用分光計測量玻璃三棱鏡折射率的方法探討

段麗鳳

[摘 要]玻璃是我們生活中十分常見的物體，折射率是這種透明介質(zhì)的主要參數(shù)之一。通過一些方法將玻璃三棱鏡的折射率進行確定，就能夠更好地掌握玻璃的應(yīng)用技巧。通過對分光計測量玻璃三棱鏡折射率的方法進行研究，并對測量所需要的儀器以及一些使用方法進行分析，以能夠扎實了解分光計測量的基本原理以及結(jié)構(gòu)，最終得到待測玻璃的折射率。

[關(guān)鍵詞]分光計測量；玻璃；折射率；方法

[中圖分類號] G642 [文獻標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2017）05-0047-03

分光計是一個用于準(zhǔn)確測量光線改變角度以及改變方向的一種儀器，其能夠?qū)庠谶M入不同介質(zhì)中的反射角、折射角以及衍射角等數(shù)據(jù)進行測量，并且其測量的精度十分高，此外，分光計還能夠利用不同的光學(xué)儀器來對不同物質(zhì)的光折射角進行測量，因此，掌握分光計測量的方法十分的重要。本文意在對分光計測量玻璃三棱鏡折射率的方法進行詳細(xì)敘述，其具體內(nèi)容如下。

一、原理

將玻璃材料制作成三棱鏡形狀，其頂角A是已知的，故而不用再次進行測量。然后利用最小偏向角方法計算其折射率，在本次的原理闡述中，原理圖如圖1所示。

當(dāng)一束平行光線入射角為i1的方向投入到玻璃的AB面上，在通過玻璃的兩次折射之后，會從折射角i4的方向AC面折射出來，成為光線t，原有的光線通過棱鏡的兩次折射后，光線方向會發(fā)生改變，其總體的角度變化可以用過入射光線和射出光線的延長線的夾角δ進行表示，這個角度就成為是偏向角，通過圖一中的角度可以得到，δ的角度能夠通過計算得到，即δ=（i1-i2）+（i4-i3）=i1+i4-A。由此，也能夠證明，對于玻璃三棱鏡而言，其頂角以及折射率都是確定的，而偏向角是隨著i1的變化而變化的，故而說，δ是i1的函數(shù)。

通過計算，可以得到當(dāng)i1=i4或i2=i3時，入射光線和出射光線會對稱地出現(xiàn)在三棱鏡的兩旁，而偏向角的值是最小值，這個時候稱這個值為最小偏向角，用δm表示，因為，這個階段的i2=A/2， i1=（A+δm）/2，所以能夠得到玻璃的折射率計算公式，如式（1）所示。

這樣，只要用分光計測量出玻璃的頂角以及最小偏向角，就能夠得到玻璃的折射率n。

二、步驟

（一）設(shè)備的調(diào)試工作

應(yīng)用到的儀器設(shè)備有分光計、玻璃三棱鏡、平面反射鏡、鈉光燈源。在測量之前最重要的工作是對各個設(shè)備進行調(diào)節(jié)，只有這樣，才能夠真正保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

分光計的組成主要有平行光管、望遠(yuǎn)鏡、載物臺、圓刻度盤以及其他。其中平行光管主要具備的元件有：狹縫、緊固螺釘、平行光管、平行光管光軸水平螺釘、仰角螺釘、狹縫調(diào)節(jié)。望遠(yuǎn)鏡主要具備的元件有望遠(yuǎn)鏡、緊固螺釘、分化板、目鏡、仰角螺釘、望遠(yuǎn)鏡光軸水平螺釘、支臂、轉(zhuǎn)角微調(diào)、制動架、望遠(yuǎn)鏡止動螺釘。載物臺所具備的相關(guān)元件有載物臺、載物臺調(diào)平螺釘（3只）、載物臺鎖緊螺釘。而圓刻度盤所具備的元件有主尺止動螺釘、主尺、游標(biāo)盤、游標(biāo)盤微調(diào)螺釘、游標(biāo)盤止動螺釘。其它包括制動架、底座、轉(zhuǎn)座以及立柱。

