大學(xué)物理實驗設(shè)計性實驗液體折射率測定

1、 評分：大學(xué)物理實驗設(shè)計性實驗實驗報告實驗題目液體折射率測定班級：姓名：學(xué)號：_指導(dǎo)教師：液體的折射率測定實驗提要實驗課題及任務(wù)液體的折射率測定實驗課題任務(wù)方案一：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時會發(fā)生折射現(xiàn)象，當(dāng)入射擊角為某一極值（掠射）時，會產(chǎn)生一特殊的光學(xué)現(xiàn)象，能同時看到有折射光和無折射光的現(xiàn)象，就可以實現(xiàn)液體折射率的測量。學(xué)生根據(jù)自己所學(xué)的知識，并在圖書館或互聯(lián)網(wǎng)上查找資料，設(shè)計出液體的折射率測定的整體方案，內(nèi)容包括：（寫出實驗原理和理論計算公式，研究測量方法，寫出實驗內(nèi)容和步驟），然后根據(jù)自己設(shè)計的方案，進(jìn)行實驗操作，記錄數(shù)據(jù)，做好數(shù)據(jù)處理，得出實驗結(jié)果，按書寫科學(xué)論文的要求寫出完整的實

2、驗報告。設(shè)計要求通過查找資料，并到實驗室了解所用儀器的實物以及閱讀儀器使用說明書，了解儀器的使用方法，找出所要測量的物理量，并推導(dǎo)出計算公式，在此基礎(chǔ)上寫出該實驗的實驗原理。選擇實驗的測量儀器，設(shè)計出實驗方法和實驗步驟，要具有可操作性。測量5組數(shù)據(jù)，。應(yīng)該用什么方法處理數(shù)據(jù)，說明原因。實驗結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)形式表達(dá)，即用不確定度來表征測量結(jié)果的可信賴程度。實驗儀器分光儀、鈉光燈、毛玻璃與待測液體實驗提示掠入射法測介質(zhì)折射率的原理如圖示3-1所示。將待測介質(zhì)加工成三棱鏡，用擴(kuò)展光源（用鈉光燈照光的大毛玻璃）照明該棱鏡的折射面AB,用望遠(yuǎn)鏡對棱鏡的另一個折射面AC進(jìn)行觀測。在AB界面上圖中光線a、b、c的

3、入射角依次增大，而c光線為掠入線（入射角為90），對應(yīng)的折射角為臨界角i。在棱鏡中再也不可能有折射角c大于i的光線。在AC界面上，出射光a、b、c的出射角依次減小，以c光線的出射角ci為最小。因此，用望遠(yuǎn)鏡看到的視場是半明半暗的，中間有明顯的明暗分界線。證明：棱鏡的折射率n與棱鏡頂角A、最小出射角i有如下關(guān)系:sini+cosA)21.sinA丿若在AB面加折射率為n的待測液體，上述關(guān)系又如何。評分參考（10分）正確寫出實驗原理和計算公式，2分。正確的寫出測量方法，1分。寫出實驗內(nèi)容及步驟，1分。正確的聯(lián)接儀器、正確操作儀器，2分。正確的測量數(shù)據(jù)，1.5分。寫出完整的實驗報告，2.5分。（其中

4、實驗數(shù)據(jù)處理，1分；實驗結(jié)果，0.5分;整體結(jié)構(gòu)，1分）學(xué)時分配實驗驗收，4學(xué)時，在實驗室內(nèi)完成；教師指導(dǎo)（開放實驗室）和開題報告1學(xué)時。提交整體設(shè)計方案時間學(xué)生自選題后23周內(nèi)完成實驗整體設(shè)計方案并提交。提交整體設(shè)計方案，要求電子版。用電子郵件發(fā)送到指導(dǎo)教師的電子郵箱里。實驗題目：液體折射率測定實驗?zāi)康模哼M(jìn)一步加深對分光計的認(rèn)識，掌握調(diào)整和使用分光計的方法掌握用掠入射法測量棱鏡折射率。3掌握用掠入射法測液體折射率。實驗儀器：分光儀、鈉光燈、毛玻璃與待測液體，實驗原理：液體折射率的測定掠入射法光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時會發(fā)生折射現(xiàn)象，當(dāng)入射角為某一極值（掠射）時，會產(chǎn)生一特殊的光學(xué)現(xiàn)象，能同

