实验设计说明书题目：利用超声光栅测液体中的声速 院部：理工科基础教学部 专业班级：物理学（创新实验班）1班 学生姓名：某某某 学号：41106XXX 实验日期： 2013年5月21日
超声光栅测液体中的声速 人耳能听到的声波，其频率在16Hz 到20kHz 范围内。超过20Hz 的机械波称为超声波。光通过受超声波扰动的介质时会发生衍射现象，这种现象称为声光效应。利用声光效应测量超声波在液体中传播速度是声光学领域具有代表性的实验。 一、实验目的 （1）学习声光学实验的设计思想及其基本的观测方法。 （2）测定超声波在液体中的传播速度。 （3）了解超声波的产生方法。 二、 仪器用具 分光计，超声光栅盒，高频振荡器，数字频率计，纳米灯。 三、 实验原理 将某些材料（如石英、铌酸锂或锆钛酸铅陶瓷等）的晶体沿一定方向切割成晶片，在其表面上加以交流电压，在交变电场作用下，晶片会产生与外加电压频率相同的机械振动，这种特性称为晶体的反压电效应。把具有反压电效应的晶片置于液体介质中，当晶片上加的交变电压频率等于晶片的固有频率时，晶片的振动会向周围介质传播出去，就得到了最强的超声波。 正文： 光声效应的发现无疑是物理学两大分支的又一次融合，利用超声光栅测量液体中的声速就是这一物理现象的应用。此次实验的仪器包括超声光栅池、超声仪、分光计、测微目镜以及光源。 由于声波是纵波，所以当超声波在液体（本实验用的是水）传播时，声波的振动会引起液体密度空间分布的周期性变化（如右图），进而导致液体的折射率亦呈周期性分布（如右图）。如果在某一时间t 0，液体密度的空间函数为： ()0s 02sin x t x π ρρρωλ??=+?- ? ?? ? ① 其中，0ρ是液体的静态密度，ρ?是密度的变化幅度，s ω是超声波的角频率，λ是超声波长，x 是超声波的传播方向，也是密度变化的空间方向；此时，折射率 的空间函数为：()0s 02sin n x n n t x πωλ? ?=+?-? ?? ?②，其中0n 为液体的静态折射率
实验题目:表面等离激元共振法测液体折射率实验 预习报告与原始数据见纸质报告。 实验步骤： 1.调整分光计，实验部件安装和线路连接已经完成； 2.传感器中心调整 粗调：将微调座放到载物台上，固定好调节架后，在调节架中心放上准星，调节载物台锁紧螺钉使激光光斑至粗调对准处，不断调节平行光管光轴水平调节螺钉与微调座的两颗微调螺钉，使当游标盘转动一圈时，激光光斑一直照在该处； 细调：调节平行光管光轴高低调节螺钉，使激光光斑射在细调对准处，不断调节平行光管与微调座使当转动游标盘一圈时，激光光斑一直射在该处； 中心调节：继续调节平行光管光轴高低调节螺钉，使激光光斑射在准星顶尖处，再次调节使转动游标盘一圈时，激光光斑一直射在顶尖处。 3.测量前准备调节 中心调节完毕后，移去准星，放入敏感元件，将游标盘和刻度盘调节到合适位置；调整敏感元件使光垂直入射至半圆柱棱镜中的镀金属膜上，拧紧游标盘止动螺钉；转动刻度盘使刻度盘0o对准游标盘0o；拧紧转座与刻度盘止动螺钉，松开游标盘止动螺钉，从此刻开始刻度盘始终保持不动，将游标盘转回至刻度盘所示65o位置处锁定，测量前准备调节完毕。
4.测量读数 保持刻度盘和游标盘不动，转动望远镜支臂，观察功率计读数，记录其中的最大读数；保持刻度盘不动，移动游标盘从66o到88o，入射角没增加1o，记录功率计最大读数。 5.数据表格与数据处理 (1)数据表格自拟； (2)画出相对光强与入射角的关系曲线图； (3)比较不同溶液的共振角有何差异。 实验样本： 本实验采用样本为：纯净水;无水乙醇；水：乙醇=1：1的乙醇溶液。 实验数据： 1.纯净水 角度(°)666768697071 角度(°)72737475767778相对光强243273376480554581641653角度(°)7980818283848586相对光强700705713733741741758765角度(°)8788
利用牛顿环测液体的折射率 实验者：姜晨彬 同组实验者：朱欣 指导教师：夏老师 （A09港航 090304134 655162） 【摘要】本文结合牛顿环干涉原理测量空气折射率的方法，阐述了测量液体折射率的实验原理，并研究出了具体的测量方法，最后对水的折射率进行了测量，并得出了较为准确的测量结果。 【关键词】牛顿环 空气 蒸馏水 干涉 折射率 一、引言 牛顿环是一种典型的等厚薄膜干涉现象，能充分显示光的波动性。本文通过研究对比空气和水在牛顿环里发生的干涉现象，更新了液体折射率的测试方法，使牛顿环的应用更加丰富，开拓了物理实验的新视野。 二、设计原理 当以波长为x 的钠黄光垂直照射到平凸透镜上时，由液体膜上，下表面反射光的光程差以及干涉相消。 即暗纹条件： )1......)(2,1,0(2/)12(2/2=+=+=n n ne λλδ 式中e 为某一暗纹中心，所在处的液体膜厚度，k 为干涉级次。 利用图中的几何关系，可得：R r e 2/2 = (r 为条纹半径），代入（1）式，有 ......)2,1,0(2/)12(2//2=+=+=n n R nr λλδ （2） 则暗纹半径......)2,1,0(/==n k nR r k λ （3） 若取暗纹观察，则第m ，k 级对应的暗环半径的平方 n mR r m /2 λ= （4） k nR r n /2 λ= （5） 两式相减得平凸透镜的曲率半径)/()(2 2n m n r r R n m --= （6） 观察牛顿环时我们也将会发现牛顿环中心由于形变，灰尘，水等的影响，中心不是一点，而是一个不甚清晰的暗或亮的圆斑。目因而圆心不易确定。故常取暗环的直径替换。进而有 λ)(4/)(2 2n m n D D R n m --= （7） 同理对于空气膜。则有λ)(4/2 '2'n m D D R n m --= （8） 式（7）与式（8）相比，可得：)/()(2 22'2'n m n m D D D D n --= （9） 由（9）式可知，只要测出同一装置（相同的平凸透镜和平面的玻璃板）下的空气膜和液体膜的条纹直径，即可求出液体的折射率。
