用中空三棱柱透镜测量透明液体的浓度.pdf
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1、第 卷 第 期广东石油化工学院学报.年 月 用中空三棱柱透镜测量透明液体的浓度柯予豪李康彬黄诗琪郑永铭陈昊朱伟玲古迪(广东石油化工学院 理学院广东 茂名)摘要:透明溶液浓度是表征溶液特性的重要参数 介绍了基于中空三棱柱透镜测量透明液体浓度的实验方法利用平行光线照射盛有待测溶液的中空三棱柱透镜通过 拍摄并测量折射光线的偏移量从而确定待测溶液的浓度 研究结果表明利用标定的浓度刻度尺能够直接测出待测液体的浓度对氯化钠溶液和葡萄糖溶液的浓度进行测量其相对误差分别为.和.关键词:溶液浓度中空三棱柱透镜偏移量中图分类号:.文献标识码:文章编号:()溶液浓度是表征溶液特性的重要物理量溶液浓度的高精度测量在工
2、业生产过程中具有重要作用 传统的溶液浓度测量方法有比重法、声波法和光谱法 比重法是利用液体比重天平测量待测液体的比重根据液体比重确定相应的溶液浓度其操作步骤较繁琐 声波法是利用声波的反射波特征、幅值特征、相位差特征、波谱特征等对溶液浓度进行间接测量其测量结果容易受环境因素的影响 光谱法主要是利用光的折射、干涉、衍射等特性对溶液浓度进行间接测量本文提供了一种通过测量透明液体的折射光线偏移量进而直接得到溶液浓度的方法 该方法利用平行光源照射盛有待测溶液的中空三棱柱透镜由于待测溶液与空气的折射率不一样折射光线会产生相应的偏移 通过测量折射光线的偏移量根据折射光线偏移量与溶液浓度间的函数关系从而确定待
3、测液体的浓度 该方法简单快捷可实时测量得到待测溶液的浓度实验测量结果误差小重复性好在透明溶液浓度的实时动态测量中具有重要应用潜力 实验原理由溶液浓度与折射率关系的经验公式可知溶液折射率随着溶液浓度的增加而增加且液体的折射率 和液体的浓度 成线性关系其表示式为 ()式中:、为与所用仪器相关的常数当一束平行光线照射盛有待测溶液的三棱柱液柱透镜折射光线偏离原来光路并产生一定的偏移量(见图)出射光相对于入射光有一偏向角 最小偏向角 溶液的折射率 与棱镜顶角 的关系为图 溶液浓度与偏移量的关系收稿日期:修回日期:基金项目:广东省本科高校在线开放课程指导委员会研究课题()茂名市科技计划项目()广东石油化工
4、学院博士启动项目()作者简介:柯予豪()男广东茂名人在读本科主要研究方向为透明液体浓度测量技术通信作者:古迪()男广东高州人博士实验师主要从事大学物理实验教学与研究()()当偏转角度发生改变时光屏上的偏移量也随之改变偏移量 与偏转角度满足:()式中:为平行光直射的位置为平行光发生偏转的位置 为出射点离光屏的距离由式()可知当折射率 增大时也随之增大 为单调递增函数由式()可知当 增大时 也随之增大 此时浓度的变化引起偏转角的变化量 为 ()为 时的偏转角则浓度 与偏转角变化量 满足:()当折射率 增大时增大 也随之增大 由式()可知 值越大则溶液浓度越大 偏移量与折射率有关而折射率与浓度有关因
5、此偏移量 与浓度 满足:()由于 当由浓度引起的 变化时其对应 同步变化 由式()可知溶液浓度 与折射光线偏移量 构成了确定的函数关系 实验仪器及实验测量如图 所示实验装置从右往左依次为电脑、维视采集卡、程序软件控制的摄像机(简称)、光屏、.的中空三棱柱透镜(厚度为.)、水平升降台、焦距为 凸透镜、红光一字型激光发射器()激光图 实验装置器发射的光束经凸透镜后成为平行光束平行光束穿过盛有待测溶液的中空三棱柱透镜后会发生相应的折射折射光线投影至光屏上 拍摄光屏上的折射光线通过 图像采集卡采集并存储每一次测量的照片数据实验测量过程中将适量清水注入三棱柱液柱透镜内利用 记录实时的实验图像 配置一系列
6、不同浓度的氯化钠溶液将适量氯化钠溶液注入三棱柱液柱透镜内使用 实时拍摄光屏折射光线偏移量的图像重复此步骤直至测完所有浓度氯化钠溶液的折射光线偏移量 将氯化钠浓度和折射光线偏移量拟合出对应的函数图像可得到光穿过液柱透镜的折射光线偏移量与待测液体的浓度之间的函数关系 根据拟合的折射光线偏移量与溶液浓度的函数关系制作相应的溶液浓度刻度尺并取已知浓度的溶液进行测量进行校准 将氯化钠溶液换成葡萄糖溶液重复上述操作折射光线偏移量的测量是本实验的关键 中空三棱柱透镜装溶液时溶液高度约为中空三棱柱透镜高度的一半下半部分为溶液上半部分为空气 如图 所示对上部分空气而言光线在空气中的折射率为.平行光线透过中空三棱
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