用偏振光测定液体的折射率.docVIP

李克英 1 平 2 李万民 3 朱 ( 11云南省楚雄师范学院物理与电子科学系 , 云南 楚雄 675000; 21云南省思茅师范专科学校物理系 , 云南 思茅 665000; 31云南师范大学物理与电子信息学院 , 云南 昆明 650092 ) 摘 要 : 在薄膜介质折射率测定的实验中 , 加入了用偏振光测定液体的折射率的内容 , 既充实 了这个题目的实验内容又使学生加深了对布儒斯特定律的理解 , 并给出了一种测量液体折射率的新 方法 。 关键词 : 偏振光 ; 折射率 ; 甘油 ; 布儒斯特定律 中图分类号 : O43 文章标识码 : A 文章编号 : 1671 - 7406 ( 2006 ) 12 - 0058 - 04 1 引言 折射率是表征介质光学性质的物理量 , 折射率的测定是几何光学中的重要问题 。在普通物理实验中 , 薄膜 介质折射率的测定是一个必做的基础性实验 , 我们把用偏振光测定液体的折射率的内容加到其中 , 既充实了这 个题目的实验内容 , 又给出了一种测量液体折射率的新方法 。测定液体折射率的方法通常有 : 掠入射法 、等厚 干涉法 、利用折射定律法 、应用全反射法 、阿贝折射计等 。[ 1 ]这些方法各有其优点和缺点 , 而用偏振光测定液 体的折射率的方法不但所需实验器材简单而且测得结果准确度高 。经实验证明是一种切实可行的新方法 。 2 实验原理 透过偏振片的光线中只剩下与其透振方向平行的振动 , 这种只包含单一振动方向的光叫做线偏振光 。因线偏 振光中沿传播方向各处的振动矢量维持在一个平面 (振动面 ) 内 , 故线偏振光又叫平面偏振光 。[ 2 ] 当一束波长为 λ 的平面偏振光从空气入射到折射率为 n的介质表面上 , 如果平面偏振光的偏振面平行于入射面 (简称 TM 波 ) , 当 [ 2 ] 光线的入射角为布儒斯特角 iB , 这时入射的平面偏振光在界面上将不反射而全部进入介质内 。 根据布儒斯特定 律 , 入射角 iB 的正切等于对应波长 λ介质的折射率 n, 即 tg iB = n ( 1 ) [ 3 ] 因此 , 若改变 TM 波的入射角 , 当反射光强为零时 , 即可确定布儒斯特角 iB , 由 ( 1) 式求得介质的折射率 n。 这种方法虽然简便 , 但精度较低 , 而且应用这种方法测量液体的折射率时 , 还将遇到新的困难 。[ 4 ] 这是由于 TM 波 在液膜表面虽不发生反射 , 但在液膜和基片的界面上仍有反射光透过液膜层而折回到空气中 , 透射光干扰了对 iB 的准确测定 。如果在一块平面玻璃基片上 , 局部区域涂上待测液膜 , 如图 1中 ( a ) 所示 , 当用 TM 波照明时 , 迎着反 射光观察玻璃基片的表面 , 由于液膜层和玻璃表面的反射系数不同 , 故能看见液膜区与非液膜区界线分明 。当光 线的入射角等于布儒斯特角 iB 时 , 如图 1中 ( b) 所示 , TM 波在液膜前表面虽然没有反射光 , 但是进入液膜层的光 可在液膜层后表面反射回来 。 根据菲涅耳公式 , 液膜层与玻璃上的振幅反射系数 Υp 为 ng cos i - n cos ig Υp = n cos i + ncos i ( 2 ) g g 3 收稿日期 : 2006 - 10 - 27 作者简介 : 李克英 ( 1956 —) , 男 , 云南洱源人 , 楚雄师范学院物理系副教授 , 主要从事物 理基础教育教学及研究工作 。 [ 5 ] 式中 ng 为基片玻璃折射率 , i为光线从液膜层射向基片的入射角 , ig 为在基片中的折射角 。当射入液膜层光 π 线的入射角为 iB 时 , 应用 i + iB = 2 和折射定律 s in iB = ns in i, 可得 cosi = s in iB , s in i = cos iB , 代入 ( 2 ) 式 , 则有 ng cos iB - cos ig Υp ( 3 ) = n cos i + cos i g B g 而 TM 波在空气 ———玻璃界面的反射系数 Υ′p 为 ng cos iB - cos i′g Υ′p = n cos i + cos i′ ( 4 ) g B g 由非镀液膜区与镀液膜区的折射定律 s in iB 比较 ( 3) 式和 ( 4 ) 式 , 显然 Υp = Υ′p = ng s in i′g 和 ng s in ig = n s in i = s in i