科普专栏:如何使用测距仪测量玻璃和水的折射率

文摘   2024-09-19 11:58   江苏  
2024年“全国科普日”集中开展时间是9月15日-9月25日,主题是:提升全民科学素质 协力建设科技强国。作为中国仪器仪表学会授权的科普基地,积极响应学会号召,策划和组织有效的线下科普活动之外,还利用公众号形式推送科普内容,提升公众对仪器仪表学科及其广泛应用的认识和理解。
作者简介:
1、刘书钢,黑龙江大学教授、锐光凯奇首席专家,在教学上提出了“开球理论”,即实验走入课堂,取得了比较好的教学效果。
2、孔志蕾,2007年毕业于四川师范大学物理专业,现就职于河北南宫中学。在自制教具和实验说课比赛中多次获得省级一等奖、市级一等奖。


折射率,光在真空中的传播速度与光在该介质中的传播速度之比。这是光学里非常重要的一个参数。高中和本科教科书里都介绍了折射率的概念,常用材料的折射率如图1所示:

图1 常用材料的介质折射率数值

光程可理解为在相同时间内光线在真空中传播的距离。在传播时间相同或相位改变相同的条件下,把光在介质中传播的路程折合为光在真空中传播的相应路程。在数值上,光程等于介质折射率乘以光在介质中传播的路程。图2是入射的光线在真空和火石玻璃介质中的光程数值(mm):

图2 入射光线在真空和火石玻璃介质中的光程数值(单位mm)

激光测距仪:随着激光技术的广泛应用,手持激光测距仪已经走入了日常生活,价格也是降到几十块的水平。激光测距仪主要基于测量光往返目标所需要的时间,然后通过光速和大气折射系数计算出距离。这种测量方式可以分为几种不同的方法,常用的是相位法,是通过测量连续波的相位变化来计算距离。这种方法涉及到调制的连续信号通过激光器发射出去,遇到目标障碍物反射回来,接收器接收信号,主控单元通过测量光束往返中产生的相位变化,计算出目标的距离。测量过程都需要保证被测物体平面与光线尽可能垂直,以确保返回信号的强度足够大,从而获得精确的距离测量。图片3是本次推送内容中使用的测距仪:

图3 激光测距仪


实际测量例子1:测量玻璃的折射率

图4是一块玻璃(亚克力)镇尺,长度是400mm,
图4 待测量样品

使用图3的测距仪,参考图2的原理可以实现待测材料介质的折射率测量,光线在玻璃走过的光程=Nglass *400,不难得出玻璃的折射率 Nglass=光线在玻璃走过的光程/400, 图5光线在玻璃走过的光程测量数值是599mm。

图5 测量玻璃折射率的过程

因此Nglass=599/400=1.497,这与亚克力材料折射率非常的接近。


实际测量例子2:测量水的折射率

为了测量水的折射率,首先准备了如图5的容器:

图5 测量水折射率的容器
测量水的折射率要比测量实际例1略微复杂一点,因为容器有二个壁厚要考虑,具体的测量原理如图6所示:
图6 测量原理
图中A是容器的壁厚,L是水在容器中的长度,Nglass是容器材料的折射率,Nwater是待求水的折射率,Lair是没有注水时的测量长度(光程),Lwater是注水后的测量长度(光程)。根据光程的定义,从图6可以看出测量关系:
Lwater=2*A*Nglass+L*Nwater (1)
Lair=2*A*Nglass+L               (2)
(1)-(2)可得:
Lwater - Lair =L*(Nwater - 1)
整理后可得:
Nwater =1+Lwater - Lair)/L (3)
从式(3)可知,只要使用测距仪分别测量Lwater和Lair的数值,就可以计算得到水的折射率Nwater,图6中L=200mm,因此水的折射率为Nwater =1 +(Lwater - Lair)/200,视频1是测量过程的视频。
视频1 测量过程
视频里实际测量的Lwater 、 Lair数值分别为288和216,带入到(3)里计算出水的折射率为1.36。1.36与公称水的折射率1.33相比大概是有2%的误差,作为科普实验是可以接受的。误差来源主要还是测距仪的精度,以及被测平面(纸面)与光线垂直误差。

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