空气折射率的计算
用迈克尔逊干涉原理测量空气折射率
用迈克尔逊干涉原理测量空气折射率摘 要:空气的折射率与真空的折射率(等于1)非常接近。
用一般的方法很难测出其差值一确定空气的折射率。
但用光的干涉法即可以精确地测出来。
比如用迈克尔逊干涉仪对折射率的变化的敏感性,可以准确地测出空气的折射率。
关键词:研究型物理实验;迈克耳逊干涉仪;空气折射率;一、原理迈克尔逊干涉仪的原理见上图。
光源S 发出的光束射到分光板1G 上,1G 的后面镀有半透膜,光束在半透膜上反射和透射,被分成光强接近相等、并相互垂直的两束光。
这两束光分别射向两平面镜1M 和2M ,经它们反射后又汇聚于分光板1G ,再射到光屏E 处,从而得到清晰的干涉条纹。
平面镜1M 可在光线1的方向上平行移动。
补偿板2G 的材料和厚度与1G 相同,也平行于1G ,起着补偿光线2的光程的作用。
如果没有2G ,则光线1会三次经过玻璃板,而光线2只能一次经过玻璃板。
2G 的存在使得光线1、2由于经过玻璃板而导致的光程相等,从而使光线1、2的光程差只由其它几何路程决定。
由于本实验采用相干性很好的激光,故补偿板2G 并不重要。
但如果使用的是单色性不好、相干性较差的光,如纳光灯或汞灯,甚至白炽灯,2G 就成为必需了。
这是因为波长不同的光折射率不同,由 分光板1G 的厚度所导致的光程就会各不一样。
补偿板2G 能同时满足这些不同波长的光所需的不同光程补偿于是反射光束1与透射光束2在空间相遇,发生干涉。
当光束垂直入射至M1,M2镜时,两光束的光程差δ=2(n 1L 1-n 2L 2) (1) 式中n 1和n 2分别是路程L 1,L 2上介质的折射率。
设单色光在真空中的波长为λ,当δ=k λ,k=0,1,2,3,…时干涉加强相应的接收屏中心的光强为极大。
由式(1-1)知,两束相干光的光程差不但与几何路程有关,还与路程上介质的折射率有关。
计算公式 n=1+(N λ/2L)*(P amb /ΔP )其中已知条件L=80mm ,P amb =101325Pa , λ=632.8nm 由公式可知只要N ,ΔP 知道就能求出折射率n .当ΔP 改变时,光程相应的改变,并引起干涉圆环“涌出”或“缩进”N 条.二、测量P与N1.在光学平台上按设计实验装置示意图摆好光路。
气体的折射率
气体的折射率折射是指光线穿过介质时方向改变的现象,折射率是介质对光线的折射能力的一种度量。
气体是一种透明的介质,也能发生折射,因此常常需要计算气体的折射率。
气体的折射率与气体的密度、压强、温度、组成等因素有关,下面将从物理角度介绍气体的折射规律。
1. 空气折射率空气是由氧气、氮气、二氧化碳等成分构成的混合物,当光线从空气射入另一种介质时,会发生折射现象。
空气折射率的公式为:其中,$T$为空气的温度,单位为$^\circ C$。
该公式是一个经验公式,可以用来计算大气折射率的近似值。
当空气温度为20$^\circ C$,压强为1 atm时,空气折射率的值约为1.000293。
2. 气体折射率与密度、压强的关系根据理想气体状态方程,气体的密度$\rho$与压力$p$、温度$T$有关,即:$\rho=\frac{pM}{RT}$其中,$M$为气体的摩尔质量,$R$为气体常数。
根据气体光学理论,气体折射率$n$与气体密度$\rho$成正比,即:$n=\sqrt{1+3.913\times10^{-3}\rho}$因此,气体折射率$n$与气体压强$p$、温度$T$、摩尔质量$M$有密切的关系。
一般情况下,气体折射率的变化主要由温度和压强的变化引起。
气体折射率还与光线的波长$\lambda$有关。
波长越短,折射率越大。
例如,对于空气,在400 nm的紫光和700 nm的红光中,折射率的差异约为0.00007。
这种差异对于大多数光学应用而言是可以忽略不计的,但对于极高精度的光学测量而言则很重要。
气体的组成也会影响气体的折射率。
例如,氢气的折射率比空气低,但氦气的折射率比空气高,这是因为气体的电子极化作用不同所导致的。
在常温常压下,空气的氮气和氧气含量比例基本保持不变,因此空气折射率对于大多数实际应用而言是恒定的。
但在高空、高温、高压等极端环境下,气体的组成和密度都会发生改变,因此气体折射率也会相应变化。
总之,气体的折射率与气体的密度、压强、温度、组成等因素有关,需要具体情况具体分析。
大气折射的计算
大气折射的计算大气折射的计算公式是: n, logλ, n为物体质量,λ为波长。
2。
在介质中传播时,只要介质和光有一定的折射率,则在不同的波长下具有不同的折射率,其折射率的大小与波长的四次方成反比。
折射率越小,折射率越大;折射率越大,折射率越小。
这就是光的折射现象。
3。
物理光学实验测出来的是不同频率的电磁波的折射率的数据,一般情况下,在其他条件相同的情况下,物体的折射率越大,光路越曲折,传播的速度越小,反之亦然。
2。
4。
反射光线、入射光线和法线在同一平面内,法线是特殊的入射光线和法线。
5。
在折射现象中,反射角等于入射角。
6。
当光由空气斜射入水或其他介质表面时,传播方向发生偏折。
其偏折角遵从下面的规律:一般来说,折射角小于入射角,在光疏媒质中,折射角小于零,在光密媒质中,折射角大于零。
7。
人们通常用入射角来度量光线与法线的夹角,叫做入射角。
