基于邁克爾遜干涉儀測液體折光度實驗改進方法

翟志濤+曹林+向尚

摘 要 本文提出了一種新的方法和思路去測量液體以及透光固體的折射率的一種方法，應用邁克爾遜干涉儀，以及比色皿等實驗裝置，通過光敏傳感器自動測量邁克爾遜試驗儀上光圈的吞吐數目，其次將得到的數據輸入進Labview虛擬程序框圖中，達到自動化測量液體的折射率的一種新方法。本文從測量的原理和方案操作角度進行了詳細的說明，并且做了相關的實驗操作獲得了大量的有效的數據。本文也對這些相關數據進行了合理的分析，提出了新型測量方案的優勢和缺陷。同時結合實際情況，我們對測量方案的前景提出了一些可行的觀點和猜想。

關鍵詞 折射率；Labview虛擬器；邁克爾遜干涉儀；比色皿；液體；光敏探頭；計數器

中圖分類號 O5 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）08-0024-03

折射率對于大家來說已然不是陌生，但是它的應用范圍之廣大家卻不知道，它既可以通過液態食品的折射率的測量來鑒別食品的組成，也可以通過側利郎某液體的折射率來確定其濃度判斷其純度和品質等等。測量折射率不管在食品行業還是化學以及工業上都有很重要的應用，如果方便快捷的測量物體的折射率也成為了研究的重點和核心。本文提出了一種基于邁克爾遜干涉儀測量液體折射率的一種改進方案，使得其方法更加快捷和靈敏準確，希望能和大家一起探討研究。

1 研究背景及其發展

邁克爾遜干涉儀是利用分振幅產生雙光束進而發生干涉現象可以產生等厚干涉條紋也可以產生等傾干涉條紋，在近代物理和近代計量測試技術中心有著重要的應用。傳統的折射率測量方法有很多，在近代工業和理學中常用的幾種方法有全反射法、劈尖干涉法、阿貝折射儀測量法還有利用最小偏向角測量的方法等等。其中屬于比較實驗的有最小偏角法和全反射法，所以兩者的測量條件是能夠提前知道標準樣品的折射率，還需要折射液來使得標準液和被測物體表面能夠充分的接觸，測量范圍受到了很大的限制，應用范圍也相對來說較窄。最小偏向角法的缺點在于實驗的測量過程十分的繁瑣，實驗步驟復雜，所以應用范圍也不是很大。

本文提出的測量方法的改進不需要標準樣品和折射液，實驗儀器簡單，主要基于邁克爾遜干涉儀，測量方法也十分簡單適用性很強，從光學材料到透光液體和透光氣體，均可實現折射率的自動測量。

2 實驗原理

2.1 基本原理

實驗裝置如圖1所示，在補償鏡和可移動的反光鏡中間加上一個兩面透光的比色皿，再在比色皿的垂直斷面的表面上加一個指針，將比色皿放在一個轉盤上？即可。

實驗中緩緩地轉動轉盤到一定的角度，帶動了比色皿的轉動，所以光線通過比色皿的路程發生了改變。根據邁克爾遜干涉儀的實驗原理，干涉條紋的變化數目正可以表示光程的變化。之后加入待測液體，在相同旋動角度下測量干涉條紋變化數目（待測液體和比色皿對于光程改變都有貢獻）。

根據幾何光學原理可以看出，在轉動相同情況的角度下，光線與比色皿面的夾角始終不變。因此在轉動相同的角度的情況下比色皿壁厚所引起的光程差的變化是一致的（轉動相同角度的情況下路徑是平行的），這和承載的液體沒有任何關系。

2.3 光敏計數器原理

我們知道光敏電阻的阻值是跟隨著光強而變化的，邁克爾遜干涉儀所形成的干涉條紋光強也是強弱相間的，所以講光信號應該呈現的是周期性分布，通過電路的設計捕捉其波峰出現的次數我們就能準確的測量其干涉條紋的變化數目。

3 實驗裝置介紹

3.1 實驗儀器名稱

邁克爾遜干涉儀、比色皿（兩支）、待測液體、刻度指針轉盤、Labview虛擬機（軟件）、光敏探頭、激光傳感器、計數器、鐵架臺。

3.2 實驗儀器搭建

實驗儀器搭建如圖2所示。

3.3 Labview虛擬端口的程序設計

Labview面板板程序框圖設計如圖3所示。

4 實驗步驟介紹

1）打開光敏計數器電源，并用鐵架臺固定光敏計數器探頭。

2）打開邁克爾遜干涉儀實驗裝置的電源，調節光路使其出現明亮的干涉條紋，隨后把指針和比色皿一起放置于補償鏡與可移動反光鏡之間的一個合適的位置。

3）調整激光的光線與比色皿器的壁面垂直，使得指針對準刻度盤的0刻度線，調節邁克爾遜干涉儀使之出現明亮清晰的干涉條紋。

4）調節光敏計數器探頭的位置，使之正對干涉條紋中心，然后取下光屏，旋動微調旋鈕觀察計數器讀數是否發生變化，確認無誤后按下計數器“重置”按鈕，實驗準備完畢。

5）從0開始緩慢轉動指針到θ1，同時觀察光敏計數器上的讀數變化，最后讀取在θ范圍內干涉條紋變化數目D1。

6）在比色皿內加入待量的透光液體，重復實驗步驟3、4、5測量得到的干涉條紋數目記為D2。

7）重復5、6步8次，結果取平均值。

8）測量比色皿內壁厚度L。

9）將所得到的數據輸入Labview程序中，并且記錄運行結果。

10）關閉電源，整理實驗儀器。

5 實驗數據處理分析

5.1 實驗數據整理

為避免轉動角度過小而引起角度測量的誤差過大，亦不可選取過小的測量角度，實驗中經過多角度多次測量發現θ在為5°時的測量結果相對準確。

在θ=5°時，水的折射率測量數據如表1所示：

相關常數：n0？=1.333，L=10mm。

在θ=5°時，無水乙醇的折射率測量數據如表2所示：

相關常數：n0=1.361，L=10mm。

5.2 實驗結果分析

由以上數據可以肯定，基于邁克爾遜干涉儀測量透明液體折射率的方案可行有效。但是在測量無水乙醇時因為濃度的不確定性以及實驗室提供的光敏計數器只能整數計數，所以有了較小的誤差，我們相信如果能使用更高精度的光敏計數器來進行條紋計數，該方法的精度完全能達到10-4左右甚至更高。

5.3 與傳統實驗方法的比較

近代物理學最常用的測量方法是阿貝折射儀法測量，優點是測量精度高，但是阿貝折射儀的結構復雜，實驗儀器昂貴并且阿貝折射儀適用范圍有限。相比較而言我們實驗的方法操作簡單，實驗儀器易搜尋，在精度允許的情況下更加的快捷方便。

6 實驗創新點

1）應用了新型的基于邁克爾遜等傾干涉法的測量原理，使得測量的結果更加可靠可信。

2）測量方法簡單，易于操作且精確度高可以滿足一般測量要求。

3）實驗采用光敏計數器進行干涉條紋數目的測量，減輕了實驗者的視覺疲勞和實驗的強度。大大節省了實驗的時間，使得實驗更加快捷方便。

4）在電腦終端進行Labview虛擬機的編程，自動求得最終的折射率，省去了大量的計算額度和時間。

參考文獻

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