大学物理实验设计性实验 实 验 报 告 实验题目： 液体折射率的测定 浙江农林大林 物理实验室 实验日期：2012 年5 月29日 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师：
液体(水)的折射率测定 实验目的： 1．温习分光仪的结构，并掌握分光仪调节和使用方法 2. 学习用掠入射法测定三棱镜和待测液体的折射率 实验仪器 分光仪，钠光灯，毛玻璃，待测液体（水），三棱镜 实验原理： 1.分光仪的调节 （1）目测粗调 目测调节望远镜光轴﹑平行光管光轴﹑载物台平面，三者大致垂直于分光中心旋转轴。目测是重要的一部，是进一步细调的基础，可以缩短调整时间。 （2）望远镜的调焦，使之能接受平行光，调节步骤如下： 1.目测调焦 2.物镜调焦 （3）调节望远镜光轴及载物台面垂直于仪器中心转轴。 2.调节载物台下G2或G3两螺钉之一，使此h 缩短为h ／2，在调节望远镜倾度调节螺钉，使十字反射像与十字叉丝重合。 3.旋转载物台，用“各半”调节法使另一反射面的十字反射像与“上十字叉丝”重合，这需要2，3两步反复调整数次，要细心，耐心。 4.将载物台转动90°后放在载物台，调节载物台下螺钉G1，使十字反射像与上十字叉丝重合。 2.用掠入射法测三棱镜的折射率 掠入射法测三棱镜折射率的原理如图23-1所示。按照图23-1摆好实验仪器，用扩展光钠光灯源（用钠光灯照亮的毛玻璃）照明该棱镜的折射面AB ，用望远镜对棱镜的另一个折射面AC 进行观测。在AB 界面上图中光线a 、b 、c 的入射角依次增大，而c 光线为掠入线（入射角为?90），对应的折射角为临界角，用望远镜看到的视场是半明半暗的，中间有明显的明暗分界线整体移动分光计或刻度盘使钠光灯大体位于AB 光学面的延长线上，用眼睛在出射光的方向找到一个明暗相间的分界线，再将望远镜转至该方位—望远镜看到的视场是半明半暗的，中间有明显的明暗分界线，使竖直“+”字叉丝对准明暗相间的分界线，将刻度盘固定记下左右游标读数1i 和2i 。记下转动望远镜AC 面的法线位置，记下两游标读数3i 和4i ，从而可求光线经过三棱镜的最小出射角i 。在棱镜中再也不可能有折射角大于c i 的光线。在AC 界面上，出射光a 、b 、c 的出射角依次减小，以c 光的入射角为?90,出射角'i 为最小，
实验阿贝折射仪测介质折射率 折射率是透明材料的一个重要光学常数。测定透明材料折射率的方法很多，如全反射法和最小偏向角法，最小偏向角法具有测量精度高、被测折射率的大小不受限制、不需要已知折射率的标准试件而能直接测出被测材料的折射率等优点。但是，被测材料要制成棱镜，而且对棱镜的技术条件要求高，不便快速测量。全反射法具有测量方便快捷，对环境要求不高，不需要单色光源等特点。然而，因全反射法属于比较测量，故其测量准确度不高（大约Δn=3×10-4），被测材料的折射率的大小受到限制（约为1.3～1.7），且对固体材料还需制成试件。尽管如此，在一些精度要求不高的测量中，全反射法仍被广泛使用。 阿贝折射仪就是根据全反射原理制成的一种专门用于测量透明或半透明液体和固体折射率及色散率的仪器，它还可用来测量糖溶液的含糖浓度。它是石油化工、光学仪器、食品工业等有关工厂、科研机构及学校的常用仪器。 【实验目的】 1.加深对全反射原理的理解，掌握应用方法。 2.了解阿贝折射仪的结构和测量原理，熟悉其使用方法。 3.通过对葡萄糖溶液折射率的测定确定其浓度。 【实验仪器】 WAY阿贝折射仪、标准玻璃块一块，折射率液（溴代萘）一瓶，待测液（自来水，酒精，糖溶液）、滴管、脱脂棉及擦镜纸 【实验原理】 一、仪器描述 阿贝折射仪是测量物质折射率的专用仪器，它能快速而准确地测出透明、半透明液体或固体材料的折射率（测量范围一般为1.4-1.7)，它还可以与恒温、测温装置连用，测定折射率与温度的变化关系。 阿贝折射仪的光学系统由望远系统和读数系统组成，如图1所示。 望远系统。光线进入进光棱镜1与折射棱镜2之间有一微小均匀的间隙，被测液体就放在此空隙内。当光线（自然光或白炽灯）射入进光棱镜1时便在磨砂面上
评分：大学物理实验设计性实验实验报告 实验题目：液体折射率测定 班级： 姓名：学号： 指导教师：
