分光計(jì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)研究

唐小村

（淮海工學(xué)院理學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

分光計(jì)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)研究

唐小村

（淮海工學(xué)院理學(xué)院，江蘇 連云港 222005）

基于分光計(jì)的實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理光學(xué)中比較重要的實(shí)驗(yàn)，依據(jù)光的折射原理，對(duì)分光計(jì)測(cè)量液體折射率的實(shí)驗(yàn)原理和方法進(jìn)行研究，提出了新的實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)際應(yīng)用中具有參考價(jià)值.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和測(cè)量結(jié)果符合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要求，有助于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí).

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；分光計(jì)；液體折射率

分光計(jì)作為光學(xué)中基本的實(shí)驗(yàn)儀器，能夠精確地測(cè)定光線偏轉(zhuǎn)角，常用于大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中間接測(cè)量介質(zhì)的折射率、光波波長(zhǎng)、色散率等，在我國(guó)高等院校的光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮了重要的作用.基于分光計(jì)開(kāi)設(shè)的物理實(shí)驗(yàn)，不僅具有很強(qiáng)的操作性，有利于全面培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，而且實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、形式多樣，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，較為常見(jiàn)的有：光柵衍射實(shí)驗(yàn)，測(cè)量光柵常數(shù)和光的波長(zhǎng)；三棱鏡實(shí)驗(yàn)，測(cè)量頂角和折射率等.

分光計(jì)實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)物理光學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，一般教材和文獻(xiàn)［1，2］給出了比較成熟的儀器調(diào)節(jié)方法和較為經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，本文在此基礎(chǔ)上將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容加以拓展，其實(shí)驗(yàn)方案和思路［2～7］可以作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的不足.

1 實(shí)驗(yàn)選題分析

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是一種較高層次的實(shí)驗(yàn)類型，它介于基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際科學(xué)實(shí)驗(yàn)之間并且具有科研性質(zhì).相比于基本的測(cè)量性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而言，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)更有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，同時(shí)也對(duì)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)驗(yàn)技能提出了更高的要求.

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)方案的擬定，需要符合實(shí)驗(yàn)原理的可行性和實(shí)驗(yàn)方案的可操作性原則，能夠讓學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)，合理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.根據(jù)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備，自選和組裝實(shí)驗(yàn)儀器，擬定具體的實(shí)驗(yàn)步驟，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和測(cè)量.在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，許多光學(xué)基本量如波長(zhǎng)、折射率的測(cè)量等，都可以直接或間接地轉(zhuǎn)換為光線偏轉(zhuǎn)角的測(cè)量，因此，可以充分利用分光計(jì)優(yōu)良的光線角度測(cè)量性能，設(shè)計(jì)基于分光計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案.

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 三棱鏡測(cè)量液體折射率

將待測(cè)液體置于兩個(gè)相同的等邊三棱鏡之間形成均勻的薄膜，設(shè)三棱鏡折射率為n0，待測(cè)液體折射率為n.以單色平行光入射到三棱鏡表面上，如圖1所示，光線1入射角為θ1，經(jīng)過(guò)三棱鏡和液體介質(zhì)多次折射.由折射定律可以證明光線3平行于光線2，光線4平行于光線1，如果在AB界面處未發(fā)生全反射，則能在入射光方向觀察到出射光線4.

圖 1

由圖1和折射定律可知

在n＜n0的條件下，逐漸改變?nèi)肷浣铅?，可使得界面AB處剛好發(fā)生全反射，即φ2＝90°，此時(shí)觀察不到光線4.將φ2＝90°代入式（2），由式（1）、（2）、（3）可得

如光線1在法線上方入射，則θ1取負(fù)值.因此，在已知三棱鏡折射率n0，并且液體折射率小于三棱鏡折射率的條件下，可以通過(guò)分光計(jì)測(cè)量入射角θ1，由式（4）計(jì)算出待測(cè)液體折射率n.

2.2 正方體容器測(cè)量液體折射率

將待測(cè)液體置于一個(gè)由平板玻璃制作的正方體的容器中，平板玻璃折射率為n0，待測(cè)液體折射率為n.以單色平行光入射到平板玻璃表面上，如圖2所示，光線1入射角為φ1，經(jīng)平板玻璃和液體介質(zhì)中多次折射，光線3出射角為φ2.

圖 2

由圖2和折射定律可知

由式（5）、（6）、（7）、（8）、（9）可解得

其中，光線1入射角φ1和光線3出射角φ2可由分光計(jì)測(cè)出，由式（10）即可計(jì)算出液體的折射率.

由式（10）可以看出，光線3的出射角φ2只取決于光線1的入射角φ1和液體折射率n，只要平板玻璃兩面是嚴(yán)格平行的，采用不同厚度或折射率的玻璃，不會(huì)影響出射角φ2的值，這與文獻(xiàn)［3］的討論結(jié)果是一致的.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用JJY型分光計(jì)和汞燈546.1nm綠光，對(duì)蒸餾水的折射率分別用以上兩種方法進(jìn)行了多次測(cè)量，測(cè)量平均值見(jiàn)表1和表2.

表1 三棱鏡測(cè)量水的折射率結(jié)果

表2 容器測(cè)量水的折射率結(jié)果

從測(cè)量結(jié)果可以看出，所測(cè)得的水折射率接近公認(rèn)值，準(zhǔn)確度高.三棱鏡測(cè)量方法利用了光線的全反射原理，只能測(cè)量小于三棱鏡折射率的液體，而四方體容器法不受以上限制，可以測(cè)量各種透明液體的折射率.

4 結(jié)語(yǔ)

關(guān)于液體折射率的測(cè)量有很多種方法，但是基于分光計(jì)的測(cè)量方法并不多見(jiàn)，本文提出了利用分光計(jì)測(cè)量液體折射率新的方法，它依據(jù)了光的折射原理，最后歸結(jié)為光線的角度測(cè)量.經(jīng)過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)研究，證明以上實(shí)驗(yàn)方案具有可行性，測(cè)量結(jié)果比較合理，并且實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有很好的可操作性，在實(shí)際應(yīng)用中有一定的參考價(jià)值.文中所涉及的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難易適中，其實(shí)驗(yàn)方法對(duì)學(xué)生具有啟發(fā)性，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行開(kāi)展，以鞏固和深化幾何光學(xué)基本理論，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí).

［1］ 盧佃清，李新華，王勇.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)［M］.南京：南京大學(xué)出版社，2009

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［3］ 陳新，李維暉，張宏.用分光計(jì)測(cè)液體折射率［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2006，（2）：93～95

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［6］ 鐘菊花，顧懿.測(cè)定液體折射率的分光計(jì)方法［J］.物理實(shí)驗(yàn)，1995，15（1）：10～12

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2011－09－13）

唐小村（1976年出生），男，江西宜春人，本科，實(shí)驗(yàn)師，主要從事實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與管理工作.