入射角等于折射角。
在有些情况下,用入射角和折射角共同度量,称为共轭入射角。
入射角越大,折射角也越大;入射角越小,折射角也越小。
8。
折射定律指出,在折射现象中,折射角与入射角的正弦之比,叫做折射率,简称折率。
4。
根据折射定律,在同一种均匀介质中,折射率随波长的增加而增大。
在粗糙的表面上的折射率比在光滑的表面上的折射率大。
物体对光的折射能力不仅跟光的波长有关,还跟光的密度和介质的种类等因素有关。
不同颜色的物体,它们对光的折射能力是不同的。
红、橙、黄色物体对光的折射能力最强,紫色物体最弱。
9。
通常用折射率n=1/n(1/空气)、 n=1.2alm(1/水)、n=1.4elm(1/玻璃)、 n=1.82mmn(1/石英)、 n=1.990nm(1/光导纤维)。
10。
折射率n的单位是: cm(英); 1.0cm(厘米)=1/1.1cm=1/9。
在国际单位制中,厘米的符号是m。
表示质点质量的物理量叫做质量。
质量是物质的一种基本属性,它的国际单位是千克( kg)。
折射率测定的原理
折射率测定的原理
折射率是光线在不同介质中传播时的速度差,通常用折射率来描述光在不同介质中的传播状况。
测定折射率的原理主要是基于光的折射定律以及斯涅尔定律。
折射定律表明了光线从一种介质射入另一种介质时的折射规律,即入射角、折射角和两种介质的折射率之间的关系。
斯涅尔定律则描述了光线在垂直于界面的方向上的折射规律,根据这个定律,当光线从空气射入透明介质中时,可以利用下面的公式来计算折射率:
折射率 = sin(入射角) / sin(折射角)
为了测定折射率,通常需要使用一种被称为折射计的仪器。
折射计中包含一个透明的折射棱镜,光线通过棱镜时会发生折射,因此折射角可以测量出来。
对于测量折射率来说,常用的方法是通过改变入射角度,来测量折射角并计算出相关的折射率。
一种常用的折射率测定方法是通过斯涅尔法,这种方法使用一个旋转的半透明镜片和一个尺度,用来测量入射角和折射角。
首先,将光线从空气中射入透明介质,透过半透明镜片发射出来,然后利用尺度测量入射角和折射角。
通过记录不同入射角对应的折射角,再利用上述折射公式求解,就可以得到不同入射角下的折射率。
除了斯涅尔法外,还有一些其他的折射率测定方法,如阿贝尔
法、迈克耳孙干涉仪等。
不同的测定方法适用于不同的物质和测量条件,但基本原理都是基于光的折射定律和斯涅尔定律。
折射率计算与溶液中物质含量的确定
折射率计算与溶液中物质含量的确定折射率是光线从一个介质中传播到另一个介质时的偏折程度。
通俗地说,就是我们看到的物体在水中看上去比空气中大。
而计算折射率的方法可以运用于多种科学领域,比如化学、物理等等。
在化学领域中,通过测量折射率可以确定物质在溶液中的浓度,从而实现溶质浓度的定量分析。
一、折射率的计算方法折射率的计算公式为n=c/v。
其中,n表示折射率,c表示光在真空中的速度,v表示在具有折射率n的介质中的光速度。
由于折射率通常小于1,所以c/v会大于1,因此折射率的值越小,光在介质中的速度越慢。
此外,在实际应用过程中,我们还可以通过折射率计进行测量。
折射率计是一种利用光的偏折来测量折射率的仪器,可以根据不同物质的折射率来确定其浓度。
二、折射率计测量溶液中物质含量的原理在溶液中,溶质的浓度越高,溶液中的折射率也就越高。
因此,通过比较不同浓度的溶液的折射率可以确定溶质在溶液中的浓度。
通过测定标准溶液与待测溶液的折射率,从而计算出待测溶液中的溶质浓度。
三、折射率计测量溶液中物质含量的步骤1. 准备标准溶液及待测溶液。
为了减小误差,需要准备多组不同浓度的标准溶液,以便进行比较和校准。
同时,也需要准备待测溶液。
2. 校准折射率计。
校准折射率计的主要目的是在不同浓度的标准溶液中进行测量,以确定不同浓度下的折射率值,并建立校准曲线。
3. 测量标准溶液和待测溶液的折射率值。
在校准好的折射率计中,分别加入标准溶液和待测溶液,测量它们的折射率值。
4. 计算溶液中物质的浓度。
根据标准溶液和待测溶液的折射率值,可以得出它们所对应的浓度,从而计算出待测溶液中物质的浓度。
四、折射率计测量溶液中物质含量的优缺点优点:1. 折射率计具有测量灵敏度高、检测精度高的优点。
2. 折射率计的测量过程简单,无需使用有毒有害物质,同时也不会对样品进行破坏。
缺点:1. 折射率计并不能适用于所有溶液,而只适用于透明且折射率差距较大的溶液。
2. 在测量比较浓缩的溶液时,折射率值在一定范围内基本不变,此时需要通过其他方法进行测量。
空气和玻璃光的折射率
空气和玻璃光的折射率介绍折射率是光线从一种介质传播到另一种介质时发生折射的程度的度量。
本文将探讨空气和玻璃的折射率,并解释其对光的传播和折射的影响。
什么是折射率?折射率是光线在介质中传播时的速度变化比例的度量。
它是一个无单位的常数,表示光线在特定介质中的传播速度相对于真空中的传播速度的比值。
折射率通常用符号n表示。
空气的折射率空气是地球大气层中的主要成分之一,其折射率非常接近于1。
这意味着光线在空气中的传播速度几乎等于真空中的传播速度。
空气的折射率对于大多数光学应用来说可以近似为1,因此在计算光线在其他介质中的传播时,通常将空气的折射率视为1。
玻璃的折射率玻璃是一种常见的透明固体,广泛应用于光学器件和光学仪器中。