《液体的折射率测定》实验提要 实验课题及任务 《液体的折射率测定》实验课题任务方案一：光从一种介质进入另一种介质时会发生折射现象，当入射击角为某一极值（掠射）时，会产生一特殊的光学现象，能同时看到有折射光和无折射光的现象，就可以实现液体折射率的测量。 学生根据自己所学的知识，并在图书馆或互联网上查找资料，设计出《液体的折射率测定》的整体方案，内容包括：（写出实验原理和理论计算公式，研究测量方法，写出实验内容和步骤)，然后根据自己设计的方案，进行实验操作，记录数据，做好数据处理，得出实验结果，按书写科学论文的要求写出完整的实验报告。 设计要求 ⑴通过查找资料，并到实验室了解所用仪器的实物以及阅读仪器使用说明书，了解 仪器的使用方法，找出所要测量的物理量，并推导出计算公式，在此基础上写出该实验的实验原理。 ⑵选择实验的测量仪器，设计出实验方法和实验步骤，要具有可操作性。 ⑶测量5组数据，。 ⑷应该用什么方法处理数据，说明原因。 ⑸实验结果用标准形式表达，即用不确定度来表征测量结果的可信赖程度。 实验仪器 分光仪、钠光灯、毛玻璃与待测液体 实验提示 掠入射法测介质折射率的原理如图示3-1所示。将待测介质加工成三棱镜，用扩展光源（用钠光灯照光的大毛玻璃）照明该棱镜的折射面AB，用望远镜对棱镜的另一个折射面AC进行观测。在AB界面上图中光线a、b、c的入射角依次增大，而c光线 i。在棱镜中再也不可能有折射角为掠入线（入射角为 90），对应的折射角为临界角 c i的光线。在AC界面上，出射光a、b、c的出射角依次减小，以c光线的出射角大于 c 'i为最小。因此，用望远镜看到的视场是半明半暗的，中间有明显的明暗分界线。证
表面等离激元共振法测液体折射率实验 实验目的： 1、了解全反射中倏逝波的概念 2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振角随折射率的变化 3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用 4、了解和掌握共振角测量的方法，以及计算折射率的原理和方法 实验简介： 早在1902年Wood就在光学实验中首次发现了表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）现象，1941年Fano根据金属和空气界面上电磁波的激发解释了这一SPR现象，随后就提出了体积等离子体子（激元）的概念，认为这是金属中体积电子密度的一种纵向波动。Ritchie注意到当高能电子通过金属薄片时，不仅在体积等离子体子频率处有能量损失峰，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年Powell和Swan通过实验验证了Ritchie理论。1960年Stern和Farrell研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP）的概念。1971年Kretschmann为SPR传感器结构技术奠定了基础,1983年Liedburg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定，1987年Knoll等人开始了SPR成像的研究，1990年Biocare AB公司开发出首台商品化SPR仪器。表面等离激元共振技术终于在20世纪90年代成功发展起来，成为应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体与分析物作用的一种新技术。 表面等离激元共振是一种能够适合探测金属表面的分子相互作用的量子光电现象。理论上，一个表面全内部反射的光诱发从表面延伸的倏逝波，平行于正常的波。这个倏逝场是由于光的波性质和强度随着表面距离增加而呈指数递增。在波导/金属表面相交处，从波导延伸的倏逝场能够以具体的入射角耦合到电磁表面波，这个角称为表面等离激元共振（SPR）角。在这个角，光能量能够转换到传导金属膜片，因为共振频率是一样的，因此创建了一个表面等离激元。因为能量被吸收了，光的反射强度显示了在表面等离激元共振（SPR）发生的角的地方下降。倏逝场起着表面的探测杆作用，因为表面等离激元共振（SPR）角对于折射率的变化相当敏感。表面等离激元共振（SPR）角的转换因此用于探测表面
表面等离子体共振原理及其应用 李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理 人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。 等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。 金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场
分光计实验报告 【实验目的】 1、了解分光计的结构和工作原理 2、掌握分光计的调整要求和调整方法，并用它来测量三棱镜的顶角和最小偏向角。 3、学会用最小偏向角法测棱镜材料折射率 【实验仪器】 分光计，双面平面镜，汞灯光源、读数用放大镜等。 【实验原理】 1、调整分光计： (1)调整望远镜： ａ目镜调焦：清楚的看到分划板刻度线。 ｂ调整望远镜对平行光聚焦：分划板调到物镜焦平面上。 ｃ调整望远镜光轴垂直主轴：当镜面与望远镜光轴垂直时，反射象落在上十字线中心，平面镜旋转180°后，另一镜面的反射象仍落在原处。 (2)调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴：将被照明的狭缝调到平行光管物镜焦面上，物镜将出射平行光。 2、三棱镜最小偏向角原理 介质的折射率可以用很多方法测定，在分光计上 用最小偏向角法测定玻璃的折射率，可以达到较高的 精度。这种方法需要将待测材料磨成一个三棱镜。如 果测液体的折射率，可用表面平行的玻璃板做一个中 间空的三棱镜，充入待测的液体，可用类似的方法进 行测量。 当平行的单色光，入射到三棱镜的AB面，经折射 后由另一面AC射出，如图7.1.2-8所示。入射光线LD 和AB面法线的夹角i称为入射角，出射光ER和AC 面法线的夹角i’称为出射角，入射光和出射光的夹角 δ称为偏向角。 可以证明，当光线对称通过三棱镜，即入射角i0等于出射角i0’时，入射光和出射光之间的夹角最小，称为最小偏向角δmin。由图7.1.2-8可知： δ=（i-r）+（i’-r’）（6-2） A=r+r’（6-3） 可得：δ=（i+i’）-A （6-4）
