CN213633169U - 一种测量液体折射率的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于折射率测量装置技术领域，尤其是一种测量液体折射率的实验装置，针对现有的测量液体折射率的方法操作复杂且精度不高，而激光照射法、光纤杨氏干涉法、CCD测量法等方法对测量仪器和实验环境的要求较高的问题，现提出如下方案，其包括操作台，本实用新型中，采用双棱镜和薄玻璃片制成盛放液体的容器，双空气劈尖的设计解决了劈尖容器小角度加工难度高的问题，该装置体积小，消除了盛放液体的器皿过大带来光程差变化太大、干涉图像不清晰的干扰。双空气劈尖的特殊结构，以及对棱脊左右两侧劈尖分别进行测量取平均值的方法解决了迈克尔逊干涉测液体折射率实验中的难点，增加了实验结果的可靠性，该方法实用性强，设备简单易操作。

Description

一种测量液体折射率的实验装置

技术领域

本实用新型涉及折射率测量装置技术领域，尤其涉及一种测量液体折射率的实验装置。

背景技术

折射率是介质的一个重要物理量，在生活和实验研究中都有着广泛的应用。借助折射率可以了解物质的浓度、光学性能、纯度和色散性质等，因此对介质折射率的测量与研究有着重要的意义。随着科技的进步，测量折射率的方法在不断创新与改进。

目前测量液体折射率的方法中，劈尖干涉法、牛顿环法、最小偏向角法这些测量方法操作复杂且精度不高，而激光照射法、光纤杨氏干涉法、CCD测量法等方法对测量仪器和实验环境的要求较高，所以我们提出一种测量液体折射率的实验装置，用以解决上述所提到的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种测量液体折射率的实验装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种测量液体折射率的实验装置，包括操作台，所述操作台的顶部固定连接有分光板和补偿板，所述分光板和补偿板为平行设置，所述操作台的顶部固定连接有第一反光镜和第二反光镜，所述操作台的顶部滑动连接有第一支撑板，所述第一支撑板的顶部固定连接有圆形塑料框，所述圆形塑料框位于第一反光镜和分光板之间，所述第一支撑板的一侧设置有用于移动第一支撑板的横向移动组件，所述第二反光镜位于补偿板的一侧，所述操作台的顶部固定连接有He-Ne激光器，所述He-Ne激光器位于分光板的一侧。

优选地，所述圆形塑料框的内部设置有薄玻璃片和双棱镜，所述薄玻璃片位于双棱镜的棱脊处。

优选地，所述操作台的顶部固定连接有观察屏，所述观察屏位于分光板的一侧。

优选地，所述操作台的顶部固定连接有固定板，所述固定板的一侧固定连接有轴承，所述轴承的一侧转动连接有螺杆，所述螺杆的一端贯穿第一支撑板并与第一支撑板螺纹连接，所述螺杆的一端固定连接有螺旋鼓轮。

优选地，所述操作台的顶部固定连接有第二支撑板，所述螺杆贯穿第二支撑板。

优选地，所述操作台的顶部固定连接有滑轨，所述第一支撑板的底部固定连接有与滑轨相适配的滑块，所述滑轨与滑块滑动连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、双空气劈尖容易制作，利用圆形薄平板玻璃和一个常见的双棱镜组装而成，不需要进行复杂和高精度的容器加工；

2、巧妙的利用了θ₁+θ₂＝2θ₀这一关系，免去了对双空气劈尖的夹角θ₁和θ₂的测量，由于双棱镜棱脊两侧液体跟薄平板玻璃之间表面张力并不完全相等，会导致θ₁和θ₂不相等(见图5)，在横向移动劈尖时，激光束经过双棱镜和劈尖的总距离出现了变化。在采用单劈尖的相关实验中，类似的问题引起的测量误差无法解决，而利用双劈尖的特殊结构，成功的解决了这个实验中的难点。

本实用新型中，介绍了基于迈克尔逊干涉仪和用双棱镜及薄玻璃圆片制成的双空气劈尖测量液体折射率的方法，实验采用双棱镜和薄玻璃片制成盛放液体的容器，双空气劈尖的设计解决了劈尖容器小角度加工难度高的问题，该装置体积小，消除了盛放液体的器皿过大带来光程差变化太大、干涉图像不清晰的干扰。双空气劈尖的特殊结构，以及对棱脊左右两侧劈尖分别进行测量取平均值的方法解决了迈克尔逊干涉测液体折射率实验中的难点，增加了实验结果的可靠性，测量结果表明，作为对迈克尔逊干涉仪和劈尖实际应用的拓展，该方法实用性强，设备简单易操作，可重复性强，测量精度较高，在实验教学中可以作为基于迈克尔逊干涉仪测量液体折射率的设计性实验。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种测量液体折射率的实验装置的光路图；