在此次的方法探析中，主要需要進行調(diào)節(jié)的設(shè)備就只有一個，就是分光計，要想保證分光計調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，就要能夠通過構(gòu)成分光計的幾個元件入手，首先是望遠(yuǎn)鏡的調(diào)節(jié)，讓望遠(yuǎn)鏡的光軸能夠垂直地立在儀器的轉(zhuǎn)軸之上，其主要需要動手調(diào)節(jié)的有兩個部分，即清晰度的調(diào)節(jié)，以及儀器轉(zhuǎn)軸的調(diào)節(jié)，將平面反射鏡放置在載物臺上，使其能夠正面對著望遠(yuǎn)鏡，這樣就能夠?qū)⒎謩澃逑旅娴墓庠捶答伣o望遠(yuǎn)鏡，將目鏡上的十字點亮，當(dāng)看到一個亮十字后，在將平面鏡的兩個面返回十字能夠重合到的黑線上，這樣就說明，反射鏡的平面平行于儀器垂直于望遠(yuǎn)鏡的光軸。在清晰度的調(diào)節(jié)上，目的就是讓目鏡的黑線變得更加的清晰，然后調(diào)整物鏡讓十字變得更加清晰，如果初始亮的十字與黑線上方的距離為L，則調(diào)整螺絲釘，使其距離減少一半，并將在載物臺的水平減少一半，這樣，亮十字就能夠與黑準(zhǔn)線重合。

載物臺的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的目的就是讓載物臺的臺面與儀器的轉(zhuǎn)軸相垂直。首先轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤來帶動載物臺進行轉(zhuǎn)動，讓玻璃的AB面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，然后再調(diào)節(jié)載物臺下的螺釘，讓亮十字與黑十字相交叉重合，即讓AB面垂直在望遠(yuǎn)鏡的光軸。然后再講AC面轉(zhuǎn)向望遠(yuǎn)鏡，調(diào)節(jié)臺下其他螺釘，讓AC面也與望遠(yuǎn)鏡的光軸相互垂直，反復(fù)的調(diào)節(jié)兩個反射面，直至AB面以及AC面都能夠與望遠(yuǎn)鏡的光軸相垂直為止，此時的載物臺臺面與儀器的轉(zhuǎn)軸也相互垂直。

平行光管的調(diào)節(jié)：平行光管的最終要能夠與光軸相互垂直于儀器的轉(zhuǎn)軸，即平行光管的光軸要能夠與望遠(yuǎn)鏡的光軸相重合，前后的移動平行光管的夾縫，能夠在視野中呈現(xiàn)出一個清晰的圖像，并且與黑準(zhǔn)線之間沒有視差，調(diào)節(jié)狹縫的螺絲釘來改變光管狹縫的寬度，直到其能夠呈現(xiàn)出一個細(xì)銳的圖像為止，此時的平行光管所能夠射出的平行光就能夠與望遠(yuǎn)鏡的豎線相互重合，即平行光管的光軸能夠與望遠(yuǎn)鏡的光軸相平行。

（二）測量的步驟以及內(nèi)容

第一步是要對分光計進行調(diào)整，第二步是要測量最小偏向角，因為前面已經(jīng)說明調(diào)節(jié)以及計算的方法，所以在這里不再次贅述。

第三步是要對光譜線進行觀察，該操作是在鈉光的平行光管的夾縫照亮的基礎(chǔ)上的，要先用眼睛沿著玻璃射出的方向?qū)ふ艺凵浜蟮膴A縫現(xiàn)象，然后再找到望遠(yuǎn)鏡中眼睛所在的方位，此時的望遠(yuǎn)鏡就能夠看到鈉光譜線了。

第四步要能夠詳細(xì)的觀察偏向角的變化，稍稍的轉(zhuǎn)動載物臺，使光線的入射角改變，觀察納譜線的偏角是增加還降低，是向著哪個方向進行移動的，然后在慢慢地轉(zhuǎn)動載物臺，讓納譜線向著角度降低的方向進行移動，同時還要轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡來跟蹤納譜線，直至載物臺沿著譜線方向轉(zhuǎn)動時，譜線不會隨著載物臺方向的轉(zhuǎn)動而發(fā)生相應(yīng)的改變，這時，納譜線移動的反方向位置就是轉(zhuǎn)折點和納譜線最小偏向角的位置。

