基于邁克耳孫干涉儀及劈尖測量透明液體折射率

林春丹，楊　冠，焦夢瑤,張萬松

(中國石油大學(xué)(北京) a.理學(xué)院；b.地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102200)

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普通物理試驗(yàn)

基于邁克耳孫干涉儀及劈尖測量透明液體折射率

林春丹a，楊冠b，焦夢瑤b,張萬松a

(中國石油大學(xué)(北京)a.理學(xué)院；b.地球物理與信息工程學(xué)院，北京 102200)

提出了基于邁克耳孫干涉儀及劈尖組合的測量透明液體折射率的方法，對邁克耳孫干涉儀進(jìn)行簡單改裝，將一個(gè)注滿待測透明液體的劈尖和一個(gè)空的玻璃劈尖分別置入2個(gè)光路中.通過調(diào)節(jié)傳動裝置使注入液體劈尖在光路中的厚度發(fā)生緩慢變化，從而記錄生出或消失的干涉條紋個(gè)數(shù)，進(jìn)而測量液體的折射率.

劈尖；邁克耳孫干涉儀；折射率

折射率是物質(zhì)的重要物理性質(zhì)，對于了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)有重要作用. 目前常見的測量透明液體折射率的方法有兩大類，一是幾何光學(xué)法，通過測量光線在通過材料時(shí)的偏折角度，以折射反射定律為理論基礎(chǔ)測量液體折射率，這種方法操作簡單，但實(shí)際測量時(shí)誤差較大且讀數(shù)易出錯(cuò)，角度也不易測量；另一類是波動光學(xué)法[1]，通過觀察記錄材料對透射光相位的影響來測定液體折射率，代表性的有最小偏向角法[2]、布儒斯特角法、干涉法等. 其中常用的干涉法包括牛頓環(huán)法[3]、邁克耳孫干涉儀法[4]、共焦球面F-P干涉儀法[5]等，但是這幾種方法多數(shù)對待測物體形狀要求較高，而且光路較為復(fù)雜且實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性不高，操作復(fù)雜，精度不高且容易出錯(cuò). 本文提出了基于邁克耳孫干涉儀及劈尖組合測量透明液體折射率的方法. 該方法僅需2個(gè)完全相同的玻璃劈尖，其中一個(gè)注滿待測透明液體，另一個(gè)是空的，將它們同時(shí)放置光路中，調(diào)整好光路后就可以進(jìn)行測量，通過分析干涉條紋的移動數(shù)目即可測得透明液體的折射率. 該方法不需要反復(fù)調(diào)整儀器，操作簡單，易實(shí)施，精度較高.

1　測量透明液體折射率的實(shí)驗(yàn)原理

邁克耳孫干涉儀測量透明液體折射率的光路如圖1 所示,在2個(gè)反光鏡前放置劈尖. 在可移動反光鏡前固定未注入液體的劈尖；在可調(diào)反光鏡前將注入待測液體的劈尖固定在傳動裝置上，該劈尖的移動是通過調(diào)節(jié)傳動裝置上的測微螺旋(圖1 中所示螺旋測微器)實(shí)現(xiàn)，劈尖移動量由螺旋測微器讀出. 調(diào)整好光路后，緩慢轉(zhuǎn)動傳動裝置的測微螺旋，使注入待測透明液體的劈尖移動，則該光路中通過劈尖內(nèi)透明液體的厚度發(fā)生變化，導(dǎo)致觀察屏上圓環(huán)縮進(jìn)或涌出,記錄變化的圓環(huán)數(shù)目,藉此可測得透明液體的折射率. 假設(shè)干涉圓環(huán)變化數(shù)目為N1，劈尖厚度改變量為Δd，入射光波長為λ，則液體折射率n為

(1)

圖1　基于邁克耳孫干涉儀和劈尖組合的實(shí)驗(yàn)光路圖

2　實(shí)驗(yàn)裝置

經(jīng)過改裝的邁克耳孫干涉儀實(shí)物裝置如圖2所示，區(qū)域1為拆解后的可調(diào)反光鏡，調(diào)節(jié)鏡片使最亮的點(diǎn)出現(xiàn)在觀察屏正中，便于成像，并保持與區(qū)域3反射光路在觀察屏上重合. 區(qū)域2為傳動裝置，注入透明液體的劈尖置于傳動臺上，由傳動裝置的測微螺旋控制劈尖移動距離，測量精度達(dá)到0.01mm. 區(qū)域3放置與區(qū)域2完全相同的劈尖，消除了劈尖本身對光程的影響，補(bǔ)償2束光的光程差. 區(qū)域3處反光鏡可以調(diào)節(jié)，使該處光線與區(qū)域2反光鏡反射光線在觀察屏上重合.

由于劈尖夾角很小，在轉(zhuǎn)動測微螺旋移動注滿待測液體劈尖的過程中，光通過劈尖內(nèi)液體厚度的變化非常緩慢，即光程差的變化量很小，因此在屏上可以清楚地觀察到干涉圓環(huán)生出或消失的變化過程. 圖3為光屏上觀察到的清晰條紋. 已知劈尖長度為a，寬度為b，則劈尖角度tanθ=b/a. 若傳動裝置移動距離為d，則通過劈尖內(nèi)待測液體厚度改變量Δd=dtanθ.

圖3　光屏上的邁克耳孫干涉條紋

3　實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)用激光器波長為632.8nm，劈尖夾角tanθ≈0.123 7. 在2條光路中放入劈尖，調(diào)節(jié)光路，觀察屏上圓環(huán)，使圓環(huán)盡量在視野中央且圓滿，轉(zhuǎn)動傳動裝置，使注水劈尖移動一定距離d，記錄生出或消失圓環(huán)個(gè)數(shù)N1.

