劉艷峰，劉竹琴

（延安大學(xué)，陜西 延安 716000）

折射率是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)。它是食品生產(chǎn)中常用的工藝控制指標(biāo)，通過測(cè)定液態(tài)食品的折射率可以鑒別食品的組成，確定食品的濃度，判斷食品的純凈程度及品質(zhì)。通過測(cè)定折射率可以確定糖液的濃度及飲料、糖水罐頭等食品的糖度，還可以測(cè)定以糖為主要成分的果汁、蜂蜜等食品的可溶性固形物的含量。各種油脂具有其一定的脂肪酸構(gòu)成，每種脂肪酸均有其特定的折射率。含碳原子數(shù)目相同時(shí)不飽和脂肪酸的折射率比飽和脂肪酸的折射率大得多；不飽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。因此測(cè)定折射率可以鑒別油脂的組成和品質(zhì)。正常情況下，某些液態(tài)食品的折射率有一定的范圍，如正常牛乳乳清的折射率在正1.341 99～1.342 75之間，當(dāng)這些液態(tài)食品因摻雜、濃度改變或品種改變等原因而引起食品的品質(zhì)發(fā)生了變化時(shí)，折射率常常會(huì)發(fā)生變化。所以測(cè)定折射率可以初步判斷某些食品是否正常。如牛乳摻水，其乳清折射率降低，故測(cè)定牛乳乳清的折射率即可了解乳糖的含量，判斷牛乳是否摻水。本文基于微波分光儀利用一個(gè)金屬板作為反射體，利用蒸餾水、乙醇、甘油作為折射體，驗(yàn)證電磁波中反射現(xiàn)象和折射現(xiàn)象，測(cè)量出了液體的折射率。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

微波分光儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示。固態(tài)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)與微波頻率相同的電流，經(jīng)過天線發(fā)出需要的具有平面波振面的微波；微波經(jīng)過衍射板后，到達(dá)接收天線再將強(qiáng)度轉(zhuǎn)變成一個(gè)相應(yīng)的電流強(qiáng)度，并由微安表顯示出來。

圖1 微波分光儀的結(jié)構(gòu)

各部分功能簡(jiǎn)介如下：0°－360°分度轉(zhuǎn)盤。三厘米固態(tài)信號(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生微波信號(hào)。發(fā)射喇叭天線：將微波發(fā)射出去?？勺兯p器：用來控制發(fā)射波的強(qiáng)弱，其指示越大，對(duì)信號(hào)的衰減越大。晶體檢波器：將接收到的微波信號(hào)轉(zhuǎn)變成直流電信號(hào)。接收喇叭天線：可以繞分度盤的中心旋轉(zhuǎn)，以便接收來自不同方向的微波信號(hào)。信號(hào)線：將微波電信號(hào)傳遞到發(fā)射天線。電纜：將探測(cè)到的微波強(qiáng)度的電信號(hào)傳遞到微安表。固定臂：安裝微波發(fā)射裝置。可旋轉(zhuǎn)臂：安裝微波強(qiáng)度測(cè)量裝置。微安電流表：讀出用電流強(qiáng)度表示的微波信號(hào)的強(qiáng)度。

2 實(shí)驗(yàn)原理

電磁波在傳播過程中如果遇到障礙物，一定會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，并且遵守反射定律和折射定律。本實(shí)驗(yàn)利用一個(gè)金屬板作為反射體，利用蒸餾水、乙醇、甘油作為折射體，驗(yàn)證電磁波在傳播過程中的反射現(xiàn)象和折射現(xiàn)象，并根據(jù)折射現(xiàn)象測(cè)量出了蒸餾水、乙醇、甘油溶液的折射率。圖2和圖3是驗(yàn)證電磁波反射和折射現(xiàn)象的原理圖，如圖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]。

由上式即可計(jì)算出水、乙醇、甘油的折射率。

圖2 反射簡(jiǎn)圖

圖3 折射簡(jiǎn)圖

3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）微波分光儀調(diào)節(jié)至如圖2所示，使微波入射角θi為30度。

（2）調(diào)整接收器位置于微波反射之方向，移動(dòng)接收器至讀數(shù)最大時(shí)記錄反射角θr。

（3）改變?nèi)肷浣欠謩e為45度與60度，重復(fù)步驟2并驗(yàn)證反射定律。

（4）使裝置如圖3，于半圓柱容器中倒入3／4液體，并使微波入射角θi為30度。

（5）調(diào)整接收器位置于半圓柱背面，移動(dòng)接收器至讀數(shù)最大時(shí)記錄折射角θr。

（6）改變?nèi)肷浣欠謩e為45度與60度，重復(fù)步驟3并求出液體的折射率。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 驗(yàn)證反射定律數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：考慮實(shí)驗(yàn)儀器的系統(tǒng)誤差，從上面所測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電磁波的入射角基本上是與電磁波的反射角相等的，這樣就驗(yàn)證了電磁波的反射定律。

表2 測(cè)量蒸餾水、乙醇、糖溶液（80%）折射數(shù)據(jù)

根據(jù)折射定律

可得三種液體的折射率如下表：

表3 蒸餾水、乙醇、糖溶液（80%）折射率

由表2和表3數(shù)據(jù)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，液體的折射率與文獻(xiàn)[2，3]的參考折射率數(shù)值相差甚小，這樣既驗(yàn)證了電磁波的反射定律，同時(shí)也說明了利用電磁波的折射現(xiàn)象可以測(cè)量液體的折射利率，為測(cè)量液體的折射率提供了一種可行的新方法。

5 注意事項(xiàng)及結(jié)論

（1）發(fā)射器和接收器之間的角度必須是嚴(yán)格180度的情況下，才能得到良好測(cè)量結(jié)果，只要兩者之間有一點(diǎn)角度就會(huì)使測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)不應(yīng)有的誤差。

（2）衰減器調(diào)整要適當(dāng)，太小則觀察不便，太大則可能使電流表指針滿偏。

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果能與理論結(jié)果進(jìn)行比較，開始測(cè)量前要反復(fù)調(diào)整儀器。

（3）利用電磁波的折射現(xiàn)象可以測(cè)量液體的折射利率，為測(cè)量液體折射率提供了一種可行的新方法。

[1]姚啟均.光學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，1993：193－194.

[2]楊述武.普通物理實(shí)驗(yàn)（光學(xué)部分）[M].第2版.北京：高等教育出版社，1993：59－61.

[3]張三慧.大學(xué)物理學(xué)（波動(dòng)與光學(xué)）[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999：61－62.