图2为本实用新型中蒸馏水折射率测量数据的表格；

图3为本实用新型中双棱镜折射率测量数据的表格；

图4为本实用新型中平行状态的双劈尖示意图；

图5为本实用新型中一般状态的双劈尖示意图；

图6为本实用新型提出的一种测量液体折射率的实验装置的俯视结构示意图；

图7为本实用新型提出的一种测量液体折射率的实验装置的侧视结构示意图。

图中：1、第一反光镜；2、薄玻璃片；3、圆形塑料框；4、双棱镜；5、分光板；6、补偿板；7、第二反光镜；8、观察屏；9、He-Ne激光器；10、操作台；11、螺杆；12、螺旋鼓轮；13、第一支撑板；14、轴承；15、固定板；16、滑轨；17、滑块；18、第二支撑板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例一

参照图1-7，一种测量液体折射率的实验装置，包括操作台10，操作台10的顶部固定连接有分光板5和补偿板6，分光板5和补偿板6为平行设置，操作台10的顶部固定连接有第一反光镜1和第二反光镜7，操作台10的顶部滑动连接有第一支撑板13，第一支撑板13的顶部固定连接有圆形塑料框3，圆形塑料框3位于第一反光镜1和分光板5之间，第一支撑板13的一侧设置有用于移动第一支撑板13的横向移动组件，第二反光镜7位于补偿板6的一侧，操作台10的顶部固定连接有He-Ne激光器9，He-Ne激光器9位于分光板5的一侧。

本实用新型中，圆形塑料框3的内部设置有薄玻璃片2和双棱镜4，薄玻璃片2位于双棱镜4的棱脊处。

本实用新型中，操作台10的顶部固定连接有观察屏8，观察屏8位于分光板5的一侧。

本实用新型中，操作台10的顶部固定连接有固定板15，固定板15的一侧固定连接有轴承14，轴承14的一侧转动连接有螺杆11，螺杆11的一端贯穿第一支撑板13并与第一支撑板13螺纹连接，螺杆11的一端固定连接有螺旋鼓轮12。

本实用新型中，操作台10的顶部固定连接有第二支撑板18，螺杆11贯穿第二支撑板18。

本实用新型中，操作台10的顶部固定连接有滑轨16，第一支撑板13的底部固定连接有与滑轨16相适配的滑块17，滑轨16与滑块17滑动连接。

工作原理：在分光板5和第一反光镜1之间放置劈尖，劈尖放置在横向传动装置中并利用螺旋鼓轮12来控制劈尖左右移动并测量移动距离，旋转螺旋鼓轮12控制双空气劈尖横向缓慢平动，其移动距离可在螺旋鼓轮12上读取计算，螺旋鼓轮12可以估读到0.001mm，He-Ne激光器9发出的光经分光板5分成强度相等的两束，反射光和透射光分别经第一反光镜1和第二反光镜7反射后，最终在观察屏8上发生干涉，形成明暗相间的圆环条纹，通过读取观察屏8中央条纹变化的数目和测量双空气劈尖移动的距离来计算折射率，将双棱镜4安装在横向传动装置上，调节好实验光路，使得观察屏8上观察到清晰的干涉条纹，并且使条纹中心尽可能的在视野中央，方便对条纹进行计数，缓缓转动螺旋鼓轮12，使双棱镜4横向移动一定的距离，记录观察屏8中央涌出或陷入条纹的个数，每变化10个条纹记录一次数据，测量数据见图3，考虑到双棱镜4两个楔角角度略有差别，实验分别测量双棱镜4棱脊两侧的条纹变化数目与横向位移量的数值，对所得的两侧数据取平均值，求得双棱镜4的折射率为1.59，在双棱镜4棱脊一侧滴入几滴待测液体，将薄玻璃片2覆盖在上，由于表面张力的作用，薄玻璃片2能很好的吸附在双棱镜4上，双空气劈尖处形成两个待测液体劈尖。将充满待测液体的劈尖安装在横向移动装置上，分别测量两个劈尖的条纹变化数目与对应螺旋鼓轮12的位置，实验室环境温度为20℃，记录的实验数据见图2，计算可得蒸馏水折射率为1.33，查表知在室温下的公认蒸馏水的折射率标准为为1.333，实验相对误差为0.3％，实验结果比较理想。