不同类型的玻璃具有不同的折射率,这取决于其化学成分和结构。
一般来说,玻璃的折射率都大于1,因为光线在玻璃中的传播速度比在真空中要慢。
玻璃的折射率和光的速度根据折射率的定义,光在介质中的传播速度与折射率成反比。
因此,玻璃的折射率越大,光在玻璃中的传播速度就越慢。
玻璃的折射率和光的折射当光线从一种介质传播到另一种折射率不同的介质中时,会发生折射现象。
根据斯涅尔定律,光线在两种介质之间的折射角和入射角之间满足一个特定的关系。
这个关系可以用下面的公式表示:n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)其中,n1和n2分别是两种介质的折射率,θ1和θ2分别是入射角和折射角。
玻璃的不同类型和折射率不同类型的玻璃具有不同的折射率。
以下是一些常见类型的玻璃和它们的折射率:1.硅玻璃:折射率约为1.46。
2.石英玻璃:折射率约为1.46。
3.光学玻璃:折射率范围从1.5到1.9不等,具体取决于其成分和处理方式。
空气和玻璃的界面当光线从空气射入玻璃时,由于两种介质的折射率不同,光线会发生折射。
根据斯涅尔定律,入射角和折射角之间的关系决定了光线在界面上的传播方向。
全反射当光线从一个折射率较高的介质射入一个折射率较低的介质时,如果入射角大于一个临界角,光线将会发生全反射现象。
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折射率公式与相关资料
折射率定义式:n=sinα/sinβ,折射率的补充公式:1、n=c/v;c 指的是光在真空中的速度,v指的是光在该介质中的速度。
2、n=1/sinC;C指的是该介质的临界角。
什么是折射率
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。
材料的折射率越高,使入射光发生折射的能力越强。
折射率越高,镜片越薄,即镜片中心厚度相同,相同度数同种材料,折射率高的比折射率低的镜片边缘更薄。
折射率与介质的电磁性质密切相关。
根据经典电磁理论,εr和μr分别为介质的相对电容率和相对磁导率。
折射率还与频率有关,称色散现象。
光由相对光密介质射向相对光疏介质,且入射角大于临界角,即可发生全反射。
负折射率
负折射率(介电常数和磁导率同时为负)的问题是近年来国际上非常活跃的一个研究领域。
当电磁波在负折射率材料中传播时,电场E、磁场B和波矢k三者构成左手螺旋关系,因而负折射率材料又称为左手性材料(left-handed materials)。
Veselago1968年首次在理论设想了左手型材料。
Pendry在1996年与1999年分别指出可以用细金属导线及有缝谐振环阵列构造介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工媒质。
2001年,Smith等人沿用Pendry的方法,构造出了介电常数与磁导率同时为负的人工媒质,并首次通过实验观察到了微波波段的电磁波通过这种人工媒质与空气的交界面时发生的负折射现象。
尽管初
期人们对Smith等人的实验有许多争论,但2003年以来更为仔细的实验均证实了负折射现象。
光的折射和折射率的计算
光的折射和折射率的计算在自然界中,光线在经过不同介质边界时会发生折射现象,这是由于光在不同介质中的传播速度不同所造成的。
折射是光从一种介质传播到另一种介质时改变传播方向的现象。
为了描述光的折射行为,科学家引入了折射率这一物理量。
一、光的折射现象光的折射现象是指当光线从一种介质传播到另一种介质时,由于介质的光密度不同而使光线改变传播方向的现象。
通过实验和观察,人们发现光线从空气(或真空)射入介质时,会发生折射现象。
二、折射率的定义和计算公式折射率是描述光在两种介质之间传播时的光速比值,通常用符号n 表示。
根据折射现象的研究,科学家发现折射角和入射角之间存在一个固定的关系,即斯涅尔定律。
斯涅尔定律可以表示为:n1×sinθ1 = n2×sinθ2 (1式)其中,n1和n2分别表示两种介质的折射率,θ1和θ2分别表示入射角和折射角。
利用斯涅尔定律,我们可以根据已知条件来计算未知量。
下面通过一个例子说明如何计算折射率。
例:在空气(n1=1)与水(n2=1.33)的界面上,一个光线从空气射入水中,入射角为30°,求折射角。
解:根据斯涅尔定律(1式),我们可以得到:1×sin30° = 1.33×sinθ2sinθ2 = sin30° / 1.33 ≈ 0.225θ2 ≈ arcsin(0.225) ≈ 13.2°所以,光线在空气与水的界面上折射时的折射角约为13.2°。
在实际应用中,折射率往往是通过实验或测量得到的,不同介质的折射率也有所差异。
在物理学和光学领域中,我们可以找到相应的折射率表格或手册来查找常用物质的折射率数值。
三、折射率的意义和应用折射率是光学中一个重要的物理量,它具有以下几个重要的意义和应用:1. 折射率可以用来描述光的传播速度因介质而异的现象。
不同介质中光的传播速度不同,而折射率正是用来量化光在介质中的传播速度。
迈克尔逊干涉仪测量空气折射率实验报告
迈克尔逊干涉仪测量空气折射率实验报告一、实验目的1、了解迈克尔逊干涉仪的结构和工作原理。
