牛頓環(huán)裝置的改進(jìn)并測(cè)量液體折射率及現(xiàn)象討論

李麗榮, 羅 龍, 劉艷麗

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 數(shù)理與生物工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010;2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 分析測(cè)試中心, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

牛頓環(huán)裝置的改進(jìn)并測(cè)量液體折射率及現(xiàn)象討論

李麗榮1, 羅 龍2, 劉艷麗1

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 數(shù)理與生物工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 包頭 014010;2. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 分析測(cè)試中心, 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

根據(jù)牛頓環(huán)干涉法測(cè)量液體折射率時(shí)存在的視場(chǎng)模糊不清的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,改進(jìn)牛頓環(huán)裝置,獲得更加清晰易于觀察的干涉條紋,并確保在同一薄膜厚度下測(cè)量液體折射率,提高測(cè)量折射率的精確度。結(jié)合真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)圖片,對(duì)現(xiàn)象分析討論,進(jìn)一步說(shuō)明牛頓環(huán)裝置改進(jìn)的合理性。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)； 牛頓環(huán)； 液體折射率

在普通物理實(shí)驗(yàn)中,牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單[1-2],難度適中,測(cè)量精確。等厚干涉常用于測(cè)量曲率半徑、微小厚度、角度等[3-5]。本文介紹等厚干涉測(cè)定液體折射率的應(yīng)用,并提出在測(cè)量液體折射率時(shí),牛頓環(huán)裝置的一種改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 實(shí)驗(yàn)原理及現(xiàn)象討論

牛頓環(huán)裝置一般是將一塊曲率半徑很大的平凸透鏡的凸面與平面玻璃板接觸,在凸面與平面之間會(huì)形成一個(gè)透明的介質(zhì)薄膜,當(dāng)以平行的單色光垂直入射時(shí),入射光將分別在薄膜的上、下表面先后反射,由于入射光的振幅分解而產(chǎn)生具有一定光程差的相干光,從而在薄膜的上表面疊加形成干涉條紋。

如果在空氣薄膜中充入透明液體,同樣會(huì)產(chǎn)生干涉條紋,但條紋比較暗且邊界不清晰,測(cè)量時(shí)眼睛非常疲勞。原因是:充入液體后,由于液體和平面玻璃板吸收部分光,使反射光的強(qiáng)度大大減弱,導(dǎo)致讀數(shù)顯微鏡的視場(chǎng)變得很暗,條紋不易觀測(cè)。另外,由于在空氣膜中充入液體時(shí),需要將牛頓環(huán)裝置拆開(kāi),操作相對(duì)不便,不能保證是在同一個(gè)薄膜厚度下測(cè)量折射率,影響折射率測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

針對(duì)上述的測(cè)量液體折射率時(shí)的問(wèn)題,本文對(duì)現(xiàn)有的牛頓環(huán)裝置提出了以下改進(jìn)措施：對(duì)下端蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)，平板玻璃改為半透半反平板玻璃，上端蓋設(shè)計(jì)充液孔。

(1) 整個(gè)下端蓋的設(shè)計(jì)示意圖1。在下端蓋內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)圓形凹槽,用來(lái)放置半透半反平板玻璃[3],且半透半反平板玻璃的厚度略低于凹槽的高度。這樣做的目的是在凹槽內(nèi)可以形成一個(gè)空腔,用來(lái)充放液體,叫作充液空腔,把平板玻璃改為半透半反平板玻璃的目的是提高下表面的光反射強(qiáng)度,以提高條紋的清晰度。

圖1 下端蓋設(shè)計(jì)示意圖

(2) 上端蓋設(shè)計(jì)示意圖見(jiàn)圖2。上端蓋放置平凸透鏡的凹槽直徑要小于下端蓋的凹槽直徑,在上端蓋的固定螺孔旁邊打3個(gè)小孔,要求小孔的位置正好對(duì)齊下端蓋上的充液空腔,方便填充液體,3小孔叫作充液孔,目的是在測(cè)量時(shí),直接從小孔中填充液體，不需要拆卸牛頓環(huán)裝置,保證實(shí)驗(yàn)一次性測(cè)量,減少中間因拆卸牛頓環(huán)裝置帶來(lái)的誤差,提高測(cè)量折射率的準(zhǔn)確度。

圖2 上端蓋設(shè)計(jì)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)的牛頓環(huán)裝置,讀數(shù)顯微鏡,鈉光燈,滴管,待測(cè)10%的蔗糖溶液。

