漫反射测量玻璃折射率实验报告(华科版)

2020年春季大学物理实验4

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实验名称：漫反射测量玻璃折射率

实验目的：通过观察漫反射、全反射现象，测量玻璃（塑料）的折射率。

实验仪器材料：激光笔，直尺，纸巾，玻璃或透明塑料（厚度3-10mm）

实验方案（装置）设计：相关理论（公式）、原理图、思路等

【实验原理】：当激光照射在湿纸巾（餐巾纸）上，产生漫反射

现象，以不同方向透射到玻璃里面（塑料）。由于玻璃与下面空

气，折射率不同，当透射角满足一定条件时，会在玻璃与下面

空气界面，发生全反射形成暗环图像，如下图。

对于在A处发生全反射

故：测量出暗环直径D以及玻璃厚度d，可得出玻璃的折射率。

实验过程：实验步骤、实验现象观察、出现的问题及解决方法等

【1】实验步骤及过程：

（1）把纸巾蘸湿后贴在玻璃上，激光笔照射纸巾（注意：碾平气泡，不要在观察区留下气泡）；（2）观察实验现象，可看到多级圆环，其亮度依次递减；

（3）用直尺测量暗环的直径（D/cm），记录数据（不同地方测量5次取平均值）;

（4）用直尺测量玻璃厚度（d/mm），记录数据（测量5次取平均值）;

（5）用手机拍照形成的圆环；

（6）将玻璃另一面浸入水中，观察光环消失的现象；

【2】实验现象观察：

答：①当以正确的方式把激光笔垂直照射在贴有沾湿的纸巾的玻璃片上时，沿半径从里向外观察，可以观察到中心呈深红色（最亮），接着是一圈暗环，接着又是一圈淡红色的亮环（亮度较弱）

如下图：

②移动激光笔离玻璃平面的距离，可发现，暗环的大小几乎不随距离的远近而改变。

③当把玻璃的另一面浸入水中时：可观察到光环现象消失，成为一个红色的光斑。

【3】实验中出现的问题：

①起初时，由于未注意气泡的问题，所以实验现象比较模糊，碾平气泡后，恢复正常，所以在实验步骤1的位置，我加上了注意要碾平气泡；

②暗环的边界比较模糊，（这应该属于系统误差），导致测量暗环的直径难以做到很精确。

数据分析处理：数据记录（表格）、计算过程及结果等

【1】暗环直径测量表：

测量次数 1 2 3 4 5 平均值

直径D/cm 1.42 1.32 1.44 1.36 1.38 1.384

【2】玻璃厚度测量表：

测量次数 1 2 3 4 5 平均值

厚度d/mm 4.0 3.8 4.1 3.8 3.9 3.92

【3】计算玻璃的折射率：（结果如下面的总表所示）

测量次数 1 2 3 4 5 平均值

直径D/cm 1.42 1.32 1.44 1.36 1.38 1.384

厚度d/mm 4.0 3.8 4.1 3.8 3.9 3.92

折射率n 1.506 1.525 1.516 1.500 1.509 1.511

故，实验所用的玻璃的折射率约为n2=1.511，不确定度约为U n=0.019

问题探究：

1.激光光束相对玻璃平面的倾斜角度是否会对圆环直径测量产生很大影响？原因？

答：只要倾斜角度不太大，几乎不会产生影响。原因：①实验原理是当激光照射在湿纸巾（餐巾纸）上，产生漫反射现象，以不同方向透射到玻璃里面（塑料）。即是说有激光笔发出的光在经纸巾的漫反射后，（剩余的）形成的光源在玻璃下表面发生全反射光，并根据该全反射光进行测量的，而与玻璃板的倾斜角度无关；②实验现象说明问题，我用烤箱的玻璃门进行试验，在一定角度转动玻璃门的过程中，暗环的直径并未发生显著改变，基本保持一致。当然转到接近90度时，成像图形会有些模糊和扭曲，不易观察和测量。

2.实验中纸巾为何需要蘸水才能观察到光环？不蘸水是何实验现象？

答：①纸巾是用来使激光束发生散射的。由于纸巾表面较粗糙可以产生漫反射，从而使纸巾散射激光后形成面光源，而水可以使纸巾与玻璃表面紧密接触，并在纸巾和玻璃表面均匀形成一层水膜，使光源发出的光可以大部分射入玻璃，在玻璃上下表面形成全反射光，从而可以观察出暗环。

②不蘸水时只能观察到红色的光斑（或者非常模糊的暗环），（如下图）。原因简析如下：

如果不蘸水则由于光透射不明显和接触不紧密，只能观察到被漫反射的激光光点，观察不到暗环。同时在实验中还可发现，如果沾湿的纸巾没有完全与玻璃贴合，即有气泡时，也会影响实验现象，导致最后看不到暗环或不明显。

未沾湿的纸巾

3.采用不同厚度玻璃（塑料）观察暗环的变化情况。

答：可以观察到玻璃厚度越大，暗环直径越大（进过测量才比较明显）。我分别用了家里橱窗上的玻璃（1），烤箱门上的玻璃（2）[本实验采用]，和窗户玻璃（3）做了实验，数据如下：

玻璃厚度d/mm 2.6 3.9 4.4

暗环直径D/cm 0.87 1.38 1.47

实验小结：误差来源、实验收获等

【一】误差分析：

随机误差：①在计算折射率的原理式中，用到了近似，即n1=1，但空气的性质又与温度，压强等密切相关，这些条件均是随机变化的；

②刻度尺可能会受到热胀冷缩而导致所测结果的误差；

系统误差：①刻度尺的精度不够，导致测量误差偏大

②暗环的边缘本身是比较模糊的，难以准确测量

③在探究玻璃厚度对暗环的影响过程中，由于材料有限，无法排除玻璃的材质不同，

所造成的影响与误差。

【二】实验收获：

在此处实验中，我有如下收获：

【1】加强了数据处理的练习，如不确定度的计算等等；

【2】加强了误差分析的训练；

【3】能够在实验要求的基础上补充一些自己的观察以及发现，增强了思辨能力。

【4】增强了动手能力；

【5】学会了一种新的测量玻璃（或塑料）的折射率的方法。