牛頓環裝置的改進并測量液體折射率及現象討論

李麗榮, 羅 龍, 劉艷麗

(1. 內蒙古科技大學 數理與生物工程學院, 內蒙古 包頭 014010;2. 內蒙古科技大學 分析測試中心, 內蒙古 包頭 014010)

牛頓環裝置的改進并測量液體折射率及現象討論

李麗榮1, 羅 龍2, 劉艷麗1

(1. 內蒙古科技大學 數理與生物工程學院, 內蒙古 包頭 014010;2. 內蒙古科技大學 分析測試中心, 內蒙古 包頭 014010)

根據牛頓環干涉法測量液體折射率時存在的視場模糊不清的實驗現象,改進牛頓環裝置,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量液體折射率,提高測量折射率的精確度。結合真實可靠的實驗圖片,對現象分析討論,進一步說明牛頓環裝置改進的合理性。

大學物理實驗； 牛頓環； 液體折射率

在普通物理實驗中,牛頓環實驗原理簡單[1-2],難度適中,測量精確。等厚干涉常用于測量曲率半徑、微小厚度、角度等[3-5]。本文介紹等厚干涉測定液體折射率的應用,并提出在測量液體折射率時,牛頓環裝置的一種改進設計。

1 實驗原理及現象討論

牛頓環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形成一個透明的介質薄膜,當以平行的單色光垂直入射時,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,同樣會產生干涉條紋,但條紋比較暗且邊界不清晰,測量時眼睛非常疲勞。原因是:充入液體后,由于液體和平面玻璃板吸收部分光,使反射光的強度大大減弱,導致讀數顯微鏡的視場變得很暗,條紋不易觀測。另外,由于在空氣膜中充入液體時,需要將牛頓環裝置拆開,操作相對不便,不能保證是在同一個薄膜厚度下測量折射率,影響折射率測量的準確性。

2 牛頓環實驗裝置改進

針對上述的測量液體折射率時的問題,本文對現有的牛頓環裝置提出了以下改進措施：對下端蓋改進設計，平板玻璃改為半透半反平板玻璃，上端蓋設計充液孔。

(1) 整個下端蓋的設計示意圖1。在下端蓋內設計一個圓形凹槽,用來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可以形成一個空腔,用來充放液體,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度,以提高條紋的清晰度。

圖1 下端蓋設計示意圖

(2) 上端蓋設計示意圖見圖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個小孔,要求小孔的位置正好對齊下端蓋上的充液空腔,方便填充液體,3小孔叫作充液孔,目的是在測量時,直接從小孔中填充液體，不需要拆卸牛頓環裝置,保證實驗一次性測量,減少中間因拆卸牛頓環裝置帶來的誤差,提高測量折射率的準確度。

圖2 上端蓋設計示意圖

3 實驗

3.1 實驗裝置

改進的牛頓環裝置,讀數顯微鏡,鈉光燈,滴管,待測10%的蔗糖溶液。

3.2 儀器調節

打開光源,調節光路,調節讀數顯微鏡,讓視場出現清晰可見的牛頓環,如圖3和圖4所示,儀器調節過程詳見大學物理實驗教材[6]。實驗觀測表明，改進后的牛頓環干涉條紋清晰可見，說明改進后裝置切實可行。改進的牛頓環裝置充入液體后條紋相對比較清晰,條紋質量得到明顯改觀,主要是因為半透半反平板玻璃增大了分界面的光的反射率[4,7],提高了光的反射強度,使視場亮度提高,而明暗條紋對比度有所下降,但是不影響其測量結果,視場總體清晰可見。總之,改進的牛頓環裝置便于液體折射率的測量,保證了測量是在同一薄膜厚度的情況下,實驗一次完成,避免了因拆卸牛頓環裝置帶來的測量誤差,測量相對精確。比較圖3與圖4可知,充入液體后牛頓環條紋排列越密,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 改進裝置的空氣薄膜牛頓環

圖4 10%蔗糖溶液的牛頓環

3.3 測量空氣膜的干涉環直徑

旋轉讀數顯微鏡的測微手輪,移動測微目鏡,測量第32—第10環暗條紋的直徑(對應m=32,30,28,26,24,22；n=20,18,16,14,12,m-n=12),具體過程詳細見大學物理實驗教材,測量數據見表1。

表1 測量空氣薄膜的牛頓環干涉環直徑

3.4 測量蔗糖溶液的干涉環直徑

用滴管通過充液孔在空氣薄膜中充入液體(蔗糖溶液),測量步驟同上,數據見表2。

表2 測量10%蔗糖溶液的牛頓環干涉環直徑

3.5 數據處理與計算

蔗糖溶液折射率n=38.16/28.37=1.345。該值與文獻介紹的用阿貝折射計測量結果1.3478非常接近[11-12]。說明牛頓環改進切實可行,且測量結果相對比較準確。

4 結束語

通過對牛頓環裝置的改進,使得測量液體折射率時干涉圖像更加清楚,方便測量,且配合充液空,使得操作更加方便簡潔,減少了測量誤差。同時,讓學生在教學實踐中深刻理解了光干涉的應用。通過實驗現象分析比較,培養了學生分析解決問題的能力,拓展了學生的創新思維,豐富了課堂實驗內容[13]。

References)

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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

內蒙古科技大學教改項目(JY2013111)；(JY2014085)

李麗榮(1983—)，女，內蒙古包頭，碩士，講師，主要從事大學物理實驗教學及金屬材料科學研究.

E-mail：nmg0809@163.com

O4-33

B

1002-4956(2015)10- 0097- 03