分光計的調(diào)節(jié)和介質(zhì)折射率的測量實驗報告

1、大連理工大學成 績教師簽字大 學 物 理 實 驗 報 告院（系） 專業(yè) 班級 姓 名 學號 實驗臺號 實驗時間 年 月 日，第 周，星期 第 節(jié)實驗名稱 分光計的調(diào)節(jié)和介質(zhì)折射率的測量 教師評語 實驗目的與要求：1. 了解分光計的構(gòu)造與原理， 掌握分光計調(diào)節(jié)的思想和調(diào)節(jié)方法。2. 學會用最小偏向角法測量棱鏡的折射率。主要儀器設備：JJY1型分光計， 平面鏡， 鈉光燈， 玻璃三棱鏡實驗原理和內(nèi)容：1. 分光計的結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)原理分光計由望遠鏡， 載物臺， 平行光管， 刻度盤， 底座五部分組成； 各部分機構(gòu)及原理如下：望遠鏡為阿貝自準式望遠鏡， 通過支臂與轉(zhuǎn)座固定， 并可通過調(diào)節(jié)止動螺絲來控制與轉(zhuǎn)座共

2、同或相對轉(zhuǎn)動。 望遠鏡光軸的高低位置可以通過不同的螺釘調(diào)節(jié)， 通過手輪可以調(diào)節(jié)望遠鏡目鏡的焦距。望遠鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖， 由目鏡， 全反射棱鏡， 叉絲分劃板和物鏡組成， 自準直的原理是當位于物鏡焦平面上的透光十字刻線被下放小燈照亮后， 經(jīng)全反射棱鏡和物鏡射出后再被外界平面鏡反射回進入望遠鏡而投影到叉絲分劃板上成像， 與叉絲本身無像差時， 便證明望遠鏡準直且適合觀察平行光。 并且可以通過兩者調(diào)節(jié)望遠鏡的光軸垂直情況。（如右圖所示）平行光管產(chǎn)生平行光束用的裝置， 安裝于立柱上， 可以通過螺釘來微調(diào)其光軸位置。 平行光管的主要部件是會聚透鏡和狹縫。 當狹縫位于透鏡主焦面上時便可產(chǎn)生平行光。載物臺載物臺

3、用于放置待測物件， 并可以通過緊固螺釘來調(diào)節(jié)其位置。 調(diào)節(jié)到所需的位置后， 實驗過程中需要鎖緊所有的緊固螺絲?？潭缺P由外圈刻度和內(nèi)圈的兩個對稱游標組成， 外圈刻度為360°共720格， 讀數(shù)方法相同于游標卡尺。 設置兩個對稱游標的目的是為了消除刻度盤中心和儀器轉(zhuǎn)軸中心偏差所帶來的實驗誤差， 讀取刻度時， 將兩個游標的讀書取平均， 便是望遠鏡位置的實際讀數(shù)， 即底座底座的作用是支撐之上的各個儀器部件， 并且在底座上接有外接電源的插座， 以給儀器供電。2. 最小偏向角法測棱鏡折射率的原理如圖所示， 一束光射入棱鏡后發(fā)生兩次折射， 入射角為i， 出射角為i， 出入射光線的偏向角為， 可知有

4、以下關系： ， 為棱鏡的頂角。 且可以證明， 當i=i時， 偏向角達到最小值， 稱為最小偏向角， 結(jié)合相關幾何關系與折射定律， 可以得到以下關系式：可見只要測得棱鏡的頂角和最小偏向角， 便可以計算出棱鏡的折射率n。步驟與操作方法：1. 分光計的調(diào)節(jié)分光計的調(diào)節(jié)主要目的是使待測角平面與讀數(shù)盤平面相平行以保證測量的準確， 即通過調(diào)整載物臺， 望遠鏡和平行光管三者的基準軸均與儀器中心軸線垂直。具體調(diào)節(jié)要求為：平行光管出射平行光， 望遠鏡聚焦于無窮遠處，經(jīng)過兩管及待測光學器件的光路所組成的平面與中心轉(zhuǎn)軸相垂直。具體調(diào)節(jié)步驟如下：1. 目測粗調(diào)。 初步調(diào)節(jié)使望遠鏡和平行光管的光軸大致與中心轉(zhuǎn)軸垂直， 使

5、載物臺大致呈水平狀態(tài)。2. 用自準法調(diào)節(jié)望遠鏡聚焦于無窮遠接上儀器電源， 并將一雙面反射平面鏡置于載物臺上， 放置方式如圖所示。之后轉(zhuǎn)動載物臺， 同時在望遠鏡內(nèi)尋找綠色十字的光斑。調(diào)節(jié)目鏡套筒使十字成像清晰后， 并檢查是否存在視差， 若沒有， 說明望遠鏡已經(jīng)聚焦于無窮遠。3. 調(diào)節(jié)望遠鏡轉(zhuǎn)軸垂直于分光計中心轉(zhuǎn)軸將平面鏡旋轉(zhuǎn)180°， 然后通過目測尋找和調(diào)節(jié)螺釘改變望遠鏡光軸方向的方法， 在望遠鏡中找到平面鏡另一面所反射的綠色十字像，采用漸近法調(diào)節(jié)使綠色十字像與分劃板上十字叉絲相重合， 然后用同樣的方法調(diào)節(jié)另一面反射的綠色十字像， 雙方都調(diào)節(jié)完畢后， 望遠鏡的光軸已垂直儀器中心轉(zhuǎn)軸。

