利用干涉方法测量玻璃的热膨胀系数和折射率温度系数

补课教材_玻璃折射率温度系数的测量

本实验要求学生使用光学干涉方法来测量一种玻璃材料的热膨胀系数和折射率温度系数。

光学仪器常常需要在高温或低温的条件下使用。当光学仪器在不同温度下使用时,其光学元件材料的热学性质，包括热膨胀系数和折射率温度系数，会直接影响它的光学性质。
热膨胀系数β的定义为β=dL/(L*dT) ，折射率温度系数γ的定义为γ=dn/dT ，其中L是材料的长度、T是温度、n是折射率。
环境温度和物体温度差小于25度时，牛顿冷却定律为: 其中Q为热量，h为热传导因子，A为热量传递时所用表面积，T_env为环境温度

1.样品：实验所用的样品由均匀各向同性的冕牌K8玻璃制成，如图1所示。其中A是被切去一部份的玻璃圆柱体，上下表面基本平行；B和B’是两块也被切去一部份的圆形玻璃板，每块玻璃板的上下表面不平行。三块玻璃A、B、B’胶合成一体，如图1所示。胶的折射率与玻璃相同，厚度可以忽略不计。

2.加热装置：该实验的加热装置如图2所示，图中电炉右边的旋钮用于调节电炉温度。大铝块中间有一个圆柱形的样品腔，样品可放在其中。小铝块上有两个孔，小孔可用于通光，大孔可用来插温度计的探头。如要对样品加热，可先小心地将样品滑入大铝块的样品腔中（这时应将大铝块倾斜，以防样品撞碎），再放入小铝块，然后把整个大铝块放入电炉上的钢杯中，就可以对样品加热。

3.光源支架：如图3所示，在支架的上部装有He-Ne激光器及其电源，在激光器的下面有一个倾斜的搁架，上面搁放了一块带小孔的平板，贴有方格纸，可用作观察屏。支架底部有三个脚，C脚是固定的，不可调节，A脚和B脚可以调节。

4. 样品平台：光源支架底部有一圆形平台，用于放置样品或电炉，其底部有三个脚a、b、c，高低可调，见图3。

5. 数字式温度计

6. 直尺：

7. 水盆：（内有冷却用水）

1. 实验装置的调节
   • 激光分别近正入射到a 、b、c三个区域时，其反射光应有几个光斑（不考虑多次反射）？
   • 为什么玻璃样品要设计成如此形状？
   • 光斑射在观察屏上的不同位置，对实验结果有什么影响？如何减小？
2. 测量玻璃的热膨胀系数β和折射率温度系数γ。
   • 选择不同的实验条件进行测量。通过测量结果的比较，确定较为理想的实验条件。
   • 在相同的实验条件下，测量β和γ的值。
3. 验证牛顿冷却规律。

已知：激光的波长λ = 632.8nm，样品中玻璃圆柱体A的高度L = 10.12±0.05mm，该玻璃对应此波长在测量温度范围内的平均折射率为n =1.515，要求测出该玻璃的温度在40℃－80℃范围内的热膨胀系数β和折射率温度系数γ。（在测量温度范围内β和γ可视为常数）。

1. 将样品放入大铝块样品腔中时，为避免样品撞碎，应将大铝块倾斜，小心地让样品慢慢地滑入样品腔的底部。
2. 实验时可连续升温，边升温边测数据，以免时间不够。对样品加热时可把电炉的旋钮旋到最大，当温度到达80℃左右，立即将旋钮旋到最小，停止加热。在加热的过程中，左边的加热指示灯会变暗又变亮，这是仪器在自动控制温度，不用理会。
3. 大铝块样品腔中的样品加热后，自然冷却很慢。如要它快速冷却，可以先将加热过的放有大铝块的钢杯放入水盆中，冷却一段时间后（至少5分钟），再用毛巾小心地裹着大铝块将它直接放入水中，加速冷却。小心烫手！冷却后擦干，仍放回钢杯中，可再次加热。电炉切不可用水冷却，以免短路。
4. 实验操作完成后，应及时关断电炉的电源，以免过热。

• 设计实验方案，画出实验光路图并推导出有关的测量公式。
• 进行实验，记录测量β和γ所需要的数据。
• 求出该材料的β和γ并估算它们的不确定度。
• 写出最后的实验结果。