用多种方法测玻璃的折射率盛Word下载.docx

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2.提出5种测量玻璃折射率的设计方案，每种测量方案包括测量原理、光路安排、实验仪器选择、实验参数估算、实验步骤、注意事项、参考资料等

3.根据实验室现有的条件和实验情况，选择三种可行的测量设计方案进行试验，在试验过程中对该方案逐步修改完善

4.实验中为达到要求的测量精度，须选择和估算实验参数，并进行重复测量，设计表格记录实验数据

5.实验操作步骤完成后，检查实验结果，至少对其中一种方案进行数据处理和误差分析，完成最终的实验报告和误差分析，完成最终的实验报告

三、实验方案：

1插针法

【实验题目】用插针法测定玻璃砖折射率

【实验目的】

测定玻璃砖的折射率。

【实验器材】

①平木板、②白纸、③玻璃砖、④大头针4枚、⑤图钉4个、⑥量角器（或三角板或直尺）、⑦铅笔

【实验原理】

用插针法确定逃跑，找出跟入射线相应的折射线；

用量角器测出入射角i和折射角r；

根据折射定律计算出玻璃的折射率。

实验参数估算：

1.3～1.9。

【实验步骤】

（1）如图所示，在用4个图钉钉好的白纸上画一条直线，aa′作为界面。

（2）过aa′上的一点O画出界面的法线NN′。

（3）过O点画一条射线AO作入射光线。

（4）在射线AO上插上两枚大头针P1、P2。

（5）把长方形玻璃砖放在白纸上，使它的一条长边跟aa′bb′两条线准确地落在玻璃砖的两个平行的折射画里，这样，由作图画出的入射光线AO、出射光线BP与aa′、bb′的交点O、O′才能与光线的实际入射点相符，否则将使画出的玻璃中折射光线的光路与实际偏离，因此作图时要用细铅笔。

（6）在观察的这一侧即光线的出射面bb′一侧插两枚大头针P3、P4，使P3挡住P1、P2的像，P4挡住P1、P2、P3的像，记下P3、P4的位置。

（7）移去玻璃砖连接P3、P4并延长交bb′于O′，连接OO′即为折射光线，入射角α=∠AON，折射角β=∠O′ON′。

（8）改变入射角α，重复实验步骤，列表记录相关测量数据，计算每次折射率n求出平均值。

【注意事项】

1.玻璃砖要选用宽度较大的，宜在5厘米以上，若宽度过小，则测量折射角度值的相对误差增大；

用手拿玻璃砖时，只能接触玻璃毛面或棱，严禁用玻璃砖当尺子画界面；

2.入射角i应在15°

~75°

范围内取值，若入射角α过大。

则由大头针P1、P2射入玻璃中的光线量减少，即反射光增强，折射光减弱，且色散较严重，由玻璃砖对面看大头针的虚像将暗淡，模糊并且变粗，不利于瞄准插大头针P3、P4。

3.若入射角α过小，折射角将更小，测量误差更大，因此画入射光线AO时要使入射角α适中。

4.上面所说大头针挡住大头针的像是指“沉浸”在玻璃砖里的那一截，不是看超过玻璃砖上方的大头针针头部分，即顺P3、P4的方向看眼前的直线P3、P4和玻璃砖后的直线P1、P2的虚像是否成一直线，若看不出歪斜或侧移光路即可确定。

5.大头针P2、P3的位置应靠近玻璃砖，而P1和P2、P3和P4应尽可能远些，针要垂直纸面，这样可以使确定的光路准确，减小入射角和折射角的测量误差。

【实验数据】

【数据处理】

此实验是通过测量入射角和折射角，然后查数学用表，找出入射角和折射角的正弦值，再代入中求玻璃的折射率。

如图，测得α=45°

β=27°

则n=1.53

2.若入射角α过小，折射角将更小，测量误差更大，因此画入射光线AO时要使入射角α适中。

【误差分析】

1.用量角器测得有误差；

2.人眼读数存在误差；

3.数据处理带来误差；

4.实验仪器存在一定的系统误差。

除运用此方法之外，还有以下处理数据的方法：

处理方式

（1）：

在找到人射光线和折射光线以后，以入射点0为圆心，以任意长为半径画圆，分别与AO交于C点，与00’（或00’的延长线）交于D点，过C、D两点分别向NNl作垂线，交NN’于C’、D’，用直尺量出CC’和DD’的长。