三棱镜顶角A 是固定的，δ随i 和i’而变化，此外出射角i’也随入射角i 而变化，所以偏向角 δ仅是i 的函数．在实验中可观察到，当i 变化时，δ有一极小值，称为最小偏向角． 令 0=di d δ ，由式(6-4)得 1' -=di di （6-5） 再利用式（6-3）和折射定律 ,sin sin r n i = 'sin 'sin r n i = （6-6） 得到 r n i i r n di dr dr dr dr di di di cos cos )1('cos 'cos ''''? -?=??= ' 'csc csc 'sin 1cos sin 1'cos 2 2 2 2222 2 22r tg n r r tg n r r n r r n r --= --- = ' )1(1)1(12 2 22r tg n r tg n -+-+- = (6-7) 由式（6-5）可得：')1(1)1(12222r tg n r tg n -+=-+ 'tgr tgr = 因为r 和r’都小于90°，所以有r =r ’ 代入式（5）可得i =i'。 因此，偏向角δ取极小值极值的条件为： r =r ’ 或 i =i' （6-8） 显然，这时单色光线对称通过三棱镜，最小偏向角为δmin ，这时由式（6-4）可得： δmin =2i –A )(21 min A i += δ 由式（6-3）可得： A =2r 2 A r = 由折射定律式（6-6），可得三棱镜对该单色光的折射率n 为 2 sin )(21 sin sin sin min A A r i n += =δ （6-9） 由式（6-9）可知，只要测出三棱镜顶角A 和对该波长的入射光的最小偏向角δmin ，就可以计算出三棱镜玻璃对该波长的入射光的折射率。顶角A 和对该波长的最小偏向角δmin 用分光计测定。 折射率是光波波长的函数，对棱镜来说，随着波长的增大，折射率n 则减少，如果是复色光入射，由于三棱镜的作用，入射光中不同颜色的光射出时将沿不同的方向传播，这就是棱镜的色散现象。 【实验内容】
牛顿环测液体折射率实 验报告 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
利用牛顿环测液体的折射率 【摘要】本文结合牛顿环干涉原理测量空气折射率的方法，阐述了测量液体折射率的实验原理，并研究出了具体的测量方法，最后对水的折射率进行了测量，并得出了较为准确的测量结果。 一、实验目的： 牛顿环是一种典型的等厚薄膜干涉现象，能充分显示光的波动性。本文通过研究对比空气和水在牛顿环里发生的干涉现象，更新了液体折射率的测试方法，使牛顿环的应用更加丰富，开拓了物理实验的新视野。 二、设计原理 当以波长为x 的钠黄光垂直照射到平凸透镜上时，由液体膜上，下表面反射光的光程差以及干涉相消。 即暗纹条件： 式中e 为某一暗纹中心，所在处的液体膜厚度，k 为干涉级次。 利用图中的几何关系，可得：R r e 2/2= (r 为条纹半径），代入（1）式，有 ......)2,1,0(2/)12(2//2=+=+=n n R nr λλδ （2） 则暗纹半径......)2,1,0(/==n k nR r k λ （3） 若取暗纹观察，则第m ，k 级对应的暗环半径的平方 n mR r m /2λ= （4） k nR r n /2λ= （5） 两式相减得平凸透镜的曲率半径)/()(22n m n r r R n m --= （6）
观察牛顿环时我们也将会发现牛顿环中心由于形变，灰尘，水等的影响，中心不是一点，而是一个不甚清晰的暗或亮的圆斑。目因而圆心不易确定。故常取暗环的直径替 换。进而有λ)(4/)(22n m n D D R n m --= （7） 同理对于空气膜。则有λ)(4/2'2'n m D D R n m --= （8） 式（7）与式（8）相比，可得：)/()(222'2'n m n m D D D D n --= （9） 由（9）式可知，只要测出同一装置（相同的平凸透镜和平面的玻璃板）下的空气膜和液体膜的条纹直径，即可求出液体的折射率。 三、设计方案 1.调整实验装置 将牛顿环装置放在毛玻璃上。点燃钠光灯，调节显微镜前面的透光反射镜的角度，与水平面成045的角度，这样从目镜中看到明亮的光场旋转目镜旋钮，使分化板上的十字线位于目镜的交线上，即从目镜中看到清晰地十字线。缓慢转动手轮，使显微镜自下而上缓慢上移，直到从目镜中看到清晰地干涉图样，并使相与交叉丝无视差。略微移动牛顿环装置，使显微镜十字叉丝位于牛顿环中心。 2.实验操作 将牛顿环装置的凸透镜和平板玻璃拆开，用滴管在平板玻璃上滴一层待测液体，然后压上凸透镜。由于液体有表面张力，能够充满凸透镜和平板玻璃之间的空间。则现在凸透镜和平板玻璃之间形成了液体膜。将此装置放到显微镜的载物台上，调节手轮，使显微镜由低到高缓慢移动，直至在目镜中看到清晰地干涉条纹为止。由于液体膜压得不会很均匀。故在视场中的某个地方会出现一小块空气膜，其干涉花样如上面右图所示。 四、实验结果与分析 数据记录
