CN109979293A - 一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法及实验装置 - Google Patents

一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法及实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学实验技术领域，公开了一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法，在测量图纸上画出法线和若干参考圆，让激光束从半圆形玻璃砖的圆弧面对准圆心射入，从直径所在界面射出，在该面发生折射现象。当折射光线依次通过参考圆与标准参考线的交点时，入射光线与每个对应参考圆的交点为实验记录点，实验记录点也在一条平行于法线的直线上，该直线到法线的距离即该透明玻璃砖的折射率。本发明还公开了一种实验装置，包括实验台、透明玻璃砖和测量图纸，实验台包括主体A和主体B，主体A上设置有光线发射装置和转动纽。本发明的实验方法在实验过程中无需经过繁琐的计算，通过简单的测量就能得出折射率，操作简单。

Description

一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法及实验装置
技术领域
本发明属于光学实验技术领域，具体涉及一种实验方法及实验装置，尤其涉及一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法及实验装置。
背景技术
折射率是指光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。光从介质1射入介质2发生折射时，入射角θ1与折射角θ2的正弦之比n21叫做介质2相对介质1的折射率，即“相对折射率”。因此，“绝对折射率”可以看作介质相对真空的折射率。它是表示在两种(各向同性)介质中光速比值的物理量。
相对折射率公式：n＝sinθ/sinθ＇＝n＇/n＝v/v＇光学介质的一个基本参量。即光在真空中的速度c与在介质中的相速v之比。真空的折射率等于1，两种介质的折射率之比称为相对折射率。例如，第一介质的折射率为n1，第二介质的折射率为n2，则n21＝n1/n2称为第二介质对第一介质的相对折射率。某介质的折射率也是该介质对真空的相对折射率。于是介质的折射率可以表示为 n2＝n1*sinθ1/sinθ2。当介质1为真空时，n2＝sinθ1/sinθ2。
现有的高中物理实验中，测量光折射率的实验方法通常为，将光线射入被测物，然后定量改变入射角的大小，测量光的折射角的大小，验证折射率与入射角的大小无关，得出折射定律。最后通过复杂的计算得出被测物折射率的大小，再计算平均值。而这种方法计算繁琐，操作复杂。在实验过程中对于入射角角度的改变和对折射角角度的测量容易出现失误，导致实验结果不准确，且对于角度的测量也容易出现误差。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种测量透明玻璃转折射率的实验方法及实验装置。
本发明所采用的技术方案为：
一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法，具体步骤如下：
S1.准备实验台、半圆形的透明玻璃砖、测量图纸、圆规、笔、刻度尺，所述测量图纸上印制有标准参考圆、标准参考线和法线；
S2.再利用圆规在所述测量图纸上画出若干共圆心、半径不同的参考圆，所述测量图纸上印制有标准参考圆、标准参考线和法线，所述标准参考线与所述法线平行，所述标准参考线与所述法线之间的间距为1cm。所述测量图纸为圆形，所述法线为所述测量图纸的中轴线；
S3.将所述测量图纸放置在实验台上，然后将所述透明玻璃砖放置在所述测量图纸上，再打开实验台上的光线发射装置，让光线自空气射入所述透明玻璃砖，将所述透明玻璃砖放置在所述测量图纸上时，所述透明玻璃砖的直线边与所述法线垂直，所述透明玻璃砖的圆心与所述参考圆的圆心重合，光线自所述透明玻璃砖的圆心处射入所述被测量物；
S4.调整光线的入射角度，使得光线在通过参考圆圆心的同时，通过任一参考圆与标准参考线的交点，利用笔标出此时光线射入透明玻璃砖前与该参考圆的交点，该交点为实验记录点；