5、時看到有折射光和無折射光的現(xiàn)象，用望遠(yuǎn)鏡看到的視場是半明半暗，中間有明顯的明暗分界線。利用這現(xiàn)象就可以實現(xiàn)固體和液體折射率的測量。入射光圖53-1棱鏡折射率的測定用擴(kuò)展光源（用鈉光燈照光的大毛玻璃）照明該棱鏡的折射面AB，用望遠(yuǎn)鏡對棱鏡的另一個折射面AC進(jìn)行觀測。在AB界面上圖中光線a、b、c的入射角依次增大，而c光線為掠入線（入射角為90）的折射角為臨界角i。在棱鏡中再也不可能c有折射角大于i的光線。在AC界面上，出射光a、b、c的出射角依次減小，以c光c線的出射角i為最小。因此，用望遠(yuǎn)鏡看到的視場是半明半暗的，中間有明顯的明暗分界線。棱鏡的折射率n與棱鏡頂角A、最小出射角i即極限角，有如下

6、關(guān)系k_(sini+cosA2n=i1+(sinA丿由于A=60，由公式可知：只要測出極限角i，就可以計算棱鏡的折射率。測出明暗分界線方向以及AC面的法線方向，這兩個方向間的夾角就是i，。折射光線C方向及AC面的法線方向測量方法將棱鏡置于載物平臺上。先用眼睛直接觀察平行光經(jīng)棱鏡折射后的出射方向，再將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至該出射方向，使在望遠(yuǎn)鏡中清楚地看見由鈉燈發(fā)出的光經(jīng)棱鏡后的光線。然后緩慢地轉(zhuǎn)動載物平臺，讓入射光線與AB面調(diào)至確定折射光線移動方的轉(zhuǎn)折位置，然后固定平臺。轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，使雙十字叉絲的豎直線對準(zhǔn)折射光線，記錄與望遠(yuǎn)鏡在該明暗光線分界位置(即C光線)相應(yīng)的兩個游標(biāo)讀數(shù)r和r再轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，22使雙

7、十字叉絲豎直線對準(zhǔn)平行光的狹縫像，記錄與AC面垂直的光線角度相應(yīng)的兩游標(biāo)讀數(shù)r和r11(rr)+(rr)i二21212在測量望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的角度時，要注意游標(biāo)是否經(jīng)過了刻度盤的零點。如果過了，則必須在相應(yīng)的讀數(shù)上加上360后再計算液體折射率的測定將折射率為n的待測液體，放在已知折射率為n(nVn)的直角棱鏡的折射面11AB上，若以單色的擴(kuò)展光源照射分界面AB，則入射角為n/2的光線I將掠射到AB界面而折射進(jìn)入三棱鏡內(nèi)，其折射角i應(yīng)為臨界角。從圖5-5-1可以看出應(yīng)滿足關(guān)c系IIsmi二一cn1當(dāng)光線I射到AC面，再經(jīng)折射而進(jìn)入空氣時，設(shè)在AC面上的入射角為0，折射角為申，則有sin9=nsin01

8、除入射光線I外，其他光線如光線II在AB面上的入射角均小于n/2，因此，經(jīng)三棱鏡折射最后進(jìn)入空氣時，都在光線I，的左側(cè)。當(dāng)用望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)出射光方向觀察時，在視場中將看到以光線I為分界線的明暗半視場，如圖所示。當(dāng)三棱鏡的棱鏡角A大于角i時，由圖552可以看出，A、i和角有如下cc關(guān)系圖552一cosA-sin9可得n二sinA.n2一sin29實驗步驟按照分光計的調(diào)節(jié)要求和方法，調(diào)節(jié)分光計粗調(diào)(目測)分別調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和平行光管傾斜螺絲，使望遠(yuǎn)鏡和平行光管基本水平調(diào)節(jié)平臺下面的三顆螺絲，使臺面基本水平+字滾金調(diào)整用十宇剔度線細(xì)調(diào)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)a.點亮小燈，調(diào)節(jié)目鏡，看清雙叉絲。b把棱鏡光學(xué)面靠

9、近物鏡，調(diào)節(jié)調(diào)焦螺母，看清“+”字像調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸、平臺臺面分別與儀器轉(zhuǎn)軸垂直Z2圖一圖OZ1Z3圖三圖一：Z、望遠(yuǎn)鏡傾斜螺絲各調(diào)一半，使“+”字像與上叉絲重合。3圖二：Z、望遠(yuǎn)鏡傾斜螺絲各調(diào)一半，使“+”字像與上叉絲重合。1C.圖三：只調(diào)Z，使“+”字像與上叉絲重合。2調(diào)節(jié)平行光管發(fā)出平行光，其光軸與儀器轉(zhuǎn)軸垂直a.點亮鈉燈對準(zhǔn)狹縫裝置，前后移動狹縫裝置，看清狹縫像b調(diào)節(jié)縫寬調(diào)節(jié)螺絲，使狹縫像細(xì)銳c狹縫轉(zhuǎn)90，調(diào)節(jié)平行光管傾斜螺絲，使狹縫像與下叉絲重合d.狹縫又轉(zhuǎn)90（豎直方向）2如原理1中，將望遠(yuǎn)鏡移至與AC面垂直，然后調(diào)整分光儀，使反射光的十字叉絲與望遠(yuǎn)鏡的十字叉絲重合，即找到AC面的法

