个边的距离小于10cm，其中一边有两个螺丝长度为3-5cm。
6.如权利要求1所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置，其特征在于，所述的待测玻璃试样(10)是长方体玻璃砖，厚度3-6cm，长不小于30cm，其中最大的面为激光入射面。
7.如权利要求1所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置，其特征在于，所述的光斑显示装置(11)包括光电探测器和终端显示器，所述的终端显示器内含有复位电路，所述的光电探测器的规格不低于40×40cm。
8.如权利要求1所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置，其特征在于，所述的滑动导轨一(2)、滑动导轨二(3)、玻璃试样夹持组件(6)、支撑架一(7)、支撑架二(12)、旋转控制器(9)均是由高磷铸铁材料制成，含磷量为0.3％-0.65％，硬度HB180-200。
9.如权利要求1所述的一种用于测定玻璃折射率的实验装置测定待测玻璃折射率的方法，其特征在于步骤如下：
(1)校零：调节旋转控制器角度为0度时，光斑显示装置上光斑的位置设置成0刻度线；
(2)调节装置：待测玻璃试样放在玻璃试样夹持组件中，使用螺丝和薄木板将待测玻璃试样固定，调节支撑架位置和旋转控制器角度，使光斑显示装置上有个光斑；
(3)记录数据：旋转控制器度数为θ；光斑显示装置到待测玻璃试样的距离X1；待测玻璃试样的厚度d；待测玻璃试样到支撑架一的距离X2；光斑显示装置上光斑到0刻度距离h；
(4)数值计算：在待测玻璃试样内偏移角度为θ′
在待测玻璃试样内偏移高度：y＝h-tanθ×(X1+X2)
<mrow> <msup> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>y</mi> <msqrt> <mrow> <msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mfrac> </mrow>
折射率：
至少测量3次，求平均值，结果保留3位有效数字。
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