S5.再次调整光线的入射角度，使得光线通过另外一个参考圆的圆心，并且通过该参考圆与所述标准参考线的交点，通过所述笔标出光线射入透明玻璃砖前与该参考圆的交点，该交点为实验记录点；
S6.重复上述步骤S5，得到多个实验记录点；
S7.利用刻度尺将不同实验记录点连成直线，在这个过程中，尽可能让更多的实验记录点位于该直线上；若法线该直线平行于法线，即可探究出光的折射定律；然后测量该直线与法线之间的间距，该间距即为所述透明玻璃砖的折射率。
一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，包括实验台、半圆形的透明玻璃砖和测量图纸，所述测量图纸放置在所述实验台上，所述透明玻璃砖放置在所述测量图纸上；所述实验台包括主体A和与所述主体A相连接的主体B，所述主体A上设置有光线发射装置，所述测量图纸和所述光线发射装置均设置在所述主体A远离所述主体B的一面上，所述主体A上还设置有用于调节所述光线发射装置位置的转动纽。该实验装置采用上述一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法进行透明玻璃砖折射率的测量。
进一步的，所述主体B靠近所述主体A的一面上转动连接有转动机构，所述转动机构包括与所述转动纽相连接的主齿轮和与所述主齿轮相啮合的传动装置，所述传动装置与所述光线发射装置相连接。
进一步的，所述透明玻璃砖内设置有用于吸住所述实验台的磁力装置。
进一步的，所述光线发射装置为“一”字激光发射装置。
进一步的，所述传动装置为扇形结构，所述传动装置的两直角边上均设置有弧形挡片，所述传动装置的圆心角大于90°。
进一步的，所述主体A远离所述主体B的一面上设置有用于固定所述测量图纸的卡槽。
进一步的，所述主齿轮的中部位置设置有连接杆，所述转动纽通过所述连接杆与所述主齿轮相连接；所述主体A上设置有与所述连接杆相配合的通孔。
进一步的，所述主体B靠近所述主体A的一面上设置有连接件，所述传动装置的中部位置设置有与所述连接件相配合的安装孔A，所述传动装置通过所述连接件与所述主体B转动连接。
进一步的，所述传动装置上设置有连接装置，所述光线发射装置通过所述连接装置与所述传动装置转动连接；所述主体A上设置有与所述连接装置相配合的通槽。
本发明的有益效果为：
本发明的实验方法在测量图纸上画出若干与该测量图纸上所印制的标准参考圆共圆心、直径不同的参考圆。标准参考线与多个参考圆的交点到法线的距离相等，当折射光线一一通过这些交点时，入射光线与多个对应参考圆的交点，也在一条平行于法线的直线上，即可探究出光的折射定律，该直线到法线的距离就是透明玻璃砖的折射率。本发明的实验方法在实验过程中无需经过繁琐的计算，通过简单的测量就能得出折射率，操作简单。本发明的实验方法无需进行角度的测量，减小了实验误差。
附图说明
图1是本发明实验装置的结构示意图。
图2是本发明实验装置的爆炸图。
图3是本发明转动机构的结构示意图。
图4是本发明透明玻璃砖的结构示意图。
图中：1-主体A；11-卡槽；12-通槽；13-通孔；14-转动纽；2-主体B；3- 测量图纸；4-光线发射装置；5-透明玻璃砖；51-磁力装置；6-转动机构；61-主齿轮；62-传动装置；611-连接杆；621-挡片；622-连接装置；623-连接件；624- 安装孔A。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1：
如图1所示，本实施例的一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法，具体步骤如下：
S1.准备实验台、半圆形的透明玻璃砖5、测量图纸3、圆规、笔、刻度尺；
S2.再利用圆规在所述测量图纸3上画出若干共圆心、半径不同的参考圆，所述测量图纸3上印制有标准参考圆、标准参考线和法线，所述参考圆与所述标准参考圆共圆心，所述标准参考线与所述法线平行，所述标准参考线与所述法线之间的间距为1cm。所述测量图纸3为圆形，所述法线为所述测量图纸3 的中轴线；
S3.将所述测量图纸3放置在实验台上，然后将所述透明玻璃砖5放置在所述测量图纸3上，再打开实验台上的光线发射装置4，让光线自空气射入所述透明玻璃砖5，将所述透明玻璃砖5放置在所述测量图纸3上时，所述透明玻璃砖5的直线边与所述法线垂直，所述透明玻璃砖5的圆心与所述参考圆的圆心重合，光线自所述透明玻璃砖5的圆心处射入所述被测量物；