在测量待测液体的折射率之前，先行测量双棱镜的折射率n₂，空气的折射率近似取1，计算公式为：

其中N为观察屏中央涌出(陷入)的条纹数目，λ为氦氖激光波长，Δd为激光束在双棱镜中单次传输距离的变化量。易得：

Δd＝dtanθ₀ (2)

其中d为双棱镜横向移动的距离，θ₀为双棱镜的楔角。

在双空气劈尖里注满待测液体，当双棱镜的上表面AB同平板玻璃平面CD平行时，形成液体劈尖的夹角等于双棱镜的楔角(见图4)，此时得到液体的折射率的计算公式：

其中θ₁为待测液体的折射率。但是在一般情况下，由于双棱镜棱脊两侧液体跟薄平板玻璃之间表面张力大小不一致，两个液体劈尖夹角θ₁和θ₂不完全相等(见图5)。

因此，当劈尖被横向传动时，两侧的光程差计算公式分别为：

Nλ＝2d₁(tanθ₀n₂-tanθ₁n₁) (4)

Nλ＝2d₂(tanθ₀n₂-tanθ₂n₁) (5)

其中d₁、d₂分别为两个劈尖横向移动的距离，通过公式(4)、(5)可推出：

Nλ＝(d₂+d₂)tanθ₀n₂-n₁(d₁tanθ₁+d₂tanθ₂) (6)

由图5可知：

θ₁tθ₂＝2θ₀ (7)

不妨设：

θ₁＝θ₀+Δθ θ₂＝θ₀-Δθ (8)

利用三角公式可得：

由于θ₀、Δθ角度很小，所以可以将tanθ₀tanΔθ作为微小量舍去，(9)式可近似为：

d₁tanθ₁+d₂tanθ₂＝(d₁+d₂)tanθ₀ (10)

将(10)式代入(6)式得到：

由式(11)可知，即使θ₁和θ₂之间并不完全相等，分别测量两个空气劈尖的横向移动距离，取平均值后计算，基本能消除由于不平行而导致的测量误差，即在双空气劈尖的特殊结构下我们无需对空气劈尖角度θ₁和θ₂进行单独测量，只要知道θ₀即可。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量液体折射率的实验装置，包括操作台(10)，其特征在于，所述操作台(10)的顶部固定连接有分光板(5)和补偿板(6)，所述分光板(5)和补偿板(6)为平行设置，所述操作台(10)的顶部固定连接有第一反光镜(1)和第二反光镜(7)，所述操作台(10)的顶部滑动连接有第一支撑板(13)，所述第一支撑板(13)的顶部固定连接有圆形塑料框(3)，所述圆形塑料框(3)位于第一反光镜(1)和分光板(5)之间，所述第一支撑板(13)的一侧设置有用于移动第一支撑板(13)的横向移动组件，所述第二反光镜(7)位于补偿板(6)的一侧，所述操作台(10)的顶部固定连接有He-Ne激光器(9)，所述He-Ne激光器(9)位于分光板(5)的一侧。

2.根据权利要求1所述的一种测量液体折射率的实验装置，其特征在于，所述圆形塑料框(3)的内部设置有薄玻璃片(2)和双棱镜(4)，所述薄玻璃片(2)位于双棱镜(4)的棱脊处。

3.根据权利要求1所述的一种测量液体折射率的实验装置，其特征在于，所述操作台(10)的顶部固定连接有观察屏(8)，所述观察屏(8)位于分光板(5)的一侧。

4.根据权利要求1所述的一种测量液体折射率的实验装置，其特征在于，所述操作台(10)的顶部固定连接有固定板(15)，所述固定板(15)的一侧固定连接有轴承(14)，所述轴承(14)的一侧转动连接有螺杆(11)，所述螺杆(11)的一端贯穿第一支撑板(13)并与第一支撑板(13)螺纹连接，所述螺杆(11)的一端固定连接有螺旋鼓轮(12)。

5.根据权利要求4所述的一种测量液体折射率的实验装置，其特征在于，所述操作台(10)的顶部固定连接有第二支撑板(18)，所述螺杆(11)贯穿第二支撑板(18)。

6.根据权利要求1所述的一种测量液体折射率的实验装置，其特征在于，所述操作台(10)的顶部固定连接有滑轨(16)，所述第一支撑板(13)的底部固定连接有与滑轨(16)相适配的滑块(17)，所述滑轨(16)与滑块(17)滑动连接。

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