CN110927110A

CN110927110A - 长方体容器盛装液体实现液体折射率测量的方法

Info

Publication number: CN110927110A
Application number: CN201911238644.3A
Authority: CN
Inventors: 李娟�; 胡再国
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2020-03-27

Abstract

长方体容器盛装液体实现液体折射率测量的方法涉及折射率的测量，特别是长方体透明材质折射率的测量。光屏有同心圆圈，单色平行光垂直照射光屏同心圆圈的圆心；在光路插入凸透镜，在凸透镜右侧靠凸透镜插入长方体容器，长方体容器的插入不改变光屏光点的中心，即长方体容器表面垂直于凸透镜光轴插入光路，移动光屏在凸透镜右侧找到的汇聚光点，即焦点位置，记录光屏所在的光具座位置X1；在长方体容器中倒入液体，向右侧移动光屏找到再次聚焦的焦点，并记录光屏所在光具座的位置X2，X2‑X1记为S2，则液体的折射率满足n=w2/(w2‑S2)，其中w2为容器内部液体的宽度。测量工具简单；操作简单明了。

Description

长方体容器盛装液体实现液体折射率测量的方法

技术领域

本发明涉及折射率的测量，特别是长方体透明材质折射率的测量。

背景技术

测量液体折射率大多数采用阿贝折射仪，调节比较复杂，三分视场需要较好的视力。同时，仪器的结构复杂，成本较贵。

发明内容

本发明提出一种新的液体折射率的测量方法，适合于比较厚的透明材质（可以是固体或者液体），特别是材质形状为长方体的材质折射率测量。属于对已成型产品折射率的测量范畴，利用凸透镜近轴光线的焦点作为指示标志。

本发明实现发明目的采用的技术方案是：长方体容器盛装液体实现液体折射率测量的方法，光屏有同心圆圈，单色平行光垂直照射光屏同心圆圈的圆心，即单色平行光光斑中心与同心圆圈圆心重合；在光路插入凸透镜，单色平行光近轴入射到凸透镜左侧，即凸透镜的光轴为入射平行光光斑的中心轴线，即凸透镜右侧光斑的中心与同心圆圈的圆心重合，长方体容器的宽度w1+w2+w3为凸透镜的焦距的1/3-1/2，其中w1为左侧壁厚、w3为右侧壁厚、w2为容器左侧壁内侧表面到右侧壁内侧表面之间的距离，在凸透镜右侧靠凸透镜插入长方体容器，长方体容器的插入不改变光屏光点的中心，即长方体容器表面垂直于凸透镜光轴插入光路，在光具座固定光源、凸透镜和长方体容器并确保光源、凸透镜和长方体容器之间的相互位置不变，其特征是：移动光屏在凸透镜右侧找到的汇聚光点，即焦点位置，记录光屏所在的光具座位置X1；在长方体容器中倒入液体，向右侧移动光屏找到再次聚焦的焦点，并记录光屏所在光具座的位置X2，X2-X1记为S2，则液体的折射率满足n=w2/(w2-S2)。

长方体容器的内侧宽度w2为10cm，凸透镜的焦距为20-30cm。

备注:（1）近轴入射是一种常规的近似处理方法，激光光斑小能够达到近轴的要求，近轴的具体设计（平行光光斑的直径为d，d/f<=0.035，这样折射光线与光轴的夹角a小于1度，夹角a的正弦值、夹角a的正切值都与夹角a的幅度值近似相等）可以不用写进权利要求书中；同时激光的发散角比较小，可以满足平行光的要求。可以用激光器替换平行光达到平行入射和近轴两个条件；（2）激光的波长比较恒定，能够满足单色光的要求；（3）凸透镜光轴和激光器出射光线的传播方向重合，以及透明长方体的表面法线平行于凸透镜的光轴都是实验的常规调节技术，调节过程可以不用表述在权利要求书以及技术方案中以使权利要求书更加简要；（4）折射率与波长相关，与材质相关，因此测量材质的折射率应该采用单色光；（5）激光器的光强比较大，汇聚后容易比较刺眼，可以在激光器的光路中加入起偏器，通过起偏器调节出射光的强度是一种常见的调节光强的措施，或者通过光强计（光强计的进光孔孔径为0.2mm小孔，小孔位于凸透镜光轴上）替换光屏，移动光强计找到最大光强所在位置。

本发明的有益效果是：测量工具简单；操作简单明了；计算原理存在部分近似，需要满足近轴入射，使用激光器的光线比较合适，激光器波长稳定，光斑较小，是一种比较便宜的器材，易于获取。