S4.调整光线的入射角度，使得光线在通过参考圆圆心的同时，通过任一参考圆与标准参考线的交点，利用笔标出此时光线射入透明玻璃砖5前与该参考圆的交点，该交点为实验记录点；
S5.再次调整光线的入射角度，使得光线通过另外一个参考圆的圆心，并且通过该参考圆与所述标准参考线的交点，通过所述笔标出光线射入透明玻璃砖 5前与该参考圆的交点，该交点为实验记录点；
S6.重复上述步骤S5，得到多个实验记录点；
S7.利用刻度尺将不同实验记录点连成直线，在这个过程中，尽可能让更多的实验记录点位于该直线上；若法线该直线平行于法线，即可得到折射定律；然后测量该直线与法线之间的间距，该间距即为所述透明玻璃砖5的折射率。
本实施例的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，包括实验台、半圆形的透明玻璃砖5和测量图纸3，所述测量图纸3放置在所述实验台上，所述透明玻璃砖5放置在所述测量图纸3上；所述实验台包括主体A1和与所述主体 A1相连接的主体B2，所述主体A1上设置有光线发射装置4，所述测量图纸3 和所述光线发射装置4均设置在所述主体A1远离所述主体B2的一面上，所述主体A1上还设置有用于调节所述光线发射装置4位置的转动纽14。该实验装置采用上述一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法对所述透明玻璃砖5的折射率进行的测量。
所述主体B2设置有开口槽的方形结构，所述主体A1设置在所述主体B2 的开口面，将所述主体B2封闭，所述主体A1与所述主体B2相连接后，所述主体A1和所述主体B2之间形成一空腔。将所述测量图纸3设置在所述主体 A1的上，所述光线发射装置4设置在所述测量图纸3的边缘。转动所述转动纽 14可使得所述光线发射装置4的沿所述测量图纸3的边缘运动，可调节所述光线发射装置4位置，以达到调整光线入射角度的目的。
实施例2：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化的限定，如图1至图4所示，本实施例的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，包括实验台、半圆形的透明玻璃砖5和测量图纸3，所述测量图纸3放置在所述实验台上，所述透明玻璃砖5放置在所述测量图纸3上；所述实验台包括主体A1和与所述主体A1相连接的主体B2，所述主体A1上设置有光线发射装置4，所述测量图纸3和所述光线发射装置4均设置在所述主体A1远离所述主体B2的一面上，所述主体 A1上还设置有用于调节所述光线发射装置4位置的转动纽14。该实验装置采用上述一种测量透明玻璃砖5折射率的实验方法进行透明玻璃砖5折射率的测量。
所述主体B2靠近所述主体A1的一面上转动连接有转动机构6，所述转动机构6包括与所述转动纽14相连接的主齿轮61和主齿轮61相啮合的传动装置 62，所述传动装置62与所述光线发射装置4相连接。所述透明玻璃砖5内设置有用于吸住所述实验台的磁力装置51。
所述光线发射装置4为激光发射装置。所述传动装置62为扇形结构，所述传动装置62的两直角边上均设置有弧形挡片621，所述传动装置62的圆心角大于90°。所述主体A1远离所述主体B2的一面上设置有用于固定所述测量图纸3的卡槽11。所述主齿轮的中部位置设置有连接杆611，所述转动纽14通过所述连接杆611与所述主齿轮相连接；所述主体A1上设置有与所述连接杆611 相配合的通孔13。
所述主体B2靠近所述主体A1的一面上设置有连接件623，所述传动装置 62的中部位置设置有与所述连接件623相配合的安装孔A624，所述传动装置 62通过所述连接件623与所述主体B2转动连接。
所述传动装置62上设置有卡齿A，所述主齿轮上设置有与所述卡齿A相配合的卡齿B，所述传动装置62通过所述卡齿A与所述主齿轮相啮合。所述光线发射装置4设置在所述传动装置62上，所述转动纽14与所述主齿轮相连接。转动所述转动纽14，所述转动纽14带动所述主齿轮转动，所述主齿轮进而带动所述传动装置62转动，所述传动装置62进一步带动所述光线发射装置4转动，以达到调整所述光线发射装置4位置的目的。利用所述传动装置62和所述主齿轮调整所述光线发射装置4，使得在通过调整所述光线发射装置4位置来调整光线的入射角度的过程中，转动转动纽14所述光线发射装置4不会移动太多位置，便于调节。且转动完毕之后，所述主齿轮和所述传动装置62卡紧，所述光线发射装置4的位置不会在观察、记录的过程中移动，便于观察。所述主齿轮和所述传动装置62均与所述主体B2转动连接。