2、掌握用迈克尔逊干涉仪测量空气折射率的方法。
3、加深对光的干涉现象的理解。
二、实验原理迈克尔逊干涉仪是一种利用分振幅法产生双光束干涉的精密光学仪器。
其光路图如下图所示:此处可插入迈克尔逊干涉仪光路图由光源 S 发出的光射在分光板 G1 上,被分成两束光,反射光(1)射向平面镜 M1,透射光(2)射向平面镜 M2。
两束光分别被 M1、M2 反射后,又回到分光板 G1,在观察屏 E 处相遇产生干涉条纹。
当 M1 和 M2 严格垂直时,得到的是等倾干涉条纹;当 M1 和 M2 有微小夹角时,得到的是等厚干涉条纹。
本实验中,我们通过测量等倾干涉条纹的变化来测量空气折射率。
假设初始时,干涉仪两臂长度相等,即 L1 = L2,对应的光程差为Δ = 2(L2 L1) = 0,此时观察屏上出现中心为亮点的等倾干涉条纹。
当向迈克尔逊干涉仪的一臂中缓慢充入空气时,光在空气中的传播速度变慢,导致光程增加。
设充入空气后光程变化量为ΔL,空气折射率为 n,则有:ΔL =(n 1)L (其中 L 为充入空气的光路长度)通过测量充入空气前后干涉条纹的变化数Δk,以及已知的波长λ和干涉仪的臂长 L,可以计算出空气折射率 n:n = 1 +ΔL / L = 1 +Δkλ / 2L三、实验仪器迈克尔逊干涉仪、HeNe 激光器、气室、气压表、真空泵等。
四、实验步骤1、仪器调节调节迈克尔逊干涉仪的底座螺钉,使仪器大致水平。
打开激光器,使激光束大致垂直入射到分光板 G1 上,并通过调节M1 和 M2 背后的螺钉,使反射回来的两束光在屏上重合,出现干涉条纹。
仔细调节 M1 和 M2 背后的螺钉,使干涉条纹为圆心在视场中心的同心圆环。
2、测量干涉条纹的变化记录初始时干涉条纹的位置和个数。
打开气室阀门,用真空泵缓慢抽出气室内的空气,观察干涉条纹的变化,记录条纹消失的个数。
空气折射率的计算
index of air in different height above sea level.The result matchs the national practice better.
Keywords:refractive index of air;atmosp,heric pressure;Nmosphcric temperature; vertical profile
§1.2.3利用大气物理量计算大气折射率
这种方法较为简单,即先测得当前环境下的大气压强、温度、相对湿度和二氧化碳 含量,然后利用公式计算得到不同波长下的大气折射率数值。
与前两种测量方法相比,这种方法的最大优点是可以脱离实验室环境,只要有相关 的大气物理量,就能得到任何大气环境下的折射率数值,而且利用计算机可以大大缩短 大量数据的计算时间。但是,这种方法也有两个缺点:第一是测量的大气物理量必须非 常精确,第二是公式的选用要符合大气环境。
如图1-4所示,有一类阶跃型光纤是由折射率为nl的纤芯和折射率为即2的包层组 成,并且hi>n2,其传光原理是光在两种材料的分界面处发生全反射。
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图l-4光纤测量气体折射率原理图
测量气体折射率时把光纤的一端磨平并与待测气体接触,光在纤芯和待测物质界面 处发生折射,一般来说气体的折射率要小于纤芯的折射率,因而如果在距离光纤端面h 处垂直于光纤轴放一块毛玻璃屏,光纤端射出的光斑将发散,并且待测气体的折射率越 小其光斑直径d越大。其测量原理如下:
2、马赫一泽德干涉仪(Mach--Zehnder i nterferometer)
实验原理如图1-3所示,Pl、P2为分光板,M1、M2为反射镜,L1、L2为扩束和准 直系统,用两个完全相同的透明盒子分别作为气体盒和补偿盒,补偿盒用来消除气体盒 壁所造成的附加光程差,密封气体盒与三通活塞相连,活塞的~端接抽气机,另一端接 针式气体阀。
光的折射与折射率的计算
光的折射与折射率的计算光在不同介质中传播时,由于介质的折射率不同,会发生折射现象。
折射是光线由一种介质进入另一种介质时改变方向的现象。
在本文中,我们将探讨光的折射以及如何计算折射率。
一、光的折射与斯涅尔定律当光束从一种介质射入另一种介质时,光线会发生折射现象。
斯涅尔定律是描述光在界面上发生折射时关系的定律。
根据斯涅尔定律,入射光线与法线的夹角α和折射光线与法线的夹角β之间满足以下关系:n1sinα = n2sinβ其中,n1和n2分别为两种介质的折射率,α为入射角,β为折射角。
二、折射率的定义和计算公式折射率是描述介质对光的折射能力的物理量。
根据折射定律及定义,我们可以得到折射率的计算公式:n = c/v其中,n表示折射率,c表示光在真空中的速度(299,792,458 m/s),v表示光在介质中的传播速度。
根据这个公式,我们可以得到不同介质的折射率。
三、常见介质的折射率1. 真空:真空的折射率为1,是其他介质折射率的基准。
2. 空气:空气的折射率接近于1,可以近似为1。
3. 水:水的折射率为1.33。
4. 玻璃:玻璃的折射率因种类而异,常见玻璃的折射率大约在1.5至1.7之间。
5. 金刚石:金刚石的折射率较高,约为2.42。
四、计算样例假设我们有一束光线从空气射入水中,入射角为30°。