课 题 用分光计测棱镜玻璃的折射率 教 学 目 的 1、使学生了解分光计的结构和原理，学会调节和使用分光计的方法。 2、使学生掌握测量棱镜顶角和最小偏向角的方法。 3、用最小偏向角法计算棱镜玻璃的折射率。 重 难 点 1、分光计的调节 2、最小偏向角的测量 教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合 学 时 4个学时 一、前言 分光计是一种精确测量光线偏转角度的光学仪器，常用来测量广波的波长、棱镜 的色散率等。分光计比较精密，调整部件较多，是一种具有代表性的基本光学仪器， 熟练掌握分光计的调整和使用，对一般光学仪器具有普遍的参考和指导作用。 折射率是介质材料光学性质的重要参量，测量的方法也很多，本实验通过测量三 棱镜的顶角和最小偏向角来求出棱镜玻璃的折射率。 二、实验仪器 JJY 型分光计，6.3V/220V 变压器，手持照明放大镜，双面镜、三棱镜、低压汞 灯及电源。 三、实验原理 三棱镜是分光仪器中的色散元件，其主截面是等腰三 角形，如图1所示，光线以入射角1i 投射到棱镜AB 面 上，经棱镜两次折射后，以2i 角从AC 面射出，出射光 线与入射光线的夹角δ称为偏向角。δ的大小随入射角1i 而改变。可以证明，当12i i =时，偏向角为极小值min δ称为棱镜的最小偏向角。它与棱镜的顶角 A 和折射率n 之间有如下关系： 四、实验内容及步骤 图1 光线在三棱镜中的折射
1、调节分光计 （１）调节的要求 分光计的调节要达到“三垂直”的几何要求和“三聚焦”的物理要求。“三垂直”是 指载物台平面、望远镜的主光轴、平行光管的主光轴必须与分光计主轴垂直。“三聚 焦”是指叉丝对目镜聚焦，即在目镜中能看到清晰的叉丝的像；望远镜对无穷远聚焦 即平面镜返回清晰的绿十字的像；狭缝对平行光管物镜聚焦，即在望远镜中看到清晰 的狭缝像。 （２）调节的步骤 ①参照图２，简要的介绍分光计的基本构造以及各部件的功能和调节方法。 ②目测粗调“三垂直”。 ③调叉丝对目镜聚焦。打开电源，让 照明小灯照亮望远镜视场。旋转目镜 同时眼睛从目镜中观察，直至看到叉 丝变清晰，此时叉丝正好位于目镜的 焦平面上。 ④调望远镜对无穷远聚焦。 ⑤调望远镜的主光轴与分光计主轴垂直。 ⑥调载物台平面与分光计主轴垂直。 ⑦狭缝对平行光管的物镜聚焦。 ⑧调平行光管主光轴与分光计主轴垂直。 ２、调节三棱镜的两个光学面平行于分光计主轴 将三棱镜放置于载物台上，使其每一个角对准一个调平螺钉，并使其非光学面对准平 行光管。采用“二分法”反复调节，直至AB 、AC 两面返回的绿十字像与调节用的 叉丝重合，此时棱镜的两光学面就平行于分光计主轴。 3、用自准法测三棱镜的顶角。 4、测量三棱镜的最小偏向角min δ。 五、数据表格及数据处理 入射光波长：546.1nm λ= 分光计分度值：'1 图2 分光计 1－物镜 2－分划板 3－目镜 4－小棱镜 5－小电珠 图3 自准自目镜
报告编号：LX-FS-A51476 《测定三棱镜折射率》物理实验报 告标准范本 The Stage T asks Completed According T o The Plan Reflect The Basic Situation In The Work And The Lessons Learned In The Work, So As T o Obtain Further Guidance From The Superior. 编写：_________________________ 审批：_________________________ 时间：________年_____月_____日 A4打印/ 新修订/ 完整/ 内容可编辑
《测定三棱镜折射率》物理实验报 告标准范本 使用说明：本报告资料适用于按计划完成的阶段任务而进行的，反映工作中的基本情况、工作中取得的经验教训、存在的问题以及今后工作设想的汇报，以取得上级的进一步指导作用。资料内容可按真实状况进行条款调整，套用时请仔细阅读。 【实验目的】 利用分光计测定玻璃三棱镜的折射率； 【实验仪器】 分光计，玻璃三棱镜，钠光灯。 【实验原理】 最小偏向角法是测定三棱镜折射率的基本方法之一，如图10所示，三角形ABC表示玻璃三棱镜的横截面，AB和AC是透光的光学表面，又称折射面，其夹角a称为三棱镜的顶角；BC为毛玻璃面，称为三棱镜的底面。假设某一波长的光线LD入射到
棱镜的AB面上，经过两次折射后沿ER方向射出，则入射线LD与出射线ER的夹角称为偏向角。 【实验内容与步骤】 1．调节分光计 按实验24一1中的要求与步骤调整好分光计。 2．调整平行光管 (1)去掉双面反射镜，打开钠光灯光源。 (2)打开狭缝，松开狭缝锁紧螺丝3。从望远镜中观察，同时前后移动狭缝装置2，直至狭缝成像清晰为止。然后调整狭缝宽度为1毫米左右（用狭缝宽度调节手轮1调节）。 (3)调节平行光管的倾斜度。将狭缝转至水平，调节平行光管光轴仰角调节螺丝29，使狭缝像与望远镜分划板的中心横线重合。然后将狭缝转至竖直方向，使之与分划板十字刻度线的竖线重合，并无视
