唐小村

（淮海工学院理学院，江苏 连云港 222005）

分光计设计性实验研究

唐小村

（淮海工学院理学院，江苏 连云港 222005）

基于分光计的实验是大学物理光学中比较重要的实验，依据光的折射原理，对分光计测量液体折射率的实验原理和方法进行研究，提出了新的实验方案，在实际应用中具有参考价值.实验内容和测量结果符合设计性实验要求，有助于启发学生的创新意识.

设计性实验；分光计；液体折射率

分光计作为光学中基本的实验仪器，能够精确地测定光线偏转角，常用于大学物理光学实验中间接测量介质的折射率、光波波长、色散率等，在我国高等院校的光学实验教学中发挥了重要的作用.基于分光计开设的物理实验，不仅具有很强的操作性，有利于全面培养学生的实验技能，而且实验内容丰富、形式多样，在大学物理实验中，较为常见的有：光栅衍射实验，测量光栅常数和光的波长；三棱镜实验，测量顶角和折射率等.

分光计实验作为大学物理光学基础实验，一般教材和文献［1，2］给出了比较成熟的仪器调节方法和较为经典的实验内容，本文在此基础上将实验内容加以拓展，其实验方案和思路［2～7］可以作为设计性实验引入实验教学中去，以弥补传统测量性、验证性实验的不足.

1 实验选题分析

设计性实验是一种较高层次的实验类型，它介于基础教学实验和实际科学实验之间并且具有科研性质.相比于基本的测量性和验证性实验而言，设计性实验更有助于培养学生的科学素养和创新能力，同时也对学生的知识储备和实验技能提出了更高的要求.

设计性实验方案的拟定，需要符合实验原理的可行性和实验方案的可操作性原则，能够让学生运用理论知识，合理设计实验方案.根据所设计的实验方案，利用实验室现有实验设备，自选和组装实验仪器，拟定具体的实验步骤，然后进行实验操作和测量.在大学物理实验中，许多光学基本量如波长、折射率的测量等，都可以直接或间接地转换为光线偏转角的测量，因此，可以充分利用分光计优良的光线角度测量性能，设计基于分光计的实验方案.

2 实验方案设计

2.1 三棱镜测量液体折射率

将待测液体置于两个相同的等边三棱镜之间形成均匀的薄膜，设三棱镜折射率为n0，待测液体折射率为n.以单色平行光入射到三棱镜表面上，如图1所示，光线1入射角为θ1，经过三棱镜和液体介质多次折射.由折射定律可以证明光线3平行于光线2，光线4平行于光线1，如果在AB界面处未发生全反射，则能在入射光方向观察到出射光线4.

图 1

由图1和折射定律可知

在n＜n0的条件下，逐渐改变入射角θ1，可使得界面AB处刚好发生全反射，即φ2＝90°，此时观察不到光线4.将φ2＝90°代入式（2），由式（1）、（2）、（3）可得

如光线1在法线上方入射，则θ1取负值.因此，在已知三棱镜折射率n0，并且液体折射率小于三棱镜折射率的条件下，可以通过分光计测量入射角θ1，由式（4）计算出待测液体折射率n.

2.2 正方体容器测量液体折射率

将待测液体置于一个由平板玻璃制作的正方体的容器中，平板玻璃折射率为n0，待测液体折射率为n.以单色平行光入射到平板玻璃表面上，如图2所示，光线1入射角为φ1，经平板玻璃和液体介质中多次折射，光线3出射角为φ2.

图 2

由图2和折射定律可知

由式（5）、（6）、（7）、（8）、（9）可解得

其中，光线1入射角φ1和光线3出射角φ2可由分光计测出，由式（10）即可计算出液体的折射率.

由式（10）可以看出，光线3的出射角φ2只取决于光线1的入射角φ1和液体折射率n，只要平板玻璃两面是严格平行的，采用不同厚度或折射率的玻璃，不会影响出射角φ2的值，这与文献［3］的讨论结果是一致的.

3 实验结果

利用JJY型分光计和汞灯546.1nm绿光，对蒸馏水的折射率分别用以上两种方法进行了多次测量，测量平均值见表1和表2.

表1 三棱镜测量水的折射率结果

表2 容器测量水的折射率结果

从测量结果可以看出，所测得的水折射率接近公认值，准确度高.三棱镜测量方法利用了光线的全反射原理，只能测量小于三棱镜折射率的液体，而四方体容器法不受以上限制，可以测量各种透明液体的折射率.

4 结语

关于液体折射率的测量有很多种方法，但是基于分光计的测量方法并不多见，本文提出了利用分光计测量液体折射率新的方法，它依据了光的折射原理，最后归结为光线的角度测量.经过理论推导和实验研究，证明以上实验方案具有可行性，测量结果比较合理，并且实验设计具有很好的可操作性，在实际应用中有一定的参考价值.文中所涉及的实验内容难易适中，其实验方法对学生具有启发性，在大学物理实验教学中可以作为设计性实验进行开展，以巩固和深化几何光学基本理论，激发学生创新意识.

［1］ 卢佃清，李新华，王勇.基础物理实验［M］.南京：南京大学出版社，2009

［2］ 张敏园，张世功.光路分析在分光计调整中的作用［J］.大学物理实验，2010，23（5）：56～58

［3］ 陈新，李维晖，张宏.用分光计测液体折射率［J］.现代科学仪器，2006，（2）：93～95

［4］ 蒋学华.测量透明液体折射率的一种实验方法［J］.大学物理，2002，21（5）：33～34

［5］ 隋艳丽.用分光计测量液体的折射率［J］.大学物理实验，1998，11（2）：20～21

［6］ 钟菊花，顾懿.测定液体折射率的分光计方法［J］.物理实验，1995，15（1）：10～12

［7］ 李晓勤.模拟实验研究最小偏向角的规律［J］.物理与工程，2009，19（2）：30～32

2011－09－13）

唐小村（1976年出生），男，江西宜春人，本科，实验师，主要从事实验室教学与管理工作.