我们可以根据斯涅尔定律和折射率的计算公式来计算折射角和水的折射率:n1sinα = n2sinβ1sin30° = n2sinβsinβ = (1sin30°) / n2sinβ = (1 * 0.5) / 1.33sinβ ≈ 0.375β ≈ arcsin(0.375)β ≈ 22.53°因此,光线在空气与水的界面上折射后的折射角大约为22.53°,水的折射率为1.33。
五、总结光的折射是光在介质之间传播时发生的现象。
斯涅尔定律提供了描述折射现象的关系式,折射率则是描述介质对光的折射能力的物理量。
光在空气中的传播速度公式
光在空气中的传播速度公式
光在空气中的速度:3.0×10^8m/s
光在真空中的传播速度: 299,792,458 m/s
空气中折射率为1.0008
光在通过介质时,其运动速度会减慢。
例如,当光通过玻璃时,其速度降至真空的三分之二。
即使是在空气中,光的速度也会轻微减慢。
这种现象与光的本质有关,因为它是一种电磁波。
当光通过介质时,其电磁场会扰动与之接触的带电粒子。
然后这些扰动使介质中的带电粒子以相同的频率辐射出光,但这个电磁波与之前的相比存在一个相移。
由这些扰动产生的电磁波与原先的入射电磁波相叠加,使波长变短,但频率不变,从而速度减慢。
简而言之,光波与介质中的带电粒子发生作用,导致光速放慢。
解题技巧如何计算光的传播速度和折射率
解题技巧如何计算光的传播速度和折射率光是一种电磁波,它在空气、水、玻璃等介质中传播时会发生折射,即改变传播方向和速度。
正确计算光的传播速度和折射率对于光学问题的解答具有重要意义。
本文将介绍计算光的传播速度和折射率的解题技巧。
一、光的传播速度计算在真空中,光的传播速度为常数,约为3.00×10^8 m/s。
然而,在介质中光的传播速度会发生变化。
根据光的传播速度公式:v = c / n其中,v为光的传播速度,c为真空中的光速,n为介质的折射率。
要计算光的传播速度,我们需要已知介质的折射率。
例如,当光从真空进入玻璃中时,玻璃的折射率为1.50。
根据上述公式,可以得到传播速度v为:v = (3.00×10^8 m/s) / 1.50 = 2.00×10^8 m/s因此,光在该玻璃中的传播速度为2.00×10^8 m/s。
二、折射率的计算折射率是指光从真空(或其他介质)射入某一介质后的传播速度与真空中传播速度的比值。
折射率可以根据光的入射角度和折射角度来计算。
折射率的计算公式如下:n = sin(θ1) / sin(θ2)其中,n为折射率,θ1为入射角,θ2为折射角。
需要注意的是,入射角和折射角都是相对于法线的角度。
通过这个公式,我们可以计算不同介质之间的折射率。
例如,当光从空气入射到水中时,已知光在空气中的折射率为1.00,入射角为30°,我们可以计算出水的折射率:n = sin(30°) / sin(θ2)假设折射率为n2,代入已知条件,可得:n2 = sin(30°) / sin(θ2)若我们已知入射角θ1,可以通过测量折射角θ2来求解。
三、解题技巧总结1. 确定已知条件:在解题前,需要明确已知光的传播介质,已知光的入射角度和已知折射率等信息。
2. 应用适当公式:根据已知条件,选择合适的公式进行计算。
在计算光的传播速度时,使用光的传播速度公式;在计算折射率时,使用折射率公式。
折射率与光速计算
折射率与光速计算光学是研究光的传播与性质的学科,而折射率与光速是光学中常用的两个重要概念。
本文将从基础原理出发,介绍折射率与光速的计算方法和相关知识。
一、折射率的概念与计算方法1. 折射率的概念折射率是光线从一种介质传播到另一种介质时的速度比值,也可以理解为光在不同介质中的传播性质之一。
折射率通常用符号n表示,根据光在不同介质中的传播速度变化,折射率的数值也会有所不同。
2. 折射率的计算方法折射率的计算可以利用斯涅尔定律(Snell's Law),即光线的折射定律。
斯涅尔定律表明,光线在两个介质之间传播时,光线入射角(θ₁)和折射角(θ₂)之间存在以下关系:n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂其中,n₁和n₂分别表示两个介质的折射率,θ₁和θ₂分别表示光线在两个介质之间的入射角和折射角。
3. 折射率的测量方法实验中常常采用折射计(refractometer)来测量折射率。
折射计通过测量光线从空气射入样品后的折射角,从而计算出样品的折射率。
根据测量结果可以获得不同物质的折射率数据,供科学研究和工程应用中使用。
二、光速的概念与计算方法1. 光速的概念光速是光在真空中传播的速度,通常用符号c表示。
根据国际单位制(SI单位制)的规定,光速的数值约等于299,792,458米/秒。
2. 光速的计算方法根据电磁学理论,光速的计算可以通过电磁波的波长(λ)和频率(f)之间的关系来获得。
光速与电磁波的频率和波长之间的关系可以表示为以下公式:c = fλ其中,c表示光速,f表示频率,λ表示波长。
根据这个公式,我们可以通过已知波长或频率的数值来计算光速。
三、折射率与光速的关系折射率与光速有密切的关系。
根据光速在不同介质中的变化情况,可以推导出折射率的计算公式。
根据光在不同介质中传播速度的变化关系,可以得到以下公式:n = c/v其中,n表示折射率,c表示光在真空中的速度,v表示光在介质中的速度。