6、之后望遠鏡的高低調(diào)節(jié)螺釘不能再動。4. 調(diào)節(jié)平行光管使其發(fā)出平行光移去中央載物臺上的平面鏡， 用白紙在平行光管的物鏡端檢查并調(diào)節(jié)光源的位置以確保其發(fā)出的光在物鏡的整個孔徑上照明均勻?qū)⒁呀?jīng)調(diào)節(jié)完畢的望遠鏡的內(nèi)部照明光源關閉， 然后對準平行光管以得到狹縫的像。前后移動狹縫套筒使望遠鏡中得到的像清晰并且與分劃板上的十字叉絲無視差后， 說明平行光管發(fā)射的已經(jīng)使平行光。 最后調(diào)節(jié)狹縫寬度至0.5mm左右。5. 調(diào)節(jié)平行光管的光軸與儀器中心軸線相垂直轉(zhuǎn)動狹縫套筒使狹縫的像轉(zhuǎn)至水平位置， 通過螺釘調(diào)整平行光管的位置使狹縫的像與分劃板上的十字叉絲水平線相平行， 并且像中心對準于十字叉絲的中心點； 然后將狹縫套

7、筒轉(zhuǎn)回到垂直位置， 并確認像與垂直十字叉絲相重合， 此時平行光管光軸調(diào)節(jié)完畢， 將光管和狹縫套筒的相關緊固螺釘鎖死。2. 用最小偏向角法測三棱鏡的折射率1， 調(diào)節(jié)三棱鏡的主截面垂直于儀器轉(zhuǎn)軸目的是調(diào)節(jié)三棱鏡兩個折射面的法線垂直于儀器轉(zhuǎn)軸。 將三棱鏡如圖方式放置， 則工作面AB，AC的法線俯仰分別由a1和a3兩個螺釘控制并且不會相互影響。 某一個反射面AB法線位置的調(diào)節(jié)就是通過調(diào)節(jié)其對應的控制螺釘a1， 使得望遠鏡可以看到通過該面反射回來的綠色十字像， 并且十字像與分劃板中的上十字叉絲相重合， 說明反射面該面的法線方向調(diào)節(jié)完畢。另一個反射面的調(diào)節(jié)方式亦如此（ACa2）。調(diào)節(jié)過程中與工作面無關的第

8、三個螺釘a2勿動。2， 反射法測頂角將三棱鏡置于載物臺上， 頂角一端靠近載物臺中心， 并且對準平行光管， 如圖所示。 然后用望遠鏡分別在I和II位置可以找到狹縫的像。 當望遠鏡的十字叉絲對準狹縫像的中心時， 記下刻度盤的讀數(shù)1和1， 在另一個位置也同樣讀出刻度盤的讀數(shù)2和2。 則棱鏡頂角的大小可以通過一下關系式來計算：以上測量過程重復進行5次。3， 測最小偏向角將三棱鏡放置于載物臺上， 使平行光管射出的平行光從棱鏡的一個折射面射入， 從另一個面射出。 左右旋動望遠鏡位置以找到出射光的像（狹縫像）。 然后轉(zhuǎn)動載物臺改變?nèi)肷涿嫦鄬εc平行光管的角度， 入射角隨之改變， 同時注意觀察出射光線角度的變化

9、， 并用望遠鏡追蹤以保證狹縫的像始終在望遠鏡的視野內(nèi)。 在追蹤過程中發(fā)現(xiàn)出射光的像移動到某一位置時停頓一下并開始往反方向移動， 說明這個停頓位置即為最小偏向角對應的出射光位置I。 將載物臺的位置固定于此， 然后轉(zhuǎn)動望遠鏡使其十字叉絲的中心對準狹縫像的中心， 讀取刻度盤上望遠鏡的角位置1和1。轉(zhuǎn)動載物臺， 使得整個折射光路向與剛才對稱的方向進行， 同樣通過望遠鏡的追蹤找到最小偏向角的位置II以后固定， 讀取刻度盤上望遠鏡的角位置2和2。 如上頁圖中所示的幾何關系， 此時同一游標前后兩次讀數(shù)之差為最小偏向角的兩倍。 則最小偏向角的計算公式如下：以上測量過程重復5次。最后綜合所測得的棱鏡頂角和最小偏