如图3-81所示。

由于，而CO=DO所以折射率

重复以上实验，求得各次折射率计算值，然后求其平均值即为玻璃砖折射率的测量值。

处理方式

（2）：

根据折射定律可得

因此有

在多次改变入射角、测量相对应的入射角和折射角正弦值基础上，以sina值为横坐标、以sinβ值为纵坐标，建立直角坐标系。

如图3-82所示。

描数据点，过数据点连线得一条过原点的直线。

求解图线斜率，设斜率为k，则。

故玻璃砖折射率

（二）画图法

【实验题目】用画图法测玻璃砖的折射率

【实验目的】

测定玻璃砖的折射率

①玻璃砖、②三角板、③圆规、④铅笔、⑤白纸

同插针法

1．在白纸上画直线作入射界面，如图1所示，过上的一点作界面的法线，并画有向线段作入射线，则为入射角；

2．将玻璃砖放在纸上，使其一边与界面重合，再在玻璃砖另一侧放一三角板，使三角板的一个角紧靠玻璃砖的另一界面，透过三角板的边观察入射线，并调整三角板位置使边与线看起来成一条直线，如图1所示，用铅笔尖记下角的顶点位置，移走玻璃砖作有向线段，即为在玻璃砖中的折射线，折射角，如图2所示：