根据这个公式,我们可以通过已知光速和介质中光速的数值来计算折射率。
空气折射率的计算
空气折射率的计算根据光的波动理论,光在介质中的传播速度受到介质折射率的影响。
当光从真空进入空气时,其传播速度降低,因此需要计算空气的折射率。
空气的折射率通常用n表示,n的数量级在1附近,一般约等于1、空气的折射率与气体中分子之间的相互作用有关,主要取决于气体的密度和分子的极性。
空气中的分子主要是氮气(N2)和氧气(O2),这些分子在气体中的相对位置、相互作用以及在电磁场中的响应会决定空气的折射率。
对于频率为ν的光线,其在真空中的速度c与在空气中速度v的关系可以用下式表示:c=νλv=nνλ其中λ是光线在介质中的波长。
整理上述公式可得:n=c/v=c/(νλ)因此,空气的折射率可以通过光在空气中的速度和在真空中的速度之比来计算。
光的速度c在真空中是个常数,约等于3×10^8m/s。
因此,计算空气折射率的关键在于计算空气中光线的速度v。
根据分子动理论,气体的折射率与密度成正比。
空气中的气体分子非常稀薄,因此可以近似认为分子间相互作用可以忽略不计,进一步忽略空气中气体分子的体积。
因此,可以将空气视为连续介质。
根据该假设,空气中的折射率与气体密度ρ的关系可以用洛伦兹-洛伦兹公式来表示:n=1+[(3/8)*π*ρ*α]其中α是极化率,表示分子在电磁场中的响应程度。
极化率与分子的极性有关,也与分子结构、分子的电离能等因素有关。
空气中的氧气分子和氮气分子是非极性分子,其极化率非常小,因此可以近似认为在可见光范围内,空气的极化率可以忽略不计。
因此,可以将空气的折射率简化为以下形式:n≈1+[(3/8)*π*ρ*α]空气的密度不仅与气体分子的质量有关,还与气体分子的温度相关。
ρ=PM/(RT)其中P是气体的压力,M是气体的摩尔质量,R是气体常数,T是气体的温度。
综上所述,计算空气的折射率首先需要知道气体的压力、温度和摩尔质量。
气体的压力和温度可以通过气象观测或气象预报获取。
气体的摩尔质量可以通过气体成分的分析来确定。
空气折射率埃德林公式的修改
埃德林公式是用来计算空气折射率的公式,公式如下:
n = 1 + k*P/T
其中,n 是空气折射率,k 是空气折射常数,P 是大气压力,T 是温度。
空气折射率是用来描述光线在空气中的折射情况的物理量,可以用来解释天文现象、气象现象等。
埃德林公式的修改指的是在原公式的基础上进行改进或修正,以更准确地计算空气折射率。
常见的修改方法包括加入新的物理量、细化计算步骤等。
例如,有些修改方案将空气折射常数k 的计算步骤进一步分解,使得计算结果更加精确;有些修改方案则加入了大气湿度这一因素,使得计算结果能够更加反映空气中水蒸气的含量。
另外,也有一些修改方案将埃德林公式中的温度T 改为温湿指数,这样可以更好地反映空气中的温度和湿度的变化。
总的来说,埃德林公式的修改是为了使公式更加精确,更好地反映空气中的物理量变化,从而更准确地计算空气折射率。
折射角折射率计算公式
折射角折射率计算公式在我们探索光的奇妙世界时,折射角和折射率的计算公式就像是打开神秘之门的钥匙。
咱们先来说说折射角,它指的是光线从一种介质进入另一种介质时发生折射所形成的角度。
而折射率呢,则是反映介质光学性质的一个重要参数。
那折射角和折射率的计算公式到底是啥呢?别急,这就给您说道说道。
折射定律指出:入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两种介质的折射率之比。
用公式来表示就是n1sinθ1 = n2sinθ2 ,这里的 n1 和 n2 分别是两种介质的折射率,θ1 是入射角,θ2 就是折射角啦。
我记得有一次,在给学生们讲解这个知识点的时候,有个调皮的小家伙举起手问我:“老师,这折射率和折射角到底有啥用啊,难道就是为了让我们在考试的时候头疼吗?”我笑着回答他:“这可不光是为了考试哦,你想想看,咱们戴的近视眼镜、相机的镜头,甚至是大自然中彩虹的形成,可都离不开它们呢!”为了让同学们更好地理解,我带着他们做了一个小实验。
我准备了一个透明的水槽,里面装了水,还有一束激光笔。
我先让激光笔的光线垂直照射到水面上,大家发现光线几乎没有发生偏折。
然后我慢慢地改变激光笔的角度,让光线倾斜地射入水中,这时同学们就能清晰地看到光线在水面处发生了折射,进入水中的光线和在空气中的光线形成了一个明显的角度。
“同学们,这就是折射角!”我指着水面上的光线说。
接着,我又给他们讲解如何通过测量入射角和折射角,以及已知水的折射率,来计算空气的折射率。
大家都围在水槽边,眼睛紧紧地盯着光线,手里拿着尺子认真地测量着角度,那股认真劲儿,让我感到特别欣慰。
在实际生活中,折射角和折射率的应用那可真是无处不在。
比如说,我们在游泳池里看水底的东西,会觉得比实际位置浅一些,这就是因为光在水和空气的界面发生了折射。
还有,我们在炎热的夏天,看到远处的路面好像有水在反光,走近了却发现啥也没有,这也是光的折射造成的错觉。
再比如,宝石鉴定师在鉴定宝石的时候,也会用到折射率的知识。
空气折射率计算公式
空气折射率计算公式空气折射率是光在空气中传播时的折射现象的一种量度,它描述了光线从一种介质进入另一种介质时光线传播方向的改变程度。