所述挡片621用于防止所述传动装置62与所述主齿轮之间打滑，当所述传动装置62上靠近直角边处的卡齿B与所述主齿轮啮合时，所述挡片621勾住所述主齿轮，防止所述传动装置62继续运动，此时无法再拧动所述转动纽14，只能反向拧动所述转动纽14，使得所述传动装置62反向运动。所述卡槽11用于防止所述测量图纸3在实验过程中移动，影响实验进程，导致实验出现误差。
所述连接件623的一端穿过所述安装孔A624后与所述主体B2转动连接。所述连接件623的一端膨大，所述连接件623膨大端的直径大于所述安装孔 A624的直径，将所述传动装置62安装在所述主体B2上后，所述连接件623 的膨大端位于所述传动装置62靠近所述主体A1的一面上。
所述传动装置62上设置有连接装置622，所述光线发射装置4通过所述连接装置622与所述传动装置62转动连接；所述主体A1上设置有与所述连接装置622相配合的通槽12。所述连接装置622的一端与所述传动装置62相连接，所述连接装置622的另一端穿过所述通槽12与所述光线发射装置4相连接。所述连接装置622设置在所述传动装置62上、靠近所述传动装置62其中一个挡片621的位置。所述通槽12为弧形，所述通槽12与所述卡槽11分别设置在所述主体A1纵轴线的两侧。所述通槽12的半径大于所述测量图纸3的半径。
将上述实施例2的实验方法与现有的实验方法在其他条件均相同的前提下进行对照实验，测量上述透明玻璃砖5的光折射率，并用阿贝折射仪测量该透明玻璃砖5的折射率，进行对比。
测量介质为上述透明玻璃砖5，所述透明玻璃砖5的直径为7cm、厚度为 2cm。所使用的工具包括测试图纸(直径为18cm)、光线发射装置、圆规、笔、量角器、刻度尺。
利用现有的实验方法测量入射角为10°-80°时该透明玻璃砖的折射率，现有的实验方法具体步骤如下：
S1.利用笔和刻度尺在所述测试图纸上画出所述测试图纸的中轴线；
S2.调整所述光线发射装置的位置，使得入射光与上述中轴线之间的夹角为 10°；
S3.找出折射光线所在的位置，并测量出折射光线与所述中轴线之间的夹角；
S4.利用公式n2＝sinθ1/sinθ2计算出透明玻璃砖的折射率(空气的折射率约等于1)；
S5.将光的入射角增加10°，重复上述步骤S2-S4；
S6.计算上述步骤中所计算的折射率的平均值。
现有实验方法实验数据如表1所示：
入射角i/° 10 20 30 40 50 60 70 80
sini 0.174 0.342 0.500 0.643 0.766 0.866 0.940 0.985
折射角r/° 7 13 19 26 31 35 39 41
sinr 0.122 0.225 0.326 0.438 0.515 0.574 0.629 0.656
折射率n 1.42 1.52 1.54 1.47 1.49 1.51 1.49 1.50
表1
计算出表1折射率的平均值为1.4925。本实施例的实验方法测量出的折射率为1.51。阿贝折射仪所测得的折射率为1.513。
阿贝折射仪是能测定透明、半透明液体或固体的折射率和平均色散的仪器，阿贝折射仪属于高精度仪器，测量的数值相对准确。由实验数据可知，本实施例的实验方法所测得的折射率与阿贝折射仪所测得的折射率更加相近。且从表 1中的数据可以看出，在使用现有的实验方法进行折射率测量时，所计算的出的折射率误差相对较大，需要进行多组测量、进行多次计算、最后计算平均值才能得出一个相对准确的数值。
本实施例的实验原理为：
按照上述实施例2的实验方法，将光线自半径为1cm的参考圆的圆心射入透明玻璃砖5中，假设入射角为i1、折射角为r1，光线与该参考圆的交点为D1，D1与法线之间的垂线与法线的交点为D′1，折射光线与单位圆的交点为C1，C1与法线之间的垂线与法线的交点为C′1，参考圆的半径用R1表示，此时：
调整光线角度，使得光线自另一个半径为R2的参考圆的圆心射入透明玻璃砖5中，假设入射角为i2、折射角为r2，光线与该参考圆的交点为D2，D2与法线之间的垂线与法线的交点为D′2，折射光线与单位圆的交点为C2，C2与法线之间的垂线与法线的交点为C′2，此时：
以此类推可得：
若：C1C′1＝C2C′2＝C3C′3＝…＝CnC′n＝1
那么：D1D′1＝D2D′2＝D3D′3＝…＝DnD′n＝n