表面等离子体共振波长 1.共振波长的基本求解思路 表面等离激元(SP)是指在金属和电介质界面处电磁波与金属中的自由电子藕合产生的振动效应。它以振动电磁波的形式沿金属和电介质的界面传播，并且在垂直离开界面的方向，其振幅呈现指数衰减。表面等离激元的频率与波矢可以通过色散关系联系起来。其垂至于金属和电解介质界面方向电磁场 可表达为: 式中表示离开界面的垂直距离，当时取+，时取一。式中为虚数，引起电场的指数衰减。波矢平行于方向，，其中为表面等离子体的共振波长。由表达式可见，当时，电磁场完全消失，并在时为最大值。 函数，以及电介质的介电常数来求解表面等离激元的的色散关系，由公式: ，可得到等离激元色散关系式为: ，如果假设和都为实数，且 ，则可获得一个较为复 杂的色散关系式 其中， (从实部可以计算SPPs 的波长 '2/x SPP K λπ=，SPPs 的传播距离SPP δ主要决定于虚部''2SPP SPPs k δ=
2. 金属表面等离体子频率的求解 当波矢较大或者时，的值趋向于21P SP ωωε=+ 对于自由电子气，，是金属体电子密度，是电子有效质 量，是电子电荷。因此，随增大而减小。 (1) 具有理想平面的半无限金属 全空间内电势分布满足拉普拉斯方程：由于在方向上介质和金属都是均匀的，所以可令解的形式为得拉普拉斯方程的解 由以及边界条件： 可以得到介质与金属相对电容率之间的关系： ,假设介质的相对电容率为与
频率无关的常数，由金属相对电容率的表示式可知因此金属表面等离体子频率为当介质为真空时，得到金属表面等离体子频率为 (2)金属中存在着大量的价电子，它们可以在金属中自由地运动．由于价电子的自由移动性及电子间存在着库仑相互作用，所以在金属内部微观尺度上必然存在着电子密度的起伏．由于库仑作用的长程性，导致电子系统既存在集体激发(即等离体子振荡)，也存在个别激发(即准电子)．而在小波矢近似下只存在集体激发，故可以将电子密度的傅里叶分量作为集体坐标来描述这种关联，在k 一0的极限下，有式中为单位体积内的电子数．由此方程可以得到金属内等离体子振荡频率 从以上讨论及推导可以看出，金属等离体子振荡实际上是在库仑作用参与下的高粒子数密度系统中电子的集体运动，等离体子就是电子集体振荡的能量量子．由于库仑势场是纵场，因此等离体子是纵振动的量子．以上所讨论的情况没有考虑到金属边界的影响，即认为金属是无限大的，计算得到的频率为块状金属中的体相等离体子频率． 3.金属介电常数的求解 (1)另外，根据Drude 自由电子气模型，理想金属的介电方程可写为: 22()1p i ωεωωτω =-- ,p ω是等离子体振荡频率,,τ是散射速率描述电子运动遭遇散射而引起的损耗， 161311.210/, 1.4510p rad s s ωτ-=?=?对于银,。 (2)球状金属的SP 介电常数可由以下公式给出: 式中为金属周围环境的介电常数。从公式可以得到无限多的模式，在 时得到最低阶介电模式。由于光子通过这些介电模式藕合进入SP ，
实验题目: 表面等离激元共振法测液体折射率实验预习报告与原始数据见纸质报告。 实验步骤： 1.调整分光计，实验部件安装和线路连接已经完成； 2.传感器中心调整 粗调：将微调座放到载物台上，固定好调节架后，在调节架中心放上准星， 调节载物台锁紧螺钉使激光光斑至粗调对准处，不断调节平行光管光轴水平调节螺钉与微调座的两颗微调螺钉，使当游标盘转动一圈时，激光光斑一直照在该处； 细调：调节平行光管光轴高低调节螺钉，使激光光斑射在细调对准处，不断调节平行光管与微调座使当转动游标盘一圈时，激光光斑一直射在该处； 中心调节：继续调节平行光管光轴高低调节螺钉，使激光光斑射在准星顶尖处，再次调节使转动游标盘一圈时，激光光斑一直射在顶尖处。 3.测量前准备调节 中心调节完毕后，移去准星，放入敏感元件，将游标盘和刻度盘调节到合适位置；调整敏感元件使光垂直入射至半圆柱棱镜中的镀金属膜上，拧紧游标盘止动螺钉；转动刻度盘使刻度盘0o对准游标盘0°；拧紧转座与刻度盘止动螺钉，松开游标盘止动螺钉，从此刻开始刻度盘始终保持不动，将游标盘转回至刻度盘所示65o 位置处锁定，测量前准备调节完毕。 4.测量读数 保持刻度盘和游标盘不动，转动望远镜支臂，观察功率计读数，记录其中的最大读数；保持刻度盘不动，移动游标盘从66°到88°,入射角没增加1°，记录功率计最大读数。
5.数据表格与数据处理 (1)数据表格自拟； (2)画出相对光强与入射角的关系曲线图； (3)比较不同溶液的共振角有何差异。 实验样本： 本实验采用样本为：纯净水；无水乙醇；水：乙醇=1: 1的乙醇溶液。 实验数据: 1.纯净水 角度(° ) 87 88 相对光强751 746
