用光速測定儀探究水的折射率

花一帆

【摘 要】本實驗采用一種新型的實驗方法來測量液體的折射率。實驗通過現有的光速測定儀，通過改進儀器的光路，在光路中放上待測液體，使光通過有介質和無介制的光程相位差相同。相位差相同所以它們的光程差相同，并利用公式得出液體的折射率。這樣可以在不接觸液體的情況下測量水的折射率。

【關鍵詞】光速測定儀；折射率；水

1 研究的背景及意義

折射率是光學介質的一個重要的物理參數，反映了物質的光學基本性質。液體的折射率與其濃度存在著一定的關系，如果能建立起兩者之間的經驗公式，則已知其中的任意一個量就可以計算出另一個量，這在生產部門和中學及高校實驗中是很有實用價值的。目前測量透明介質折射率的方法和儀器很多，普遍采用的是分光計法，但分光計的調整過于復雜，且操作不便。本文采用一種新的方法進行實驗，利用光速測定儀，通過改進儀器的光路，以達到測量水的折射率的目的。

2 設計方案

2.1 研究目標

本實驗是利用水介質放入其中一個光路中改變該光程從而測出水的折射率。

2.2 主要內容

本實驗是利用激光束通過聲光移頻器，獲得具有較小頻差的兩束光，它們迭加則得到光拍；利用半透鏡將這束光拍分成兩路，測量這兩路光拍到達同一空間位置的光程差和光拍的頻率從而測得光速。在實驗中將一光路上放上待測介質，由于光程被改變要達到原來的狀態，即兩光拍相位差2π，必定要移動可滑動滑塊B，當兩束光程差又為2π時示波器上的兩波行再次重合。根據公式：

即可測算出水的折射率。

3 實驗原理

根據光程定義，當真空中傳播的光通過折射率>1的透明介質時，其光程將增加。設透明介質沿光路方向長度為d，未將其放入光路中時，光在這段距離d內的光程為（c為光速）。若將透明介質置于光路中，則光在介質中的光程為vd=cnd。因此，透明介質加入前后的光程差為cd（n-1）（n為折射率），相當于光在真空中傳播d（n-1）的光程，如圖1所示。

光速c=s/Δt=fλ′λ可以方便地測得，但光頻f大約104Hz，我們沒有那樣的頻率計。如果使f變得很低，例如30MHz，那么波長約為10m。這種測量方法是十分方便地。這種使光頻“變低”的方法就是所謂“光拍頻法”，簡稱“光拍法”。本實驗是利用激光束通過聲光移頻器，獲得具有較小頻差的兩束光，它們迭加則得到光拍，利用半透鏡將這束光拍分成兩路，測量這兩路光拍到達同一空間位置的光程差（當相位差為2π時光程差等于光拍的波長f）和光拍的頻率從而測得光速。在實驗中將一光路上放上待測介質如圖2所示，由于光程被改變要達到原來的狀態，即兩光拍相位差2π，必定要移動可滑動滑塊B，當兩束光程差又為2π時示波器上的兩波行再次重合。

根據無介制和有介質時光程相同可以推得介質的折射率為：

4 實驗過程

調節好儀器和光線，使遠光程、近光程的光斑都打在儀器的光敏面上，打開斬光器，然后移動可移動滑塊B，直到示波器上兩光波完全重合，如圖3所示。測量遠光程中的e，f段數據。繼續實驗，在遠光程中放上裝滿水的玻璃管，如圖4所示，此時由于光線穿過介質而發生了改變，再次調節可移動滑塊B，直到兩光波再次完全重合，如圖3所示。

在測定一些液體的折射率的時候，一些液體可能有毒，不小心沾染到液體會對人體造成危害。使用本實驗的方法可以避免危害?？梢詮V泛的用在化工、醫藥、食品、石油等工業部門及中學、高校用于測量液體折射率的實驗中。

【參考文獻】

[1]姜德生，魏仁選.基于光纖F-P干涉波長的溶液濃度測量系統研究[J].中國激光，2004.

[2]李遠琴，楊永安.用光速測量儀測量玻璃的折射率[J].楚雄師范學院學報，2008.

[3]竺江峰.大學物理實驗教程[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[4]伍雁雄，張姝，趙璐冰，等.基礎實驗中光速和介質折射率測量方法的研究[J].大學物理，2014.

[責任編輯：湯靜]