也就是说，若C1，C2，C3…Cn在一条平行于法线的直线上，那么D1，D2， D3…Dn也在一条平行于法线的直线上。也就是说重复多次调整入射光线角度后，若折射光线与参考圆之间的交点在一条平行于法线的直线上，那么入射光线与参考圆之间的交点也在一条平行于法线的直线上。若折射光线与法线之间的距离为1，即所有折射光线与参考圆交点与法线之间的间距为1，那么入射光线与该参考圆的交点与法线之间的间距即为透明玻璃砖的折射率。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量透明玻璃砖折射率的实验方法，其特征在于：具体步骤如下：
S1.准备实验台、半圆形的透明玻璃砖、测量图纸、圆规、笔、刻度尺，所述测量图纸上印制有标准参考圆、标准参考线及法线；
S2.再利用圆规在所述测量图纸上画出若干圆心相同、半径不同的参考圆；
S3.将所述测量图纸放置在实验台上，然后将所述透明玻璃砖放置在所述测量图纸上，再打开实验台上的光线发射装置，让光线自空气射入所述透明玻璃砖；
S4.调整光线的入射角度，使得光线在通过参考圆圆心的同时，通过任一参考圆与标准参考线的交点，利用笔标出此时光线射入透明玻璃砖前与该参考圆的交点，该交点为实验记录点；
S5.再次调整光线的入射角度，使得光线通过另外一个参考圆的圆心，并且通过该参考圆与所述标准参考线的交点，通过所述笔标出光线射入透明玻璃砖前与该参考圆的交点，该交点为实验记录点；
S6.重复上述步骤S5，得到多个实验记录点；
S7.利用刻度尺将不同实验记录点连成直线，测量该直线与法线之间的间距，该间距即为所述透明玻璃砖的折射率。
2.一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，其特征在于：包括实验台、半圆形的透明玻璃砖和测量图纸，所述测量图纸放置在所述实验台上，所述透明玻璃砖放置在所述测量图纸上；所述实验台包括主体A和与所述主体A相连接的主体B，所述主体A上设置有光线发射装置，所述测量图纸和所述光线发射装置均设置在所述主体A远离所述主体B的一面上，所述主体A上还设置有用于调节所述光线发射装置位置的转动纽。
3.根据权利要求2所述的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，其特征在于：所述主体B靠近所述主体A的一面上转动连接有转动机构，所述转动机构包括与所述转动纽相连接的主齿轮和与所述主齿轮相啮合的传动装置，所述传动装置与所述光线发射装置相连接。
4.根据权利要求3所述的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，其特征在于：所述透明玻璃砖内设置有用于吸住所述实验台的磁力装置。
5.根据权利要求4所述的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，其特征在于：所述光线发射装置为“一”字激光发射装置。
6.根据权利要求5所述的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，其特征在于：所述传动装置为扇形结构，所述传动装置的两直角边上均设置有弧形挡片，所述传动装置的圆心角大于90°。
7.根据权利要求6所述的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，其特征在于：所述主体A远离所述主体B的一面上设置有用于固定所述测量图纸的卡槽。
8.根据权利要求7所述的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，其特征在于：所述主齿轮的中部位置设置有连接杆，所述转动纽通过所述连接杆与所述主齿轮相连接；所述主体A上设置有与所述连接杆相配合的通孔。
9.根据权利要求8所述的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，其特征在于：所述主体B靠近所述主体A的一面上设置有连接件，所述传动装置的中部位置设置有与所述连接件相配合的安装孔A，所述传动装置通过所述连接件与所述主体B转动连接。
10.根据权利要求9所述的一种测量透明玻璃砖折射率的实验装置，其特征在于：所述传动装置上设置有连接装置，所述光线发射装置通过所述连接装置与所述传动装置转动连接；所述主体A上设置有与所述连接装置相配合的通槽。
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