基于局域表面等离激元共振的金属纳米结构折射率传感 高灵敏度的折射率传感结构在生物化学传感等领域有着很大的潜在应用价值。因为金属纳米结构在表面等离激元共振(SPR)产生时会有明显的电磁场增强,所以在高灵敏度传感应用上受到广泛关注。 有两种SPR被用于折射率传感应用：传播的SPR(PSPR)和局域的SPR (LSPR)。由于传播SPR传感需要非常光滑的金属表面,所以对加工精度要求高。 因此,本文这里主要讨论基于LSPR的折射率传感。金属纳米结构的尖端在LSPR产生时会有很强的局域电场,因此带有尖端的金属纳米结构传感灵敏度很高。 本文第一部分工作中我们研究了带有四个尖端的X形金属纳米孔阵列结构的LSPR传感。实验和数值模拟的结果均证实了该结构拥有高折射率传感灵敏度。 此外特异介质结构在磁响应共振产生时也会有很强的局域电场,因此他们可以应用于高灵敏度折射率传感。本文余下的工作就是制备用于传感的特异介质结构。 金属纳米环形圆盘结构有很大的局域电场和周围用于传感的电介质环境相 互叠加的空间。X形金属纳米颗粒结构有四个尖端,在LSPR产生时会有很强的局域电场。 所以上面提的这2种结构都有很高的传感灵敏度。基于此,我们制备了由金属纳米环形圆盘、电介质层和金属膜以及由X形金属纳米颗粒、电介质层和金属膜组成的环形圆盘和X形2种特异介质结构。 实验测试和数值模拟证实了这2种结构有着非常高的传感灵敏度。本文的主要工作分为如下几个方面：1.X形金属纳米孔阵列折射率传感带有尖端的金属纳
米结构在产生LSPR共振时有着很强的局域电场。 这一现象使得局域的电场与周围电介质环境的相互作用就很强,因此这种结构有着高传感灵敏度。基于此,我们制备了带有四个相对尖端的X形金属纳米孔阵列结构。 四个尖端的存在使得电场在LSPR产生时被很好的局域和增强了。透射光谱的实验测试结果表明了该结构的折射率传感灵敏度可以达到945nm RIU-1,高于其他诸如圆环形和月亮形这样的拥有高折射率传感灵敏度的金属纳米结构。 我们通过使用电介质支撑柱将X形金属孔阵列支撑起来远离玻璃衬底来增加局域电场与周围用于传感的电介质环境的叠加区域,然后减少尖端间距进一步增强局域电场。经过这两步之后,该结构在近红外区域传感灵敏度达到了非常高的1398nm RIU-1。 这一高传感灵敏度使得该结构在芯片集成高灵敏度生物医学传感和光学集成器件中有很大的潜在应用。2.环形圆盘特异介质折射率传感由于磁共振的产生导致特异介质结构周围有很强的局域电场。 这使得局域的电场与周围用于传感的电介质环境有强相互作用。因此特异介质有很高的传感灵敏度。 环形圆盘金属纳米结构在LSPR共振时比其他如圆盘和球形金属纳米结构有着更大的局域电场与周围用于传感的电介质环境相互叠加的区域,因此该结构有更高的传感灵敏度。基于上面提的这两点,我们制备了在金属膜上由电介质层支撑的金属环形圆盘构成的特异介质结构。 反射光谱的测量表明该结构的传感灵敏度可达到1304nm RIU-1.我们通过增加电介质层的厚度和环形圆盘内半径进一步的增加局域电场和电介质环境相互
实验二十 分光计的调整和三棱镜折射率的测定 【实验目的】 1．了解分光计的结构,掌握调节和使用分光计的方法。 2．了解测定棱镜顶角的方法。 3．用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率。 【实验器材】 分光计、钠灯、三棱镜、双面平面镜。 【实验原理】 分光计是一种常用的光学仪器，实际上就是一种精密的测角仪，在几何光学实验中，主要用来测定棱镜角、光束的偏向角等，而在物理光学实验中，加上分光元件（棱镜、光栅）即可作为分光仪器，用来观察、测量光谱线的波长等。下面以学生型分光计（JJY 型）为例，说明它的结构、工作原理和调节方法。 一、分光计的结构 分光计主要由底座、望远镜、平行光管、载物平台和刻度圆盘等几部分组 成，每部分均有特定的调节螺钉，图5-11-1为JJY 型 分光计的结构外型图。 1．分光计的底座要求平稳而坚实。在底座的中央固定着中心轴，望远镜、刻度盘和游标内盘套在中心轴上，可以绕中心轴旋转。 2．平行光管固定在底座的立柱上，它是用来产生平行光的。其一端装有消色差的汇聚透镜，另一端装有狭缝的圆筒，狭缝的宽度根据需要可在0.02～2 图5-11-1 分光计 1-狭缝装置 2-狭缝装置锁紧螺钉 3-平行光管 4-制动架（一） 5-载物台 6-载物台调节螺钉（3只） 7-载物台锁紧螺钉 8-望远镜 9-目镜锁紧螺钉 10-分划板 11-目镜调节手轮 12-望远镜仰角调节螺钉 13-望远镜水平调节螺钉 14-望远镜微调螺钉 15-转座与刻度盘制动螺钉 16-望远镜制动螺钉 17-制动架（二） 18-底座 19-转座 20-刻度盘 21-游标盘 22-游标盘微调螺钉 23-游标盘制动螺钉 24-平行光管水平调节螺钉 25-平行光管仰角调节螺钉 26-狭缝宽度调节手轮
实验报告：测量玻璃折射率 高二（ ）班 姓名： 座号： 【实验目的】 1、明确测定玻璃砖的折射原理 2、知道测定玻璃砖的折射率的操作步骤 3、会进行实验数据的处理和误差分析 【实验原理】 如图所示，要确定通过玻璃砖的折射光线，通过插针法找出跟入射光线AO 对应的出射光线O 1B ，就能求出折射光线OO 1和折射角θ2， 再根据折射定律就可算出玻璃的折射率n=2 1 sin sin θθ。 【实验器材】 平木板、 白纸、 玻璃砖1块、 大头针4枚、 图钉4个、 量角器（或三角板或直尺）、 铅笔 【实验步骤】 1、把白纸用图钉钉在木板上。 2、在白纸上画一条直线ad 作为玻璃砖的上界面，画一条线段AO 作为入射光线，并过O 点 画出界面ad 的法线NN 1。 3、把长方形的玻璃砖放在白纸上，使他的一个长边ad 跟严格对齐，并画出玻璃砖的另一个 长边bc.。 4、在AO 线段上竖直插上两枚大头针P 1P 2. 5、在玻璃砖的ad 一侧再插上大头针P 3，调整眼睛观察的视线，要使P 3 恰好能挡住P 1P 2在 玻璃中的虚像。 6、用同样的方法在玻璃砖的bc 一侧再插上大头针P 4，使P 4能同时挡住P 3本身和P 1P 2的虚 像。 7、记下P 3、P 4的位置，移去玻璃砖和大头针。过P 3、P 4引直线O 1B 与bc 交于O 1点，连接 OO 1，OO 1就是入射光线AO 在玻璃砖内的折射光线的方向。入射角θ1=∠AON ，折射角θ2=∠O 1ON 1 8、用量角器量出入射角θ1和折射角θ2。查出入射角和折射角的正弦值，记录在表格里。
