大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)分光計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

分光計(jì)法測(cè)光柵常數(shù)3.7 分光計(jì)的調(diào)節(jié)及光柵常數(shù)的測(cè)定分光計(jì)又稱光學(xué)測(cè)角儀，是一種分光測(cè)角光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。它常用來測(cè)量折射率、色散率、光波波長、光柵常數(shù)和觀測(cè)光譜等。分光計(jì)是一種具有代表性的基本光學(xué)儀器，學(xué)好分光計(jì)的調(diào)整和使用，可為今后使用其他精密光學(xué)儀器打下良好基礎(chǔ)。3.7.1 分光計(jì)的調(diào)節(jié)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私夥止庥?jì)的結(jié)構(gòu)和基本原理，學(xué)習(xí)調(diào)整和使用方法?！痉止庥?jì)的結(jié)構(gòu)和原理】分光計(jì)主要由五個(gè)部分構(gòu)成：底座、平行光管、自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)和讀數(shù)裝置。不同型號(hào)分光計(jì)的光學(xué)原理基本相同。JJY型分光計(jì)如圖3-7-1所示。12357648916101218(back)17111514131920212223圖3-7-1 JJY型分光計(jì)1狹縫裝置 2狹縫裝置鎖緊螺釘 3平行光管 4元件夾 5望遠(yuǎn)鏡 6目鏡鎖緊螺釘 7阿貝式自準(zhǔn)直目鏡 8狹縫寬度調(diào)節(jié)旋鈕 9平行光管光軸高低調(diào)節(jié)螺釘 10平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺釘 11游標(biāo)盤止動(dòng)螺釘 12游標(biāo)盤微調(diào)螺釘 13載物臺(tái)調(diào)平螺釘（3只） 14度盤 15游標(biāo)盤 16度盤止動(dòng)螺釘 17底座 18望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺釘 19載物臺(tái)止動(dòng)螺釘 20望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺釘 21望遠(yuǎn)鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺釘 22望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘 23目鏡視度調(diào)節(jié)手輪1底座分光計(jì)底座（17）中心固定有一中心軸，望遠(yuǎn)鏡、度盤和游標(biāo)盤套在中心軸上，可繞中心軸旋轉(zhuǎn)。2平行光管平行光管安裝在固定立柱上，它的作用是產(chǎn)生平行光。平行光管由狹縫和透鏡組成，如圖3-7-2。狹縫寬度可調(diào)（范圍0.022mm），透鏡與狹縫間距可以通過伸縮狹縫筒進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)狹縫位于透鏡焦平面上時(shí)，由狹縫經(jīng)過透鏡出射的光為平行光。圖3-7-2 平行光管3自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡阿貝式自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡安裝在支臂上，支臂與轉(zhuǎn)座固定在一起并套裝在度盤上。它用來觀察和確定光線行進(jìn)方向。自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡由物鏡、目鏡、分劃板等組成（如圖3-7-3），三者間距可調(diào)。其中，分劃板上刻有“”形叉絲；分劃板下方與一塊45全反射小棱鏡的直角面相貼，直角面上涂有不透明薄膜，薄膜上劃有一個(gè)“十”形透光的窗口，當(dāng)小電珠光從管側(cè)經(jīng)另一直角面入射到棱鏡上，即照亮“十”字窗口。調(diào)節(jié)目鏡，使目鏡視場(chǎng)中出現(xiàn)清晰的“”形叉絲。在物鏡前方放置一平面鏡，然后調(diào)節(jié)物鏡，使分劃板位于物境焦平面上，那么從棱鏡“十”字口發(fā)出的綠光經(jīng)物鏡后成為平行光射向前方平面境，其反射光又經(jīng)物鏡成像于分劃板上。這時(shí)，從目鏡中可以看到清晰的“”形叉絲和綠色“十”字像。此時(shí)望遠(yuǎn)鏡已調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)，適合觀察平行光了。如果平面境的法線與望遠(yuǎn)鏡光軸方向一致，則綠色“十”字像位于分劃板“”形叉絲的上橫線上，如圖3-7-3中的視場(chǎng)。圖3-7-3 阿貝式自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)造1平面鏡 2物鏡 3分化板 4小電珠 5小棱鏡 6目鏡7目鏡視場(chǎng) 8綠十字反射鏡 4載物臺(tái)載物臺(tái)套裝在游標(biāo)盤上，可以繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，它用來放置光學(xué)元件。載物臺(tái)的高低、水平狀態(tài)可調(diào)。5讀數(shù)裝置讀數(shù)裝置由度盤和游標(biāo)盤組成。度盤圓周被分為720份，分度值為30，30以下需用游標(biāo)來讀數(shù)。游標(biāo)盤采用相隔180的雙窗口讀數(shù)；游標(biāo)上的30格與度盤上的29格角度相等，故游標(biāo)的最小分度值為1，圖3-7-4所示的位置應(yīng)讀作113 45。圖3-7-4 角游標(biāo)的讀法采用雙游標(biāo)讀數(shù)，是為了消除度盤中心與儀器中心軸不重合而引起的偏心差。