3.2 儀器調(diào)節(jié)

打開(kāi)光源,調(diào)節(jié)光路,調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡,讓視場(chǎng)出現(xiàn)清晰可見(jiàn)的牛頓環(huán),如圖3和圖4所示,儀器調(diào)節(jié)過(guò)程詳見(jiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材[6]。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，改進(jìn)后的牛頓環(huán)干涉條紋清晰可見(jiàn)，說(shuō)明改進(jìn)后裝置切實(shí)可行。改進(jìn)的牛頓環(huán)裝置充入液體后條紋相對(duì)比較清晰,條紋質(zhì)量得到明顯改觀,主要是因?yàn)榘胪赴敕雌桨宀Ａг龃罅朔纸缑娴墓獾姆瓷渎蔥4,7],提高了光的反射強(qiáng)度,使視場(chǎng)亮度提高,而明暗條紋對(duì)比度有所下降,但是不影響其測(cè)量結(jié)果,視場(chǎng)總體清晰可見(jiàn)?？傊?改進(jìn)的牛頓環(huán)裝置便于液體折射率的測(cè)量,保證了測(cè)量是在同一薄膜厚度的情況下,實(shí)驗(yàn)一次完成,避免了因拆卸牛頓環(huán)裝置帶來(lái)的測(cè)量誤差,測(cè)量相對(duì)精確。比較圖3與圖4可知,充入液體后牛頓環(huán)條紋排列越密,主要是蔗糖的折射率大于空氣膜的折射率,折射率越大,條紋排列越密。

圖3 改進(jìn)裝置的空氣薄膜牛頓環(huán)

圖4 10%蔗糖溶液的牛頓環(huán)

3.3 測(cè)量空氣膜的干涉環(huán)直徑

旋轉(zhuǎn)讀數(shù)顯微鏡的測(cè)微手輪,移動(dòng)測(cè)微目鏡,測(cè)量第32—第10環(huán)暗條紋的直徑(對(duì)應(yīng)m=32,30,28,26,24,22；n=20,18,16,14,12,m-n=12),具體過(guò)程詳細(xì)見(jiàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教材,測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量空氣薄膜的牛頓環(huán)干涉環(huán)直徑

3.4 測(cè)量蔗糖溶液的干涉環(huán)直徑

用滴管通過(guò)充液孔在空氣薄膜中充入液體(蔗糖溶液),測(cè)量步驟同上,數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 測(cè)量10%蔗糖溶液的牛頓環(huán)干涉環(huán)直徑

3.5 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

蔗糖溶液折射率n=38.16/28.37=1.345。該值與文獻(xiàn)介紹的用阿貝折射計(jì)測(cè)量結(jié)果1.3478非常接近[11-12]。說(shuō)明牛頓環(huán)改進(jìn)切實(shí)可行,且測(cè)量結(jié)果相對(duì)比較準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)牛頓環(huán)裝置的改進(jìn),使得測(cè)量液體折射率時(shí)干涉圖像更加清楚,方便測(cè)量,且配合充液空,使得操作更加方便簡(jiǎn)潔,減少了測(cè)量誤差。同時(shí),讓學(xué)生在教學(xué)實(shí)踐中深刻理解了光干涉的應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析比較,培養(yǎng)了學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力,拓展了學(xué)生的創(chuàng)新思維,豐富了課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[13]。

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Using improved Newton ring device to measure liquid refractive index and discussing its phenomena

Li Lirong1, Luo Long2, Liu Yanli1

(1. School of Mathematical Physics and Biological Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010, China; 2. Analytical and Testing Center,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China)

According to the experimental phenomena of field viewing unclear when measuring refractive index of liquid by Newton ring interferometer, an improved Newton ring device is provided. It is easy to get a more clear interference fringes observed. And the measurement accuracy of the refractive index is improved at the same condition of film thickness. Phenomena discussed with the real reliable experimental photos,further illustrate the rationality of Newton ring device improvements.

college physics experiment; Newton ring; liquid refractive index

2015- 03- 11 修改日期：2015- 05- 15

內(nèi)蒙古科技大學(xué)教改項(xiàng)目(JY2013111)；(JY2014085)

李麗榮(1983—)，女，內(nèi)蒙古包頭，碩士，講師，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)及金屬材料科學(xué)研究.

E-mail：nmg0809@163.com

O4-33

B

1002-4956(2015)10- 0097- 03