附图说明

图1是平行光聚焦示意图；图2是插入透明长方体后的焦点变化光路图（只画出光轴上半部分的光线示意图），其中虚线表示插入前光路，实线表示插入后光路图；图3是光路放大图；图4是长方体容器插入光路示意图（包括左侧容器壁固体长方体、右侧容器壁固体长方体、以及中间部分由液体形成的长方体）。

具体实施方式

原理图如图2，放大图如图3，其原理为：平行光光斑的直径为d，平行光近轴入射到凸透镜，汇聚到凸透镜后方的焦点，焦距f，d/f<=0.035，（即入射到长方体的入射角a大致在1度左右，比如f=10cm，则d/f =0.035，即光斑为3.5mm，可以采用光阑截取平行光或者采用激光器，激光器的出射光的光斑一般在2-3mm左右，由于靠轴的两侧入射，即轴的上部为“半径/f=0.0175”，tg(a)=0.0175,a=1^o），即长方体的入射角a和折射角b都比较小，因此，入射角a正弦值、正切值都与角度的幅度值近似相等，折射角b正弦值、正切值都与角度的幅度值近似相等，sin(a)=h/(h²+S1²)^0.5，近似为sin(a)=h/S1=h1/(S1+S-w)；同理，sin(b)=(h-h1)/w，其中w为长方体的厚度，因为sin(a)=h/S1=h1/(S1+S-w)，根据等比例的公式：两个等比例的分数，分子相减除以分母相减产生的分数值不变，则sin(a)=h/S1=h1/(S1+S-w)=（h-h1）/( S1-( S1+S-w))= （h-h1）/( w-S)，所以折射率n=sin(a)/sin(b)= [(h-h1) /( w-S) ]/[ (h-h1)/w]= w /( w-S)，其中，w为长方体在光线传播方向的厚度，S为插入长方体之前的平行光汇聚光点和插入长方体后的汇聚光点之间的距离。

光线斜入射到长方体的一侧、经过长方体折射后、光线从长方体的另外一侧射出来，入射光和出射光是平行的，入射光和出射光在光轴的位移S与长方体的宽度w满足n=w/(w-S)，插入长方体容器，如图4，相当于并排插入3个平行长方体平板，3个平行长方体平板导致平行长方体平板出射光与入射光在光轴的位移分别为S1、S2、S3，其中n1=w1/(w1-S1)=w3/(w3-S3) 、n2=w2/(w2-S2)，根据等比例原则，w1/(w1-S1)=w3(w3-S3)= （w1+w3）/( w1+w3-S1-S3)，即长方体容器的左侧壁w1和右侧壁w3相当于一个厚度为w1+w3的长方体。动光屏在凸透镜右侧找到的汇聚光点，即焦点位置，记录光屏支座所在的光具座位置X1；在长方体容器中倒入液体，向右侧移动光屏找到再次聚焦的焦点，并记录光屏支座所在光具座的位置X2，X2-X1记为S2，则液体的折射率满足n=w2/(w2-S2)。

由于要满足近轴条件，所以光斑比较小，大致在2-3毫米比较合适，因此长方体容器内侧的前后方向的厚度可以比较小（比如5-10mm）。光具座的长度为常用光具座的长度（1.0-1.5米），光具座有刻度尺、每个元件的支座有指示线指向光具座的刻度线，指示线代表支座的中心轴线位置。长方体容器的内侧宽度w2为10cm，凸透镜的焦距为20-30cm。

Claims

1.长方体容器盛装液体实现液体折射率测量的方法，光屏有同心圆圈，单色平行光垂直照射光屏同心圆圈的圆心，即单色平行光光斑中心与同心圆圈圆心重合；在光路插入凸透镜，单色平行光近轴入射到凸透镜左侧，即凸透镜的光轴为入射平行光光斑的中心轴线，即凸透镜右侧光斑的中心与同心圆圈的圆心重合，长方体容器的宽度w1+w2+w3为凸透镜的焦距的1/3-1/2，其中w1为左侧壁厚、w3为右侧壁厚、w2为容器左侧壁内侧表面到右侧壁内侧表面之间的距离，在凸透镜右侧靠凸透镜插入长方体容器，长方体容器的插入不改变光屏光点的中心，即长方体容器表面垂直于凸透镜光轴插入光路，在光具座固定光源、凸透镜和长方体容器并确保光源、凸透镜和长方体容器之间的相互位置不变，其特征是：移动光屏在凸透镜右侧找到的汇聚光点，即焦点位置，记录光屏所在的光具座位置X1；在长方体容器中倒入液体，向右侧移动光屏找到再次聚焦的焦点，并记录光屏所在光具座的位置X2，X2-X1记为S2，则液体的折射率满足n=w2/(w2-S2)。

2.根据权利要求1所述的长方体容器盛装液体实现液体折射率测量的方法，其特征是：长方体容器的内侧宽度w2为10cm，凸透镜的焦距为20-30cm。