測(cè)量時(shí)記錄下兩個(gè)窗口讀數(shù)然后取平均值即可。如圖3-7-5所示，當(dāng)度盤中心O與分光計(jì)中心軸O不重合時(shí)，轉(zhuǎn)過角度所對(duì)應(yīng)游標(biāo)數(shù)和PQ均不等于OO重合時(shí)轉(zhuǎn)過角所對(duì)應(yīng)正確讀數(shù)和，但根據(jù)平面幾何知識(shí)很容易證明：，采用雙游標(biāo)可使偏心差得以消除。圖3-7-5 偏心差圖示【實(shí)驗(yàn)步驟】在進(jìn)行分光計(jì)的調(diào)節(jié)前，首先應(yīng)明確對(duì)分光計(jì)的調(diào)節(jié)要求：望遠(yuǎn)鏡適合觀察平行光，或稱望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)；平行光管能發(fā)射平行光；望遠(yuǎn)鏡和平行光管的光軸均與分光計(jì)中心軸正交。然后對(duì)照儀器熟悉結(jié)構(gòu)和各調(diào)節(jié)螺釘?shù)淖饔?。一、目測(cè)粗調(diào)用眼睛直接觀察，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和平行光管的光軸高低調(diào)節(jié)螺釘（22和9），使兩者的光軸盡量呈水平狀態(tài)；調(diào)節(jié)載物臺(tái)下三只調(diào)平螺釘13，使載物臺(tái)呈水平狀態(tài)。粗調(diào)完成得好，可以減少后面細(xì)調(diào)的盲目性，使實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。二、細(xì)調(diào)1調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡合適觀察平行光（1）目鏡的調(diào)焦。調(diào)節(jié)目鏡視度調(diào)節(jié)手輪23，使視場(chǎng)中能看到分劃板上清晰的“”形叉絲像。（2）接通望遠(yuǎn)鏡燈源，把平面鏡按圖3-7-6所示位置放在載物臺(tái)上，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，從望遠(yuǎn)鏡中可見一光斑，若找不到說明粗調(diào)未調(diào)好，這時(shí)可用眼睛觀察平面鏡，找到反射光束，調(diào)節(jié)載物臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡光軸位置，使望遠(yuǎn)鏡能接收到反射光束，從目鏡視場(chǎng)中看到光斑。圖3-7-6 平臺(tái)鏡在載物臺(tái)上的位置（3）望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦。松開目鏡鎖緊螺釘6，前后移動(dòng)目鏡筒，當(dāng)光斑變?yōu)榍逦木G“十”字像，并且與分劃板“”形叉絲無視差時(shí)，望遠(yuǎn)鏡已調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)，適合觀察平行光了。2調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)180，觀察視場(chǎng)中有無綠“十”字像，若沒有則應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)載物臺(tái)水平和望遠(yuǎn)鏡光軸的高低，直至任意轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)180均能在望遠(yuǎn)鏡中看到經(jīng)平面鏡正、反兩面反射的綠“十”字像。從前面分光計(jì)的調(diào)節(jié)原理知道，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)中心軸時(shí)，經(jīng)平面鏡正、反兩面反射的“十”字像均應(yīng)重合在分劃板“”叉絲的上的橫絲上（如圖3-7-7所示）。在一般情況下，視場(chǎng)中看到兩面綠“十”字像并不重合，需要繼續(xù)仔細(xì)配合調(diào)節(jié)載物臺(tái)和望遠(yuǎn)鏡?？上日{(diào)載物臺(tái)調(diào)平螺釘（a2或a3）使綠“十”字像到“”形叉絲上橫絲距離減少一半；再調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸的俯仰調(diào)節(jié)螺釘使綠“十”字像與上橫絲重合。然后轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)180，重復(fù)上面調(diào)節(jié)步驟，反復(fù)幾次即可調(diào)好。此后望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘不可再動(dòng)。圖3-7-73調(diào)節(jié)載物平臺(tái)法線與分光計(jì)中心軸平行將平面鏡相對(duì)載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)90，然后轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)90，調(diào)平臺(tái)調(diào)平螺釘a1使平面鏡反射的綠“十”字像與“”形叉絲上橫形重合。4調(diào)節(jié)平行光管能發(fā)射平行光關(guān)閉望遠(yuǎn)鏡燈源，點(diǎn)燃光源使光照亮平行光管狹縫。用已調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)平行光管觀察，松開狹縫裝置鎖緊螺釘2，前后移動(dòng)狹縫套筒，使望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像，并且與叉絲無視差，此時(shí)平行光管發(fā)出平行光；調(diào)節(jié)狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪8，從望遠(yuǎn)鏡中觀察到縫寬約1mm左右。