CN106370624A - 一种测量液体折射率的实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量液体折射率的实验方法及装置，所述装置包括装置本体、液体盛装盒、激光笔架、激光笔和移动装置；所述装置本体由并列设置的内槽和外槽组成，液体盛装盒设置于内槽中，并可在移动装置作用下沿内槽两侧槽壁移动；液体盛装盒是横截面为矩形的透明盒体，沿移动方向的盒体后壁的内侧中心部位设有反光片，对应盒体后壁外设有移动装置；激光笔通过激光笔架固定在外槽中，激光笔光线发射端朝向反光片一侧，激光笔与反光片中心等高设置。本发明通过实验装置将角度测量转化为距离测量，且实验装置结构简单，测量过程简捷，测量精确度高。

Description

一种测量液体折射率的实验方法及装置

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种测量液体折射率的实验方法及装置。

背景技术

在食品、化工，医药等行业，生产过程中经常要检测液体的浓度，大多数液体的折射率和浓度有一定的关系。液体折射率常用阿贝折射计、分光计等仪器进行测量。虽然阿贝折射计精度高，但结构复杂、造价较高；分光计虽然对折射角测量准确，但其调试难度大，因此使用有一定的局限性，特别在医药行业，对于液体浓度测量的精确度要求较高时，往往达不到要求。本发明测量液体折射率的实验方法简捷、成本低廉、精确度高，在工业生产中有实用意义。

折射定律中的入射角在实验操作中能准确控制，但是要准确测量液体的折射角有一定的难度，而折射角的测量对于求折射率又很关键。本发明将角度的测量转化为了长度的测量，很好的解决了折射角的测量问题。

发明内容

本发明提供了一种测量液体折射率的实验方法及装置，通过实验装置将角度测量转化为距离测量，且实验装置结构简单，测量过程简捷，测量精确度高。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种测量液体折射率的实验方法，包括如下步骤：

1)采用专用的实验装置进行液体折射率的测量，实验装置设液体盛装盒、激光笔架和激光笔，液体盛装盒为横截面为矩形的透明盒体，用于盛装待测液体；液体盛装盒外设有移动装置，移动装置可带动液体盛装盒直线移动；液体盛装盒盒体对应安装移动装置的后壁内侧中心部位设有反光片，激光笔架用于固定激光笔，激光笔与反光片中心等高设置；

2)测量时，将激光笔通过激光笔架固定在与设有反光片盒体后壁相邻的液体盛装盒一侧；液体盛装盒内先不注入液体；让激光笔的光线从该侧盒体侧壁以45°角入射，并打在反光片事先标记好的中点位置，根据反射定律，光线的出射角也为45°；

3)向液体盛装盒内加入待测液体，并使待测液体顶面没过反光片；此时，由于激光笔的入射光线在待测液体中发生偏折,其在反光片上的折射点偏离了反光片的中点位置；通过移动装置调整液体盛装盒的位置，使其前后移动，直到激光笔的入射光线重新打到反光片的中点位置；记录液体盛装盒移动的距离，移动距离的测量精度为0.001cm；

4)设装有反光片一侧的液体盛装盒的边长为a，液体盛装盒移动的距离为x，待测液体的折射角为θ，待测液体的折射率为n，可推导出：

$\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}=\frac{\frac{a}{2}-x}{\sqrt{{\left(\frac{a}{2}-x\right)}^2+{\left(\frac{a}{2}\right)}^2}}\\ =\frac{a-2x}{\sqrt{a^2+{\left(a-2x\right)}^2}}\end{array}$

又因为：sin45°＝nsinθ

所以，待测液体的折射率为：

5)实验数据分析；

a)百分误差的计算；

采用准确率很高的阿贝折射计测得的液体折射率，并将其作为标定值，记为n′；与该实验方案进行比较，得到百分误差为；

b)不确定度的计算；

由于偶然误差产生的A类不确定度为:

由于***误差产生的B类不确定度可以忽略不计；

由不确定度的传递公式得标准不确定度为：

$u_c\left(n\right)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left(\frac{\∂n}{\∂x_i}\right)}^{2}u{\left(x_i\right)}^2};$

6)最终可得待测液体的折射率为：其中为多次重复实验测得的折射率平均值。

用于所述方法的一种测量液体折射率的实验装置，包括装置本体、液体盛装盒、激光笔架、激光笔和移动装置；所述装置本体由并列设置的内槽和外槽组成，液体盛装盒设置于内槽中，并可在移动装置作用下沿内槽两侧槽壁移动；液体盛装盒为横截面为矩形的透明盒体，沿移动方向的盒体后壁的内侧中心部位设有反光片，对应盒体侧壁外设有移动装置；激光笔通过激光笔架固定在外槽中，激光笔光线发射端朝向反光片一侧，激光笔与反光片中心等高设置。