1)蒸餾水水溫為20 ℃時(shí)，測量的結(jié)果如表1所示.

表1　20 ℃時(shí)蒸餾水的折射率測量數(shù)據(jù)

利用平均值法，求得n=1.329 956，公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)值n=1.333 333，相對誤差Er=0.25%，可見實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較理想.

2)為了研究溫度對水折射率的影響，測量了不同水溫下蒸餾水的折射率，測量結(jié)果見表2.

利用最小二乘法擬合數(shù)據(jù)可得圖4曲線，擬合度為0.994 1，可見線性擬合程度很好. 由以上數(shù)據(jù)以及圖4可知：水的折射率隨溫度的升高而降低，且呈線性變化.

表2　不同溫度下蒸餾水的折射率測量數(shù)據(jù)

圖4　蒸餾水折射率隨溫度變化曲線

3)溫度為20 ℃時(shí)無水乙醇(99.7 %)測量結(jié)果見表3.

表3　溫度為20 ℃時(shí)無水乙醇折射率測量數(shù)據(jù)

利用平均值法，求得n=1.361 97，公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)值n=1.361 41，相對誤差Er=0.04%，可見本方法準(zhǔn)確度較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果理想.

4)為了探究溫度的變化是否也會影響無水乙醇的折射率，測量了不同溫度下無水乙醇的折射率，測量結(jié)果見表4.

利用最小二乘法對表4中數(shù)據(jù)擬合可得圖5曲線，擬合度為0.997，可見線性擬合程度較好. 由以上數(shù)據(jù)以及圖5可知：無水乙醇的折射率隨溫度的升高而降低，且呈線性變化.

表4　不同溫度下無水乙醇的折射率的測量數(shù)據(jù)

圖5　無水乙醇折射率隨溫度變化曲線

由上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以斷定，此測量透明液體折射率的方法可行有效. 該方法測量誤差小、精度高， 因此可以用于測量不同溫度下的液體折射率，以研究折射率與溫度的變化關(guān)系.該方法的誤差主要來源于對條紋的肉眼計(jì)數(shù)和螺旋測微器讀數(shù)的影響，應(yīng)注意防止引入回程誤差，且適當(dāng)增加干涉圓環(huán)數(shù)量. 若實(shí)驗(yàn)中使用CCD圖像采集系統(tǒng)來觀察記錄條紋移動進(jìn)行計(jì)數(shù)，或采用更高精度的儀器測量距離，該方法的精度會更高[1].

4　結(jié)束語

本文介紹了基于邁克耳孫干涉儀和劈尖的組合測量透明液體折射率的方法. 利用2個(gè)相同的玻璃劈尖，巧妙地消除了劈尖本身對光程的影響. 雖然液體折射率較大，但由于劈尖夾角很小，光通過劈尖內(nèi)液體厚度的變化非常緩慢，即光程差的變化量很小，因此仍可以記錄生出或消失的圓環(huán)個(gè)數(shù)，從而測得透明液體折射率. 測量結(jié)果表明：作為對邁克耳孫干涉儀和劈尖實(shí)際應(yīng)用的拓展，該方法實(shí)用性強(qiáng)，設(shè)備簡單易操作，可重復(fù)性強(qiáng)，測量精度較高，在實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中可以作為基于邁克耳遜干涉儀測量透明液體折射率的補(bǔ)充實(shí)驗(yàn).

[1]鮑琳，胡小飛，張世功. 幾何光學(xué)法和波動光學(xué)法測量液體折射率的比較[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2012，25(4):52-54.

[2]溫建平，唐運(yùn)愛，鐘遠(yuǎn)軍,等. 最小偏向角法測液體折射率實(shí)驗(yàn)的研究[J]. 實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2014，17(2):21-23.

[3]張瑛，盧杰，楊楓. 用等厚干涉測液體的折射率[J]. 大學(xué)物理,2005,24(2):44-45.

[4]柯金瑞. 利用邁克爾孫干涉儀測定液體折射率[J].物理實(shí)驗(yàn),2000,20(2):10-11.

[5]向望華，張兵，梁杰,等. 共焦球面F-P干涉儀測量液體折射率和濃度的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào),2007,40(1):83-87.

[6]周秀娟. 利用線陣CCD測定液體折射率[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2006,26(8):13-15.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

MeasurementoftransparentliquidrefractiveindexbasedonMichelsoninterferometerandglasswedge

LINChun-dana,YANGGuanb,JIAOMeng-yaob,ZHANGWan-songa

(a.CollegeofScience;b.CollegeofGeophysicsandInformationEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102200,China)

BasedonMichelsoninterferometerandglasswedge,amethodofmeasuringtherefractiveindexoftransparentliquidwasproposed.Michelsoninterferometerwassimplymodified,andtwoglasswedgeswereinsertedintothetwoopticalpaths,respectively,onewasfilledwiththetransparentliquidtobemeasured,theotherwasempty.Thethicknessoftheglasswedgefilledwithliquidwaschangedslowlybyadjustingthetransmissiondevice,thusthenumberofinterferencefringesemergedordisappearedcouldberecordedandthentheliquidrefractiveindexcouldbemeasured.

glasswedge;Michelsoninterferometer;refractiveindex

2016-01-17

中國石油大學(xué)(北京)校級重點(diǎn)教改項(xiàng)目(No.00001191);中國石油大學(xué)(北京)校級培育教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(No.00001115)

林春丹(1968-)，女，吉林延吉人，中國石油大學(xué)(北京)理學(xué)院副教授，博士，研究方向?yàn)樾盘柼幚?

張萬松(1964-)，男，黑龍江佳木斯人，中國石油大學(xué)(北京)理學(xué)院教授，博士，研究方向?yàn)槟蹜B(tài)物理.

O436.1

A

1005-4642(2016)08-0013-03