在计算空气折射率时,可以使用以下公式:n = c / v其中,n表示折射率,c表示光在真空中的速度,v表示光在介质中的速度。
我们来了解一下光在不同介质中传播的特点。
当光从一种介质进入另一种介质时,由于介质的密度不同,光的速度会发生改变,从而导致光线的传播方向发生偏折。
这个偏折现象就是折射现象。
而空气折射率就是描述光在空气中传播时的折射现象的一种量度。
空气折射率的计算公式中,c表示光在真空中的速度。
在真空中,光的速度为常数,其数值约为299,792,458米每秒。
v表示光在介质中的速度,它与介质的密度有关。
由于空气的密度与大气压力、温度、湿度等因素有关,因此空气折射率也会受到这些因素的影响。
在实际应用中,计算空气折射率时通常采用气体折射率的近似值。
根据国际电工委员会(IEC)的规定,常用的空气折射率近似值为1.000293。
这个数值适用于大气压力为101.325千帕,温度为20摄氏度,相对湿度为0%的情况下。
然而,在实际应用中,由于大气压力、温度、湿度等因素的变化,空气折射率也会有所不同。
为了更精确地计算空气折射率,科学家们提出了多种计算模型和实验公式。
其中,国际气象学会(WMO)提出的标准大气模型是最常用的模型之一。
该模型将大气分为多个层次,每个层次的大气参数如温度、压强、湿度等都有相应的数值。
利用这些数值,可以计算得到不同条件下的空气折射率。
除了大气压力、温度、湿度等因素,空气折射率还与光的波长有关。
在可见光范围内,不同波长的光在空气中的折射率略有差异,这就是色散现象。
根据光的波长不同,空气折射率也会有所变化。
一般情况下,我们使用的折射率是钠D线波长(589.3纳米)下的折射率。
总结起来,空气折射率是光在空气中传播时的折射现象的一种量度,可以用公式n = c / v来计算。
空气 折射率
空气折射率空气折射率是描述光在空气中传播时的折射性质的一个物理量。
简单来说,折射率是光线从一种介质射入另一种介质时,光线的传播速度发生变化的程度。
空气折射率是指光线从真空射入空气中时的折射率,通常用符号n表示。
空气是地球大气层中的主要组成部分之一,主要由氮气、氧气和少量的水蒸气等组成。
在常温常压下,空气的折射率约为 1.0003。
这意味着光线从真空中射入空气时,其传播速度会稍微减小。
这个微小的变化对于日常生活中的光学现象来说并不显著,但在一些精密的实验和测量中却需要考虑到这个因素。
空气折射率与光线的波长有关,不同波长的光在空气中的折射率略有差异。
这是因为光的波长与介质的分子结构和相互作用有关。
根据空气的分子构成和光的波长,通过复杂的理论计算可以得到准确的折射率数值。
通常情况下,我们使用的是平均折射率,即将各波长下的折射率加权平均得到的数值。
空气折射率的准确测量对于一些科学研究和工程应用非常重要。
例如,在天文学中,测量光线在大气中的折射率可以帮助我们更准确地观测天体的位置和运动;在光学仪器的设计中,准确了解光线在空气中的传播特性可以提高仪器的精度和性能。
除了空气折射率的常见数值外,还存在一些特殊情况下的折射现象。
例如,当光线从空气射入密度较大的介质中时,如水或玻璃,由于介质的折射率较高,光线会发生弯曲,这就是我们常说的光的折射现象。
根据斯涅尔定律,光线在两个介质中的折射遵循一定的规律,可以通过折射率的比值来计算折射角度。
空气折射率的研究不仅仅局限于地球大气层中的空气,还可以扩展到其他行星的大气层中。
例如,火星上的大气层主要由二氧化碳组成,与地球上的空气有所不同,因此火星上的空气折射率也会有所不同。
对于火星探测任务和其他行星探测任务,准确了解目标行星大气层中的折射率可以帮助科学家们更好地解读探测器传回的数据。
空气折射率是描述光在线性媒介中传播时的重要物理量。
通过研究空气折射率,我们可以更好地理解光的传播规律,同时也为科学研究和工程应用提供了重要的参考数据。
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2)将待测气体充入气体盒中,由于待测气体的折射率墩大于真空折射率l,所以将 使经过Ml反射的光束的光程改变量为:
J=2(n。一bd
在此理论基础上,开发了密度场到折射率场转换的程序,实现了密度场数据与折射 率场数据互相转换、高温下折射率公式自动优化、折射率场数据三维动态显示等功能。
最后,利用新编NCEP/NCAR逐日再分析数据对我国大气层的温度分布特性做了定 性和定量分析,并且推导了新的大气压强随海拔高度变化的公式。在此基础上,对大气 层折射率场进行深入研究,利用指数模型和伽马模型,拟合了新的系数,从而使计算数 值更接近我国实际情况。
(1-3)
浙江大学硕_:学也论文
由此即可测得该气体的折射率。 比较以上两种测量气体折射率的方法可知:在这两种方法中真空的折射率都认为是 1,所以两种方法的测量精度都受到气体盒真空度的限制,如果真空度不高,所得测量 值要偏小;另外,测量过程中移动条纹的记数和气体盒的厚度d也会影响测量的误差。
§1.2.2利用光纤测量大气折射率
formula the coefficients of the
automatically,generating a 3D image of the refractivity field
and some SO on.