所述移动装置由螺杆和手柄组成，螺杆一端穿出内槽槽壁与手柄固定连接，另一端顶紧在液体盛装盒盒体外侧。

所述移动装置手柄上设有指针，对应的内槽槽壁外侧设有刻度盘。

所述装置本体及液体盛装盒均采用透明亚克力材料制作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过实验装置能够将角度测量转化为距离测量，且测量精度高；

2)通过液体盛装盒尺寸的增加能够有效地提高测量液体折射率的精度；

3)实验装置结构简单，制作成本低，操作方便，测量过程简捷。

附图说明

图1是本发明所述测量液体折射率的实验装置的结构示意图。

图2是本发明所述测量液体折射率的实验方法的原理图。

图中：1.内槽 2.外槽 3.液体盛装盒 4.反光片 5.激光笔架 6.激光笔 7.螺杆8.手柄 9.刻度盘

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述一种测量液体折射率的实验方法，包括如下步骤：

1)采用专用的实验装置进行液体折射率的测量，实验装置设液体盛装盒3、激光笔架5和激光笔6，液体盛装盒3为横截面为矩形的透明盒体，用于盛装待测液体；液体盛装盒3外设有移动装置，移动装置可带动液体盛装盒3直线移动；液体盛装盒3盒体对应安装移动装置的后壁内侧中心部位设有反光片4，激光笔架5用于固定激光笔6，激光笔6与反光片4中心等高设置；

2)测量时，将激光笔6通过激光笔架5固定在与设有反光片4盒体后壁相邻的液体盛装盒3一侧；液体盛装盒3内先不注入液体；让激光笔6的光线从该侧盒体侧壁以45°角入射，并打在反光片4事先标记好的中点位置，根据反射定律，光线的出射角也为45°；

3)向液体盛装盒3内加入待测液体，并使待测液体顶面没过反光片4；此时，由于激光笔6的入射光线在待测液体中发生偏折,其在反光片4上的折射点偏离了反光片4的中点位置；通过移动装置调整液体盛装盒3的位置，使其前后移动，直到激光笔6的入射光线重新打到反光片4的中点位置；记录液体盛装盒3移动的距离，移动距离的测量精度为0.001cm；

4)设装有反光片4一侧的液体盛装盒3的边长为a，液体盛装盒3移动的距离为x，待测液体的折射角为θ，待测液体的折射率为n，可推导出：

$\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}=\frac{\frac{a}{2}-x}{\sqrt{{\left(\frac{a}{2}-x\right)}^2+{\left(\frac{a}{2}\right)}^2}}\\ =\frac{a-2x}{\sqrt{a^2+{\left(a-2x\right)}^2}}\end{array}$

又因为：sin45°＝nsinθ

所以，待测液体的折射率为：

5)实验数据分析；

a)百分误差的计算；

采用准确率很高的阿贝折射计测得的液体折射率，并将其作为标定值，记为n′；与该实验方案进行比较，得到百分误差为；

b)不确定度的计算；

由于偶然误差产生的A类不确定度为:

由于***误差产生的B类不确定度可以忽略不计；

由不确定度的传递公式得标准不确定度为：

$u_c\left(n\right)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left(\frac{\∂n}{\∂x_i}\right)}^{2}u{\left(x_i\right)}^2};$

6)最终可得待测液体的折射率为：其中为多次重复实验测得的折射率平均值。

用于所述方法的一种测量液体折射率的实验装置，包括装置本体、液体盛装盒3、激光笔架5、激光笔6和移动装置；所述装置本体由并列设置的内槽1和外槽2组成，液体盛装盒3设置于内槽1中，并可在移动装置作用下沿内槽1两侧槽壁移动；液体盛装盒3为横截面为矩形的透明盒体，沿移动方向的盒体后壁的内侧中心部位设有反光片4，对应盒体侧壁外设有移动装置；激光笔6通过激光笔架5固定在外槽2中，激光笔6光线发射端朝向反光片4一侧，激光笔6与反光片4中心等高设置。

所述移动装置由螺杆7和手柄8组成，螺杆7一端穿出内槽1槽壁与手柄8固定连接，另一端顶紧在液体盛装盒3盒体外侧。

所述移动装置手柄8上设有指针，对应的内槽1槽壁外侧设有刻度盘9。

所述装置本体及液体盛装盒3均采用透明亚克力材料制作。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本发明所述一种测量液体折射率的实验方法的原理是基于折射定律和反射定律。在常规实验操作中，折射定律中的入射角能准确控制，但是要准确测量液体的折射角有一定的难度，而折射角的测量对于求折射率又很关键。本发明采用把角度测量转化为距离测量的方法，使折射角的测量变得简单，准确。

如图2所示，根据本发明的设计原理，对于某一待测液体，我们需要测得液体盛装盒3的移动距离x。为使实验数据更准确，每一种待测液体将反复测量多次，将得到的多组数据求平均值然后根据测量值求出sinθ，最终求出液体折射率n。