10、向角， 結(jié)合之前實驗原理中所敘述的折射率計算公式， 代入公式中， 即可求得該三棱鏡的折射率n， 并計算折射率n的不確定度。注意： 本實驗中各個光學儀器均為精密儀器， 在未松開緊固螺絲之前不可強行移動， 以免損壞； 另外以其上的光學反射面和透射面不可用手觸碰， 以免留下污漬而影響光學效果。數(shù)據(jù)記錄與處理：1, 測量頂角的數(shù)據(jù)123451238°37238°37238°28238°24238°24158°3858°2558°2158°2058°222118°41118°26118

11、°25118°49118°252298°39298°22298°22298°39298°23轉(zhuǎn)化為弧度制， 得到這樣的數(shù)據(jù)：1234514.1654.1654.1624.1614.16111.0231.0201.0181.0181.01922.0712.0672.0672.0742.06725.2125.2075.2075.2125.2082， 測量最小偏向角min123451229°39229°38229°40229°39229°38149°4849&#

12、176;3949°3949°4749°422127°58127°57127°57127°56127°572307°56307°54307°53307°54307°55轉(zhuǎn)化為弧度制， 得到這樣的數(shù)據(jù)：1234514.0084.0084.0084.0084.00810.8690.8670.8670.8690.86722.2332.2312.2332.2332.23325.3745.3745.3745.3745.374以下數(shù)據(jù)處理過程中， 為方便計算， 所有角度未加注明，

13、 均為弧度制表示結(jié)果與分析：根據(jù)上一頁的數(shù)據(jù)進行計算， 首先計算棱鏡的頂角：得到、 、 、 的各自平均值如下：4.1631.0202.0695.210下面根據(jù)各組數(shù)據(jù)， 分別計算、 、 、 的各自A類不確定度：的A類不確定度：xi-avg0.002 0.002 -0.001 -0.002 -0.002 20.000004156 0.000004156 0.000000336 0.000003058 0.000003058 SUM20.000014764 S0.001280791s'0.000405022t92.26U0.000915349的A類不確定度：xi-avg0.004 0.00

14、0 -0.001 -0.002 -0.001 20.000013820 0.000000003 1.49263E-060.000002306 0.000000856 SUM20.000018477 S0.001432824s'0.000453099t92.26U0.001024003的A類不確定度：xi-avg0.002 -0.002 -0.002 0.005 -0.002 20.000002703 0.000003740 4.97527E-060.000022570 0.000004975 SUM20.000038963 S0.002080685s'0.00065797t92

15、.26U0.001487013的A類不確定度：xi-avg0.003 -0.002 -0.002 0.003 -0.002 20.000008455 0.000004127 4.12725E-060.000008455 0.000003071 SUM20.000028235 S0.001771213s'0.000560107t92.26U0.001265841總的A類不確定度為：B類不確定度：頂角的合成不確定度：頂角的測量結(jié)果表達式為： rad根據(jù)第二部分的數(shù)據(jù)， 計算該棱鏡的最小偏向角min：得到、 、 、 的各自平均值如下：4.0080.8682.2335.374下面根據(jù)各組數(shù)據(jù)，

16、 分別計算、 、 、 的各自A類不確定度：的A類不確定度：xi-avg0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 20.000000004 0.000000056 0.000000127 0.000000004 0.000000056 SUM20.000000246 S0.000165495s'5.2334E-05t92.26U0.000118275的A類不確定度：xi-avg0.001 -0.001 -0.001 0.001 0.000 20.000002119 0.000001351 0.000001351 0.000001343 0.000000084 SUM20

17、.000006248 S0.000833205s'0.000263482t92.26U0.00059547的A類不確定度：xi-avg0.001 -0.001 0.000 0.000 0.000 20.000000417 0.000001950 0.000000122 0.000000003 0.000000122 SUM20.000002613 S0.000538827s'0.000170392t92.26U0.000385086的A類不確定度：xi-avg0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 20.000000216 0.000000012 0.000

18、000167 0.000000012 0.000000028 SUM20.000000435 S0.000219939s'6.95509E-05t92.26U0.000157185總的A類不確定度為：B類不確定度：最小偏向角的合成不確定度：最小偏向角的測量結(jié)果表達式為： rad計算棱鏡的折射率及其不確定度那么該棱鏡折射率的最終結(jié)果表達式為： 討論、建議與質(zhì)疑：3. 當望遠鏡中看到綠色十字像與分劃板上方的十字叉絲重合時， 光路圖如下所示：由于分劃板上的上十字叉絲與下方的綠色亮紋在豎直方向上是中心對稱的， 當綠色像與上十字叉絲重合時， 說明整個由綠色亮紋發(fā)出返回分劃板的光路也是上下中心對稱的， 而根據(jù)平行光的特點及平面鏡反射定律， 結(jié)合光路圖可以看到， 要使此時的光路上下對稱， 必須的條件就是望遠鏡的光軸與平面鏡的法線相平行。 故