5調(diào)節(jié)平行光管光軸垂直于分光計(jì)中心軸松開狹縫裝置鎖緊螺釘2，轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫成水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)平行光管光軸高低調(diào)節(jié)螺釘9，使望遠(yuǎn)鏡中看到狹縫像的縫寬被分劃板中央橫絲上下平分（如圖3-7-8所示），再轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫90成豎直狀態(tài)，狹縫被中央橫絲上下平分。此時(shí)，平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直。在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)始終保持狹縫像清晰。圖3-7-8 3.7.2 光柵常數(shù)的測(cè)定衍射光柵是由大量平行、等寬、等距的狹縫（或刻痕）構(gòu)成，常分為透射光柵和反射光柵，是一種精密的分光元件?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹浚?）觀察光柵衍射現(xiàn)象，理解光柵衍射基本規(guī)律。（2）學(xué)會(huì)用分光計(jì)測(cè)光柵常數(shù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】設(shè)透射光柵的縫寬為，不透光部分寬度為，稱為光柵常數(shù)。當(dāng)單色平行光垂直入射到衍射光柵上，通過每個(gè)縫的光都將發(fā)生衍射，不同縫的光彼此干涉，當(dāng)衍射角滿足光柵方程 （3-7 -1）時(shí)，光波加強(qiáng)，產(chǎn)生主極大。若在光柵后加一會(huì)聚透鏡，則在其焦平面上形成分隔開的對(duì)稱分布的細(xì)銳明條紋（見圖*-9）。（a） （b）1光柵 2透鏡 3光強(qiáng)分布圖 光柵衍射條紋圖3-7-9 光柵衍射原理圖在式（3-7-1）中，為單色光波長，是明條紋級(jí)數(shù)。如果光源是包含有不同波長光波的復(fù)色光，經(jīng)光柵衍射后，對(duì)不同波長的光，除零級(jí)外，由于同一級(jí)主極大有不同的衍射角，因此在零級(jí)主極大兩邊出現(xiàn)對(duì)稱分布、按波長次序排列的譜線，稱為光柵光譜。根據(jù)光柵方程，若以已知波長的單色平行光垂直入射，只要測(cè)出對(duì)應(yīng)級(jí)次條紋的衍射角，即可求出光柵常數(shù)d。同樣，若d已知，即可求得入射光波長?！緦?shí)驗(yàn)儀器】分光計(jì)（JJY型），衍射光柵，光源（鈉光燈）【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】（1）按練習(xí)一的要求調(diào)節(jié)好分光計(jì)。（2）將衍射光柵放在載物臺(tái)上（按圖3-7-6中平面鏡位置）。（3）調(diào)節(jié)光柵平面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直。接通望遠(yuǎn)鏡燈源，仔細(xì)觀察被光柵平面反射的“十”字像，調(diào)節(jié)載物臺(tái)調(diào)平螺釘或，使“十”字像與分劃板“”形叉形上橫絲重合。（4）調(diào)節(jié)光柵的刻痕線平行于分光計(jì)中心軸。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，觀察衍射條紋，仔細(xì)調(diào)節(jié)載物臺(tái)調(diào)平螺釘a1，使視場(chǎng)中見到的各級(jí)亮紋都被分化板中央橫絲上下等分。（5）測(cè)量衍射角（本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量左右級(jí)條紋的夾角即2），固定游標(biāo)盤和載物臺(tái)，推動(dòng)支臂使望遠(yuǎn)鏡和度盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，將望遠(yuǎn)鏡分劃板豎直線移至左邊第三級(jí)條紋外，然后向右推動(dòng)支臂使分劃板豎直線靠近第三級(jí)明紋的左邊緣（或右邊緣），利用望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺釘（20）使條紋邊緣與分劃板豎線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，記錄此時(shí)游標(biāo)盤左、右窗讀數(shù)和，繼續(xù)向右移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡依次記錄左邊第二級(jí)、第一級(jí)明紋讀數(shù)和以及右邊一、二、三級(jí)明紋讀數(shù)和，各級(jí)條紋都以對(duì)準(zhǔn)左邊緣（或右邊緣）時(shí)讀數(shù)。【數(shù)據(jù)處理】（1）按下式計(jì)算第級(jí)衍射角：（2）按式（3-7-1）計(jì)算： （3）計(jì)算光柵常數(shù)d的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：簡(jiǎn)化處理，以時(shí)的近似表示。衍射角測(cè)量的儀器誤差限： 弧度， 忽略的不確定度d1的擴(kuò)展不確定度（4）寫出結(jié)果表達(dá)式：譜線(內(nèi)測(cè)線=588.996nm（外側(cè)線）=589.593nm級(jí)K1212游標(biāo)標(biāo)記 左游標(biāo)右游標(biāo)左游標(biāo)右游標(biāo)左游標(biāo)右游標(biāo)左游標(biāo)右游標(biāo)右側(cè)明紋24412640021850384624