利用电磁波折射现象计算和测量液体折射率

刘艳峰，刘竹琴

（延安大学，陕西 延安 716000）

折射率是物质的一种物理性质。它是食品生产中常用的工艺控制指标，通过测定液态食品的折射率可以鉴别食品的组成，确定食品的浓度，判断食品的纯净程度及品质。通过测定折射率可以确定糖液的浓度及饮料、糖水罐头等食品的糖度，还可以测定以糖为主要成分的果汁、蜂蜜等食品的可溶性固形物的含量。各种油脂具有其一定的脂肪酸构成，每种脂肪酸均有其特定的折射率。含碳原子数目相同时不饱和脂肪酸的折射率比饱和脂肪酸的折射率大得多；不饱和脂肪酸分子量越大，折射率也越大；酸度高的油脂折射率低。因此测定折射率可以鉴别油脂的组成和品质。正常情况下，某些液态食品的折射率有一定的范围，如正常牛乳乳清的折射率在正1.341 99～1.342 75之间，当这些液态食品因掺杂、浓度改变或品种改变等原因而引起食品的品质发生了变化时，折射率常常会发生变化。所以测定折射率可以初步判断某些食品是否正常。如牛乳掺水，其乳清折射率降低，故测定牛乳乳清的折射率即可了解乳糖的含量，判断牛乳是否掺水。本文基于微波分光仪利用一个金属板作为反射体，利用蒸馏水、乙醇、甘油作为折射体，验证电磁波中反射现象和折射现象，测量出了液体的折射率。

1 实验装置

微波分光仪的结构如图1所示。固态信号发生器产生一个与微波频率相同的电流，经过天线发出需要的具有平面波振面的微波；微波经过衍射板后，到达接收天线再将强度转变成一个相应的电流强度，并由微安表显示出来。

图1 微波分光仪的结构

各部分功能简介如下：0°－360°分度转盘。三厘米固态信号发生器：产生微波信号。发射喇叭天线：将微波发射出去。可变衰减器：用来控制发射波的强弱，其指示越大，对信号的衰减越大。晶体检波器：将接收到的微波信号转变成直流电信号。接收喇叭天线：可以绕分度盘的中心旋转，以便接收来自不同方向的微波信号。信号线：将微波电信号传递到发射天线。电缆：将探测到的微波强度的电信号传递到微安表。固定臂：安装微波发射装置。可旋转臂：安装微波强度测量装置。微安电流表：读出用电流强度表示的微波信号的强度。

2 实验原理

电磁波在传播过程中如果遇到障碍物，一定会产生反射和折射现象，并且遵守反射定律和折射定律。本实验利用一个金属板作为反射体，利用蒸馏水、乙醇、甘油作为折射体，验证电磁波在传播过程中的反射现象和折射现象，并根据折射现象测量出了蒸馏水、乙醇、甘油溶液的折射率。图2和图3是验证电磁波反射和折射现象的原理图，如图3所示利用折射定律：折射率n等于入射角θi正弦和折射角θr正弦之比即[1]。

由上式即可计算出水、乙醇、甘油的折射率。

图2 反射简图

图3 折射简图

3 实验步骤

（1）微波分光仪调节至如图2所示，使微波入射角θi为30度。

（2）调整接收器位置于微波反射之方向，移动接收器至读数最大时记录反射角θr。

（3）改变入射角分别为45度与60度，重复步骤2并验证反射定律。

（4）使装置如图3，于半圆柱容器中倒入3／4液体，并使微波入射角θi为30度。

（5）调整接收器位置于半圆柱背面，移动接收器至读数最大时记录折射角θr。

（6）改变入射角分别为45度与60度，重复步骤3并求出液体的折射率。

4 实验结果

表1 验证反射定律数据

实验结果分析：考虑实验仪器的系统误差，从上面所测得实验数据可知，电磁波的入射角基本上是与电磁波的反射角相等的，这样就验证了电磁波的反射定律。

表2 测量蒸馏水、乙醇、糖溶液（80%）折射数据

根据折射定律

可得三种液体的折射率如下表：

表3 蒸馏水、乙醇、糖溶液（80%）折射率

由表2和表3数据所得实验数据可知，液体的折射率与文献[2，3]的参考折射率数值相差甚小，这样既验证了电磁波的反射定律，同时也说明了利用电磁波的折射现象可以测量液体的折射利率，为测量液体的折射率提供了一种可行的新方法。

5 注意事项及结论

（1）发射器和接收器之间的角度必须是严格180度的情况下，才能得到良好测量结果，只要两者之间有一点角度就会使测量结果出现不应有的误差。

（2）衰减器调整要适当，太小则观察不便，太大则可能使电流表指针满偏。

为保证实验结果能与理论结果进行比较，开始测量前要反复调整仪器。

（3）利用电磁波的折射现象可以测量液体的折射利率，为测量液体折射率提供了一种可行的新方法。

[1]姚启均.光学教程[M].北京：高等教育出版社，1993：193－194.

[2]杨述武.普通物理实验（光学部分）[M].第2版.北京：高等教育出版社，1993：59－61.

[3]张三慧.大学物理学（波动与光学）[M].北京：清华大学出版社，1999：61－62.