固體與液體折射率測量儀的研究與設計

劉文瓊

關鍵詞：折射率儀；折射率

? 一、引言

折射率是物質的重要光學常數之一，在科研和生產實際中常需要測量它，借以了解物質的光學性能、純度、及濃度大小等。

目前我們實驗室和工業生產中測量物質折射率時一般是利用分光計或阿貝折射計。這種方法原理復雜，折射率與角度線性關系不夠好，計算繁瑣，帶來誤差較大，且實驗儀器的調節很麻煩費時，一般不能從儀器上直接讀出物質的折射率，儀器也較貴，比較笨重，攜帶不便。

? 二、折射率測量儀的設計研究

? 1.液體折射率測量儀的設計

（1）設計方法：

液體折射率測量儀設計成可以漂浮在水面上，如圖1所示，AB線、AB1線為事先刻畫出在測量儀面板上，CB為可以轉動的細桿，入射光線AB段長度=R2。折射光線BC段長度=R1。設計成R1=R2=R，B1B長度=2r時，根據折射率公式可得

折射率n=sinα/sinβ=（x/R）/（r/R）=x/r.

測量時要求入射光線或折射光線（光線從空氣中射入待測液體中時）與AB線重合，x位置處標注有上述折射率公式計算出的折射率數值和刻度。

（2）使用說明：

測量時，將裝置浮于待測液體上，轉動桿CB，使得液體中折射光線與測量板上的AB線重合，此時所指的刻度線對應的數值即為液體的折射率。

該儀器適用于待測液體量多，但不需取量的條件下，可直接將裝置放置在液體中開啟激光源，轉動桿到合適位置，待儀器穩定后即可讀數。

? 2.平板式固體折射率測量儀的設計

（1）設計方法：

其設計原理與液體折射率測量裝置相同。如圖2所示，該測量儀設計為一塊不透明薄板，圖中標示的AB，A1B1分別為可繞A點、A1點轉動的在薄板底部的細桿，其上豎有a、b、c、d四根細針，用于測量時相互對準，它們在桿轉動時可沿黑色圓弧槽轉動。另外沒有標示的兩細桿和四根細針與其它的相同，為對稱設計。

（2）使用說明：

測量時將待測固體置于裝置上，其中待測固體的長度為X，平行地調節細桿AB和A1B1，使得沿著BA方向看時細針a、b在透明固體中的像與細針c、d重合，沿B1A1方向看時，同樣a、b在透明固體中的像與c、d重合，即看起來a、b，c、d在同一直線上。此時由b、d所對應刻度線的值即為固體的折射率。可由兩對角方向分別測量，讀取固體折射率的兩個測量值，然后取平均，以減少誤差。

? 3.折疊式固體折射率測量儀的設計

（1）設計方法：

折疊型固體折射率測量儀的設計方案的設計原理與液體折射率測量裝置和平板型固體折射率測量儀相同。該折疊型裝置最大的優點是攜帶方便，不使用時可將儀器折疊起來，該裝置測量折射率時不受固體兩平行面間的長度限制，對兩側面的整體平行度要求較低。固體折射率測量儀器，可用于測定透明固體的純度和品質，例如測量玻璃的純度等。如圖3所示：

（2）使用說明：

測量時，將待測透明固體夾在四根轉動刻度尺中間，轉動刻度尺與待測固體的側面對齊，由雙向刻度尺讀出R2的長度值，然后沿可轉動刻度尺推動圓規腳到R1=R2的值處，轉動可轉動刻度尺使其畫出圓弧，調節兩原點對稱的對準刻度尺上的細針對準，對準后移動滑動刻度尺到圓弧與對準刻度尺中心線的交點，由滑動刻度尺讀出該交點到豎直刻度尺中心線的距離x，再推動豎直刻度尺中的可滑動指針，使其指向水平刻度尺上的數值，即可讀出r的數值，由n=x/r可求得固體折射率，可由兩對角方向分別測量（如儀器平面圖的左上側部分和右下側部分對準測量以及左下側部分和右上側部分對準測量）得兩試驗值取其平均，以減少誤差。

? 三、折射率測量儀測試

通過設計的液體折射率測量儀，用來測量常溫下自來水的折射率，可測得水的折射率約為1.33，與實際水在20℃時的折射率為1.3330基本一致。

測試用的工廠生產的固體玻璃的折射率為1.5163，經該設計的固體折射率測量儀測得的折射率為1.52，基本一致。

本文設計的折射率儀，原理簡單，儀器使用方便，調節簡單，精度較高，攜帶方便，能直接快速讀出所測透明物質的折射率，且制作過程相對也很簡單。

參考文獻：

[1]趙凱華，鐘錫華.光學[M].北京：北京大學出版社，1984.

[2]丁慎訓，張孔時.物理實驗教程[M].北京：清華大學出版社，2001.

（作者單位：衡陽市第八中學）