一、实验室的自然条件：温度24℃ 湿度72％ 气压100.4kPa。

二、实验步骤：

1)组装实验装置；液体盛装盒3采用横截面为矩形的透明亚克力材料制作，且短边边长大于长边边长的1/2。反光片4设置在长边上。

2)首先液体盛装盒3内不放待测液体，让激光笔6的入射光线以45°角入射，并打在反光片4事先标记好的中点位置上；

3)往液体盛装盒3内倒入适量的待测液体，使其顶面没过反光片4，由于液体折射角的存在，反光片4上的折射点偏离了中点位置；

4)光源的位置不动，旋转螺杆7，推动液体盛装盒3移动，直到光线重新打在反光片4标记的中点位置处；记录螺杆7旋进的圈数，并换算成液体盛装盒3的移动距离x；

5)重复2)-4)的实验步骤，得到5组数据。

三、实验数据如表1所示；

表1液体盛装盒移动距离x及平均值

四、实验数据分析

本实施例中，由于液体盛装盒3移动距离的测量精度为0.001cm，液体盛装盒3设有反光片4一侧的边长a足够大，且液体盛装盒3制作精细，n与标定值n′相差很小，所以在进行不确定度计算时将B类不确定度忽略不计。

根据实验数据，得到如表2所示的实验样品折射率的误差与结果；

表2实验误差分析及结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量液体折射率的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采用专用的实验装置进行液体折射率的测量，实验装置设液体盛装盒、激光笔架和激光笔，液体盛装盒为横截面为矩形的透明盒体，用于盛装待测液体；液体盛装盒外设有移动装置，移动装置可带动液体盛装盒直线移动；液体盛装盒盒体对应安装移动装置的后壁内侧中心部位设有反光片，激光笔架用于固定激光笔，激光笔与反光片中心等高设置；

2)测量时，将激光笔通过激光笔架固定在与设有反光片盒体后壁相邻的液体盛装盒一侧；液体盛装盒内先不注入液体；让激光笔的光线从该侧盒体侧壁以45°角入射，并打在反光片事先标记好的中点位置，根据反射定律，光线的出射角也为45°；

3)向液体盛装盒内加入待测液体，并使待测液体顶面没过反光片；此时，由于激光笔的入射光线在待测液体中发生偏折,其在反光片上的折射点偏离了反光片的中点位置；通过移动装置调整液体盛装盒的位置，使其前后移动，直到激光笔的入射光线重新打到反光片的中点位置；记录液体盛装盒移动的距离，移动距离的测量精度为0.001cm；

4)设装有反光片一侧的液体盛装盒的边长为a，液体盛装盒移动的距离为x，待测液体的折射角为θ，待测液体的折射率为n，可推导出：

$\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}=\frac{\frac{a}{2}-x}{\sqrt{{\left(\frac{a}{2}-x\right)}^2+{\left(\frac{a}{2}\right)}^2}}\\ =\frac{a-2x}{\sqrt{a^2+{\left(a-2x\right)}^2}}\end{array}$

又因为：sin45°＝nsinθ

所以，待测液体的折射率为：

5)实验数据分析；

a)百分误差的计算；

采用准确率很高的阿贝折射计测得的液体折射率，并将其作为标定值，记为n′；与该实验方案进行比较，得到百分误差为；

b)不确定度的计算；

由于偶然误差产生的A类不确定度为:

由于***误差产生的B类不确定度可以忽略不计；

由不确定度的传递公式得标准不确定度为：

$u_c\left(n\right)=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{\left(\frac{\∂n}{\∂x_i}\right)}^{2}u{\left(x_i\right)}^2};$

6)最终可得待测液体的折射率为：其中为多次重复实验测得的折射率平均值。

2.用于权利要求1所述方法的一种测量液体折射率的实验装置，其特征在于，包括装置本体、液体盛装盒、激光笔架、激光笔和移动装置；所述装置本体由并列设置的内槽和外槽组成，液体盛装盒设置于内槽中，并可在移动装置作用下沿内槽两侧槽壁移动；液体盛装盒为横截面为矩形的透明盒体，沿移动方向的盒体后壁的内侧中心部位设有反光片，对应盒体侧壁外设有移动装置；激光笔通过激光笔架固定在外槽中，激光笔光线发射端朝向反光片一侧，激光笔与反光片中心等高设置。

3.根据权利要求2所述的一种测量液体折射率的实验装置，其特征在于，所述移动装置由螺杆和手柄组成，螺杆一端穿出内槽槽壁与手柄固定连接，另一端顶紧在液体盛装盒盒体外侧。

4.根据权利要求2所述的一种测量液体折射率的实验装置，其特征在于，所述移动装置手柄上设有指针，对应的内槽槽壁外侧设有刻度盘。

5.根据权利要求2所述的一种测量液体折射率的实验装置，其特征在于，所述装置本体及液体盛装盒均采用透明亚克力材料制作。