At last,according to the data provided by National Center of Environment Prediction
量发生偏折,视线角速率发生抖动,从而引起探测精度急剧下降;产生的气动热环境影 响飞行器成像系统工作性能,严重时甚至对成像系统产生热破坏作用。
国内外对此问题极为重视,而且讨论很活跃,最突出的是美国,在大量实验、理论
分析及模拟仿真的基础上,提出了一系列完整的气动效应理论和多种校正新方法。我国 在该研究方向也投入了巨大的人力、物力和财力,经过多年研究,在相关的基本理论、
毛玻璃屏
图1-3马赫一泽德干涉仪原理图 实验时用波长为A的激光作光源,根据马赫一泽德干涉仪原理调节仪器,在毛玻璃 屏上形成稳定干涉直条纹。先将气体盒抽成真空,然后通过针式气体阈使待测气体缓慢 进入气体盒,同时记录干涉条纹的移动数目彤,用‰表示被测气体的折射率,根据光 的干涉原理可知:
(n,一1)d=KA
§1.2.3利用大气物理量计算大气折射率
这种方法较为简单,即先测得当前环境下的大气压强、温度、相对湿度和二氧化碳 含量,然后利用公式计算得到不同波长下的大气折射率数值。
与前两种测量方法相比,这种方法的最大优点是可以脱离实验室环境,只要有相关 的大气物理量,就能得到任何大气环境下的折射率数值,而且利用计算机可以大大缩短 大量数据的计算时间。但是,这种方法也有两个缺点:第一是测量的大气物理量必须非 常精确,第二是公式的选用要符合大气环境。
浙江大学 硕士学位论文 大气折射率影响因素的研究 姓名:金群锋 申请学位级别:硕士 专业:光学工程 指导教师:冯华君;徐之海
20060101
摘要
在大气光学成像领域,由于大气中压强、温度、相பைடு நூலகம்湿度和二氧化碳含量的不同, 导致大气折射率场呈非均匀分布。所以,只有了解大气折射率场的变化特性,才能对大 气中的光线追击做出精确的判断。
f1-11
从而在视场中重新出现圆条纹(其中d为待测气体的厚度,它是己知的),继续调节
M1或M2的臂长使条纹向中心收缩直至全部消失, 此时两束光的光程又达到了相等, 记下收缩条纹总数K,则有:
2(n。一1)d=肌
(1-2)
(1-2)式中的魄即该气体在当前温度和压强下对波长为^的单色光的折射率。 在这种测量方法中,建议适用激光光源,因为激光的线宽较小,相干长度比较长, 相干条件一般都能得到满足。
本论文对国内外文献中已有的大气折射率计算公式进行了整理和总结,通过对 Ciddor-Owens公式和Ciddor-LL公式、Ciddor-Owens公式和Rneger公式之间的对比分 析,提出了公式选择方面的着干建议。
对大气折射率影响因素进行了深入研究,定量分析了各种不确定度。并且在高温条 件下,利用优化迭代算法原理,对Rtieger公式进行拓展,增加了公式的开放性,使得 优化后的公式在高温条件下依然适用。
肝I sln掰2"2
<l-4)
强sin芦=n。sin0
(1—5)
由(1.4)式和(1.5)式得
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(1—6)
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(1-7)
241(a-ao)/21+^2
因此可以求得被测气体的折射率‰为
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0-8)
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图l。2迈克尔逊干涉仪原理图 其工作原理是利用迈克尔逊干涉仪进行非定域干涉,在此处属于等倾干涉,具体测 量步骤如下: 1)开始气体盒处于真空状态,波长为九的激光经透镜会聚后形成点光源,按照常 规调节好迈克尔逊干涉仪,使两个反射镜Ml和M2互相垂直从而在毛玻璃屏上观测到清 晰的圆形干涉条纹。调节Ml或M2的臂长观测条纹的变化,如果条纹不断缩进中心并变
index of air.With comparing selected formulas from these SOurces,this paper presents several
suggestions on the choice of formulas. A deep research has been done on the effects dropping some of the terms involved in the
§1.2.1利用光的干涉原理测量大气折射率
1、迈克尔逊干涉仪(M i ehe I son I nterferometer)
用高强度玻璃做两个相同且透明的存储气体的盒子,盒子有两个接口,其中一个是 进出气体的接口,另一个与气压计相连,可以随时测量盒内气体的压强。这两个材料、 大小和结构完全相同的气体盒分别固定在干涉仪的一块反射镜前面, 其中放在反射镜 Ml前面的盒子作为存储被测气体的容器称之为气体盒,与气压计相连;放在反射镜M2 前面的盒子作为补偿盒,用来补偿由于气体盒壁厚所引起的附加光程差,这一盒子的接 口是打开的,如图]-2所示。
视在目标
大气湍流层
实际17t标
圈1-1 S行器光学成像误差示惫圉
移猁幡
这种成像效应使光学探测系统对目标探测信噪比降低,从而减小了对目标的探测距 离,严重时甚至形成“热障”而淹没需探测的17I标信号;对目标的检测识别概率降低,
抗诱饵、识别假目标能力降低,严重时甚至无法检测识别目标;对目标的视线角位鬣测
2、马赫一泽德干涉仪(Mach--Zehnder i nterferometer)
实验原理如图1-3所示,Pl、P2为分光板,M1、M2为反射镜,L1、L2为扩束和准 直系统,用两个完全相同的透明盒子分别作为气体盒和补偿盒,补偿盒用来消除气体盒 壁所造成的附加光程差,密封气体盒与三通活塞相连,活塞的~端接抽气机,另一端接 针式气体阀。
实际测量时光纤的芯径而以及纤芯和包层的折射率行l和n2为已知,毛玻璃屏上的 光斑直径d可用读数显微镜测出,这样可以提高测量精度。与前两种利用光的干涉原理
测量气体折射率相比,这种方法对测量的折射率范围没有限制,也可用这种方法测量液 体的折射率,其缺点是光斑边缘的清晰度直接影响到了测量的精度,对毛玻璃屏的质量 要求较高,毛玻璃表面的漫反射不能太强,为了保证实验精度,实验环境中不能有太多 杂光,最好在暗室中进行。
II
浙江大学硕士学位论文
第一章绪论
§1.1研究背景
自从人类发明飞行器以来,就一直在探索如何使飞行器飞行更远、更快和更精确, 在新技术与新需求推动下,新一代飞行器朝着高速飞行、高精度探测与高精度控制的方 向发展。
但是带有光学成像探测系统的飞行器在大气层内飞行时,飞行器与空气之间产生极 大的摩擦,形成~个强烈起伏的湍流流场,流场的密度是一个非均匀的、随机的、强度 变化很大的物理量,对光学成像探测系统造成热、热辐射和图像传输干扰,引起目标图 像偏移、抖动和模糊,如图卜1所示。这些效应包括:高速流场光学传输效应、激波与 窗口气动热辐射效应和飞行器成像热效应吲。
BIPM 1981/91 density calculations.And another work has been done is performming a
parametric fit Oil using the extended Rtieger formula.The new formula has been made more
index of air in different height above sea level.The result matchs the national practice better.
Keywords:refractive index of air;atmosp,heric pressure;Nmosphcric temperature; vertical profile
Therefore,to reach an accurate decision Oil ray trace in atmosphere,the variation
characteristic of refractive index in atmosphere must be found out.