3．以O为圆心，单位长为半径，用圆规作单位圆交的延长线于，用三角板过作的垂线交于，如图3所示，则长度就是玻璃的折射率的数值。

【实验数据】

如图，可量的OD=1.527

1.人眼读数存在误差；

2.数据处理带来误差；

3.实验仪器存在一定的系统误差。

（三）布儒斯特角法

【实验题目】用布儒斯特角测玻璃砖的折射率

1.了解偏振光的产生和检验方法；

2.了解布儒斯特定律，并根据其测定玻璃砖的布儒斯特角；

3.应用玻璃砖的布儒斯特角计算其折射率。

①偏振片（2个）、②布儒斯特角装置、③光屏（带小孔）、④白屏、⑤钠光灯、⑥玻璃砖、⑦光具座

1．获得偏振光的常用方法

（1）偏振片

偏振片是利用某些有机化合物晶体的二向色性。

将其渗入透明塑料薄膜中，经定向拉制而成。

它能吸收某一方向振动的光，而透过与此垂直方向振动的光，由于在应用时起的作用不同，用来产生偏振光的偏振片叫做起偏器；

用来检验偏振光的偏振片，叫做检偏器。

（2）非金属镜面的反射

当自然光从空气照射在折射率为n的非金属镜面（如玻璃、水等），反射光和折射光都将成为部分偏振光。

并且当入射角增大到某一特定值时，镜面反射光成为完全偏振光，其振动面垂直于入射面，这时入射角称为布儒斯特角，也称为起偏角。

由布儒斯特定律得：

tanφ0=n其中n为折射率。

对于各种不同材料的玻璃，已知其相对折射率n的变化范围在1.50到1.77之间，则可得布儒斯特角约在56°

—60°

之间。

此方法可用来测定物质的折射率。

1.在光源至光屏的光路上插入起偏器P1，旋转P1，观察光屏上光斑强度的变化情况；

2.固定P1的方位，旋转P2，旋转360°

，观察光屏上光斑强度的变化情况。

3.在起偏器P1后，插入测布儒斯特角的装置，再在P1和装置之间插入一个带小孔的光屏。

调节玻璃砖，使反射的光束与入射光束重合，记下初始角φ1。

4.调节玻璃砖，使反射光束与入射光束重合，记下初始角φ1；

5.一面转动玻璃平板，一面同时转动起偏器P1，使其透过方向在入射面内。

反复调节直到反射光消失为止，此时记下玻璃砖的角度，重复测量三次，求平均值。

算出布儒斯特角。

φ1

50°

51°

φ2

106.8°

107.8°

106.9°

φ1=（50°

+51°

+50°

）/3=50.3°

φ2=（106.8°

+107.8°

+106.9°

）/3=107.2°

∵φ0=φ2-φ1

∴φ0=107.2°

-50.3°

=56.9°

又∵n=tanφ0

∴n=tan56.9°

=1.53

φ1、φ2的A类不确定度为：

UA=UAφ1=UAφ2=△/√3=1°

/√3=0.058°

φ1的B类不确定度为：

UBφ1=0.333°

φ2的B类不确定度为：

UBφ2=0.318°

又∵U=√（UA2+UB2）

∴Uφ1=0.335°

Uφ2=0.323°

∴Uφ0=√（Uφ12+Uφ22）=0.465°

∴n的不确定度为：

Un=0.024

∴玻璃砖的折射率为：

n=1.53±

0.02

1.实验中各元件不能用手摸，实验完毕后按规定位置放置好。

2.实验完毕要整理仪器，打扫卫生，保持实验室整洁。

（四）掠入射法

【实验题目】用掠入法测三棱镜的折射率

1.了解掠入法原理；

2.用掠入法测定三棱镜的折射率。

【实验仪器】

①分光计、②玻璃三棱镜、③钠光灯、④毛玻璃、⑤平面反射镜、⑥放大镜

在分光计上用掠入法测定三棱镜的折射率,要求单色扩展光源,以提供各方向的入射光,形成清晰的明暗分界线。

如图,用单色扩展光源照射到顶角为A的玻璃三棱镜的AB面上,以AC面以角Φ射出,根据折射定律n0sini=nsinr,nsinr′=n0sinΦ,式中n0和n分别是空气和玻璃的折射率,考虑到r+r′=A和n0=1可得n=1/sinA√sin2isin2A+（sinicosA+sinΦ）2,由图可得,对于入射角i＜90°

的光线（如1,2,3等）均可进入三棱镜,在AC面出射光线1′2′3′形成亮场,而入射角i＞90°

的光线无法进入三棱镜（BC面为非光学面）,形成暗场,明暗分界线对应的事以i=90°

入射（称为掠入射）的光线,此时的出射角最小,称为极限角Φ,式子在掠入射条件下可简化为n=√{1+[（cosA+sinΦ）/sinA]2}.只要测出顶角A和极限角Φ,由上式可求出棱镜的折射率。

1.调节光栅：

用钠光灯照明调好的平行光管，使在对侧望远镜中可见光狭缝的像在正中央。

放入光栅，用非单色光源照明平行光管或光栅，调节光栅，使望远镜中衍射条纹严格竖直，各级条纹同高度，从而使光栅竖直。

移去钠光灯，利用望远镜的自准法调节光栅垂直于望远镜筒，但只能转动和调节载物台，望远镜不动。

2.测量钠黄光的各级衍射角，直到不可见为止。

并观察现象，如是否有双线、其它颜色条纹等等

3.测量半导体激光器各级衍射角：

用激光器入射光栅，测量各级衍射条纹。

为避免激光伤害眼睛，可以衍射光点能从望远镜中出射为标准。

4.依次把各个滤光片粘在平行光管进光口处，白光照明，记录级中央衍射条纹角度，大致记录条纹宽度。

为节约时间，只读一个游标的读数。

1.顶角的测定

次数

v1

v2

v1′

v2′+360°

1

171°

39′

351°

37′

291°

110°

31′

2

32′

3

38′

36