第五步要測量出射光的方位角坐標(biāo)。望遠(yuǎn)鏡中分劃板的中心十字焦點固定在最小偏向角的位置上，然后用游標(biāo)盤來讓螺釘?shù)奈恢霉潭?，并且要將載物臺進行微調(diào)節(jié)，使玻璃可以進行微小的轉(zhuǎn)動，找出納譜線反方向的移動的確切位置，再固定載物臺，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡后，讓分劃板的中心十字交點可以對準(zhǔn)納譜線，標(biāo)記游標(biāo)1和游標(biāo)2的讀數(shù)這個數(shù)值就是出射光的方位。

第六步是對入射光的方位進行測定，將玻璃從載物臺上拿開，移動望遠(yuǎn)鏡，使其能夠與入射的平行光相交，并讓分劃板中心的十字交點能夠與平行光管的狹縫像相對，記錄下兩個游標(biāo)的數(shù)值，該數(shù)值就是入射角的位置。

第七步是要將第三步、第四步以及第五步、第六步的步驟進行重復(fù)，再將表格中的數(shù)據(jù)進行記錄，依據(jù)公式來求出最小偏向角，然后求出三個最小偏向角的平均值，最后在通過求折射率的公式將玻璃折射率求出。

三、注意事項

1.望遠(yuǎn)鏡、平行光管上的鏡頭，三棱鏡、平面鏡的鏡面不能用手摸、揩。如發(fā)現(xiàn)有塵埃時，應(yīng)該用用脫脂棉沾一些乙醚、酒精的混合液（4∶1）將鏡面輕擦干凈。在折射棱鏡的拋光面加1～2滴溴代萘，再貼上標(biāo)準(zhǔn)試樣的拋光面，鏡頭紙輕輕揩擦干凈后即可。三棱鏡、平面鏡不準(zhǔn)磕碰或跌落，以免損壞。

2.分光計是較精密的光學(xué)儀器，要加倍愛護，不應(yīng)在制動螺絲鎖緊時強行轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，也不要隨意擰動狹縫。

3.在測量數(shù)據(jù)前務(wù)須檢查分光計的幾個制動螺絲是否鎖緊，若未鎖緊，取得的數(shù)據(jù)會不可靠。

4.測量中應(yīng)正確使用望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動的微調(diào)螺絲，以便提高工作效率和測量準(zhǔn)確度。

5.在游標(biāo)讀數(shù)過程中，由于望遠(yuǎn)鏡可能位于任何方位，故應(yīng)注意望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動過程中是否過了刻度的零點。

6.調(diào)整時應(yīng)調(diào)整好一個方向，這時已調(diào)好部分的螺絲不能再隨便擰動，否則會造成前功盡棄。

7.望遠(yuǎn)鏡的調(diào)整是一個重點。首先轉(zhuǎn)動目鏡手輪看清分劃板上的十字線，而后伸縮目鏡筒看清亮十字。

四、數(shù)據(jù)分析

分光計以及其他儀器的正確使用，才能夠盡可能的減少測量中的誤差，所以在一起的使用過程中首先要注意不要輕易的觸碰設(shè)備，以免因此而導(dǎo)致人為誤差的增加。在做好設(shè)備的調(diào)整后，要能夠仔細(xì)判斷，在使用的過程中也要注意消除偏心差。不同的介質(zhì)，在試驗中有著不同的數(shù)據(jù)，在本次的方法探究中，主要應(yīng)用的是分光計的方法進行測量，進而推理，也能夠通過分光計的方式對不同的物質(zhì)的折射率進行研究。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 林曉冬，訾潤，李蜀，賴仕均，鄧飛. 高精度玻璃折射率測量儀的研制及應(yīng)用[J].中國司法鑒定，2014（5）：59-63，68.

[2] 楊忠民.測定玻璃的折射率實驗的改進[J].物理實驗，2002（1）：31.

[3] 尹霖，邱成鋒，柏亞基. 用分光計測量三棱鏡玻璃折射率的另一種方法[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（25）：60-61.

[4] 薄鐵柱，劉輝，黃永剛，張弦，張洋，王云. 激光玻璃包邊后剩余反射率的測量和計算[J].光學(xué)技術(shù)，2012（3）：381-384.

[5] 尹真，易烈玉，吳文婷，王燕針.用分光計測定雙棱鏡楔角和折射率[J].贛南師范學(xué)院學(xué)報，2008（3）：129-131.

[特約編輯：張 雷]