10、線，此時讀數(shù)為r和r；113順時針轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，在AC面找到掠射線的出射線，看到的視場為左亮右暗，確定無誤后，此時讀數(shù)為r和r；224重復(fù)步驟1、2，共測量五組數(shù)據(jù)；5往AB面上滴上測量液體后，如同步驟1、2,望遠(yuǎn)鏡與AC面垂直時的讀數(shù)為r和3r；在AC面找到掠射線的出射線時的讀數(shù)為r和r，共測量五組數(shù)據(jù)。344注意事項1.自查數(shù)據(jù)。第一：檢查每次測量的數(shù)據(jù)左右游標(biāo)是否對差是否在允許范圍內(nèi)。第二：檢查重復(fù)測量時數(shù)據(jù)的重復(fù)性。實驗時，要注意保護(hù)儀器，手不能觸摸棱鏡光學(xué)面。測量液體折射率時，液體不能滴太多，以免弄濕儀器。實驗完畢要擦試干凈。實驗完畢要整理儀器，打掃衛(wèi)生，保持實驗室整潔。實驗數(shù)據(jù)表1：

11、棱鏡的折射率r1r1r2r2i=|（r一r）+Vr一r/212121119。26,30,189。26,45,57115”237115”47=34,38,29。26,5,189。25,30,57230”237230”47。36,38”39。26,45,189=2615,57。1,5”237。145”47。35，15”49。26,5,189。26,30,57。130”237115”47。35,00”59。26,30,189。25,45,57。1,5”237。145”47。35,00”表2：液體的折射率r3r3r4r49=|（r一r）+（r-rj/2143431134=20,00,214。20,30

12、”52。00,45”232=15”17。40,45”234。18,45”21419,00”52=00,00,232000”17=418,334=20,00,214。20,00”52230”232=30”17=42,00,434。20,45”214。20,00”52230”232=00”17=4122,534。2120”214。2120”52215”232。30”17。40,52”數(shù)據(jù)處理棱鏡極限角平均值：1(Ji=i+i+i+i+i丿512345=5(47。34,38”+皿6,38”47。3515”+gg+47。35,38”=47。35，21,棱鏡A類不確定度:1*工(i-1)=5*(5-1)

13、1*工(i-i)ii=1=n*(n-1)，1*(473438,-473521,)2+(473638,-473521,)2+(473515,-473521,)+(473500,-473521,)+(473538,-473521,)=20=0.34,因為A=2,inst所以u=A/J3iinst=2，M-3=1.15,不確定度U、=：S2+u2iii(0.34)2+(1.15)2=、O55T=1.2,同理可得出加液體后極限角平均值：二1(申+申+申+申+申)512345=1(17。40,45”+17=41&+17。42,00”+17=4122,+17。40,52,)=17。41，13,液體A類不確

14、定度：1*工(p-p)ii=t=n*(n-1)1*工(申-cp)if=i5*(5-1)：1*(174045,174113)2+(7428”1741,13,)2+(174200,174113,)+(174122,174113)+(174052,1741,13,)i20=0.23,因為A=2,inst所以u=A/J3iinst=2,/3=1.15,總不確定度U=;s2+u2ppp=(0.23)2+(1.15)2=1.2,ZA=60所以棱鏡折射率:n=1+sini+cosAy1YIsinA丿sin47。35,21”+cos60。丫sin60。丿=1.745液體的折射率n=sinAy：n2sin2pc

15、osA-sinp=sin60。J(1.745)2sin217。41，13,-cos60。sin17。41，13,=1.338棱鏡總不確定度:U(n)=；(f)2U2+(普)2U2+(f)2U2+.xx內(nèi)y比z(sini+cosAcosi,(sini,+cosA)sinA丿=0.6383Qi，sinA.sin2i,+2cosAsini,+1二嚴(yán)6383x1803600 x72)2=0-001n二1.745土0.0011液體的總不確定度：Qnsin2i+2cosAcosiQi2,；sin2i+2cosAsini+sin2Asin2申+1=0.5446Qnsin2Asin24=_-cosAcosQ2psimi+2cosAsini+sin2Asin2+1=-0.3441=嚴(yán)5446x18073600 x72)2+(-03441x18073600 x72)2=0.001所以液體的相對不確定度為：U=Ux100%=0001x100%=0.07%rn1.338最終結(jié)果：液體的折射率：n=1.338+0.001U=0.07%p=0.683r實驗心得：通過實驗我們做實驗的自主性增強(qiáng)了，雖然做實驗比較麻煩，但設(shè)計性實驗的設(shè)計中，我們查找了很多資料，通過上網(wǎng)，圖