利用暗斑效應測量液體折射率裝置的改進

(華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510000)

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利用暗斑效應測量液體折射率裝置的改進

湛高超劉煒黃彥媚

(華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510000)

筆者改進了利用暗斑效應測量液體折射率的實驗裝置，在同樣能求得待測液體折射率的前提下，減少了待測液體的用量。

暗斑效應；液體折射率；裝置改進

1 引言

利用光的全反射特性形成的暗斑來測量固體或液體折射率的研究已有不少，但大部分裝置都只是呈現了整個暗斑，而實際需要測量的僅僅是暗斑的半徑，從而造成了大量的空間浪費。本文通過改進裝置，僅取暗斑的一部分進行測量，使得裝置的空間利用最大化。

2 改進暗斑效應測量液體折射率

2.1 測量液體折射率的原理

如圖1所示,取一個玻璃容器，內表面底部噴漆，使其成為散射面，將激光入射至散射面。激光受到散射面中固體顆粒的影響，成為高發散度的發散光。發射光束入射到液體-空氣界面后，大于全反射角的光經全反射返回到液體，小于全反射角的光線則部分透射到空氣中，因此能形成以散射面入射點為中心、邊界清晰、對比度高的圓形暗斑圖像。圖中暗斑中心亮點位置是入射點位置，以入射點為圓心形成了一圈亮度較暗的圓形暗斑，在圓形暗斑邊緣及外處為明亮區。

圖1

2.2 改進后實驗裝置及原理

圖2

圖3

2.3 消除光斑誤差

圖4

2.4 靈敏度分析

選擇折射率n為1.55的玻璃進行分析，nx-r曲線如圖5所示，隨著r的增大，nx的變化趨于平緩且無限趨近于玻璃的折射率1.55。此外，h的增大，會使nx-r曲線下移，且更趨于平緩。液體的折射率一般都在1.3以上，為使測量的靈敏度更高，應使待測液體的折射率范圍更多地落在曲線的平緩區域，同時由于裝置不能做得太大，因此半徑不能太大。

圖5

選擇h=20mm，對不同折射率的影響進行分析。如圖6所示，當折射率增大時，曲線上移，測量范圍增大，但曲線斜率也增大。因此，需要通過判斷所測量的液體的大致折射率范圍來選擇玻璃的折射率，盡量接近待測液體的折射率。

圖6

綜上所述，如果追求裝置小巧且測量范圍大，則應選擇折射率大的玻璃，且選擇較小的厚度。如果追求更佳的靈敏度，則應選擇折射率接近待測液體的玻璃，且選擇較大的厚度。

3 結語

本裝置改進了利用暗斑效應測量折射率的方法，縮小了體積，提高了精度。不僅可以應用于中學物理實驗教學，也可以應用于生產實際，具有一定的應用空間。

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