9、改变入射角θ1，重复上述步骤。记录5组数据，求出几次实验中测得的 2 1 sin sin θθ的平均值，就是玻璃的折射率。 【注意事项】 1、用手拿玻璃砖时，手只能接触玻璃砖的毛面或棱，不能触摸光洁的光学面，严禁把玻璃砖 当尺子画玻璃砖的另一边bc 。 2、实验过程中，玻璃砖在纸上的位置不可移动． 3、玻璃砖要选用宽度较大的，宜在5厘米以上，若宽度过小，则测量折射角度值的相对误差 增大；用手拿玻璃砖时，只能接触玻璃毛面或棱，严禁用玻璃砖当尺子画界面； 4、入射角i 应在15°~75°范围内取值，若入射角α过大。则由大头针P 1、P 2射入玻璃中的光 线量减少，即反射光增强，折射光减弱，且色散较严重，由玻璃砖对面看大头针的虚像将暗淡，模糊并且变粗，不利于瞄准插大头针P 3、P 4。若入射角α过小，折射角将更小，测量误差更大，因此画入射光线AO 时要使入射角α适中。 5、上面所说大头针挡住大头针的像是指“沉浸”在玻璃砖里的那一截，不是看超过玻璃砖上方 的大头针针头部分，即顺P 3、P 4的方向看眼前的直线P 3、P 4和玻璃砖后的直线P 1、P 2的虚像是否成一直线，若看不出歪斜或侧移光路即可确定。 6、大头针P 2、P 3的位置应靠近玻璃砖，而P 1和P 2、P 3和P 4应尽可能远些，针要垂直纸面， 这样可以使确定的光路准确，减小入射角和折射角的测量误差。 【实验数据】 实验数据处理的其他方法：
实验四旋光度和折光率的测定 一、实验目的 1、了解旋光仪的构造、使用方法，掌握旋光度的测定原理与方法。 2、了解阿贝折光仪的构造，使用方法，掌握有机物折光率的测定原理和方法。 二、实验原理 1、旋光度：某些有机物因具有手性分子，能使偏光振动平面旋转，这种性质称为物质的旋光性。具有旋光性的物质称为旋光性物质或光学活性物质。旋光性物质使偏光振动平面旋转的角度称为旋光角，旋光角附上旋转方向叫旋光度，常以α表示；使偏光振动平面向左旋转的为左旋，用（一）或ι表示；使偏光振动平面向右旋转的为右旋，用（+）或d表示。 2、旋光仪构造 旋光度可用旋光仪来测定，其构造一般包括： a.单色光源：产生单色光，一般用钠光灯 b.起偏镜：产生偏振光 c.半波片：将偏振光束分成三分视场 d.样品管：盛放样品溶液 e.检偏镜 f.目镜 g.刻度盘 3、旋光度的大小除决定于物质的本性外，还与测定时的条件有关。旋光度随溶液的浓度或液体的密度d、测定时的温度t，所用光的波长λ，盛液管的长度ι及溶剂的性质等因素而改变。为比较物质的旋光性，需以一定条件下的旋光度作为基准。通常规定：1cm3含1g旋 t表光性物质的溶液放在1dm长的盛液管中测得的旋光度叫做该物质的比旋光度，并用[α] λ示，对某一物质来说，比旋光度是一个定值，它与旋光度的关系如下： α 纯液体的比旋光度[α]λt= d l. α 溶液的比旋光度[α]λt= c l. 比旋光度是物质特性常数之一。因此可以通过测定旋光度，来鉴定旋光性物质的纯度和含量；也可与其它方法结合起来确定未知物是何种物质。
4、折光率：光在空气中的速率和在另一物质中的速率之比称为折光率。 一种介质的折光率(n)就是光线从真空进入这种介质时入射角（α）和折射角（β）的正旋光度 折光率是有机化合物重要的特性常数。固体、液体和气体都有折光率，它不仅作为物质纯度的标准，也可用来鉴定未知物。 物质的折光率随入射光的波长与测定时的温度不同而变化。通常温度升高1℃，折光率降低3.5—5.5×10-14，光源一般采用钠光源。 5、阿贝折射仪的构造 结合仪器具体讲解，主要有放大镜、刻度尺、望远镜、消色镜、直角棱镜、反射镜等。 三、仪器与试剂 1、仪器 WZX-1光学度盘旋光仪、阿贝折光仪 2、试剂蒸馏水、10%葡萄糖、未知浓度的葡萄糖溶液、重蒸馏水、丙酮、待测液 四、实验步骤 1、旋光度的测定 (1)预热开始测量前，须将电源开关推到“开”的位置，预热5—10min，直至钠光灯已充分受热。 (2)旋光仪零点的校正在测定样品前，必须先校正旋光仪零点。先将旋光管洗净，装上蒸馏水，使液面凸出管口，将玻璃盖沿管口边缘轻轻平推盖好，不能带入气泡。然后旋上螺丝帽盖，使之不漏水。但注意不可旋得过紧，以免玻璃盖产生扭力而影响读数正确性。将已装好蒸馏水的样品管擦干，放入旋光仪内，罩上盖子。将标尺盘调到零点左右，调节手轮使视场亮度达到一致，此时读数应为零，由于使用者对其感觉不一，此读数可能为某一数值（即为初读数）记下读数。重复操作至少5次，取其平均值即为零点。若零点相差太大，应重新校正。 (3)旋光度的测定取已准确配制的10%葡萄糖液，按上述方法装入已洗净的旋光管中（先用蒸馏水洗干净，再用所测溶液洗涤几次）。把旋光管放入旋光仪里，转动手轮，使三部分亮度不同的视场重新调至亮度一致为止，记下读数。这时所得的读数与零点（初读数）之间的差值，即为该溶液的旋光度。再记下旋光管的长度及溶液的浓度，然后按公式计算其比旋光度。 取未知浓度的葡萄糖溶液，按同样的方法测定旋光度，然后利用上边求出的比旋光度计