實驗12分光計的調節(jié)和使用解讀

1、山基礎物理實驗T3實驗 12 分光計的調節(jié)和使用一、實驗目的1 1了解分光汁的結構，學習正確調節(jié)和使用分光計的方法。2 2 用分光計測定三棱鏡的頂角。二、實驗儀器分光計、平面反射鏡、三棱鏡、汞燈等。三、實驗原理分光計是一種能精確測量角度的光學儀器。用它可以測定光線偏轉角度，如反射角、 折射角、衍射角等等，而不少光學量（如光波波長、折射率、光柵常數(shù)等）可通過測量相 關角度來確定。了解分光計的結構，正確調節(jié)分光計，對減小測量誤差、提高測量精度是 十分重耍的。1.1.分光計的結構347圖 12-1 分光計結構圖分光計主要由平行光管、 望遠鏡、載物臺和讀數(shù)裝置四部分組成， 其結構如圖 12-112-1

2、 所 示。平行光管用來發(fā)射平行光， 望遠鏡用來接收平行光， 載物臺用來放置三棱鏡、 平面鏡、 光柵等物體，讀數(shù)裝置用來測量角度。分光計上有許多調節(jié)螺絲，它們的代號、名稱和功能見下表。-104-山 基礎物理實驗代號名稱功能1平行光管光軸水平調節(jié)螺絲調節(jié)平行光管光軸的水平方位（水平面上方位調節(jié)）2平行光管光軸高低調節(jié)螺絲調節(jié)平行光管光軸的傾斜度（鉛直面上方位調節(jié)）3狹縫寬度調節(jié)手輪調節(jié)狹縫寬度（0.022.00mm）4狹縫裝置固定螺絲松開時，調平行光；調好后鎖緊，以固定狹縫裝置5載物臺調平螺絲（3 只）臺面水平調節(jié)（本實驗中，用來調平面鏡和三棱鏡折 射面平行于中心軸。）6載物臺固定螺絲松開時，載物

3、臺可單獨轉動、升降，鎖緊后，使載物 臺與游標盤固聯(lián)7叉絲套筒固定螺絲松開時，叉絲套筒可自由伸縮、轉動（物鏡調焦）；調好后鎖緊，以固定叉絲套筒8目鏡視度調節(jié)手輪目鏡調焦用（調節(jié) 8,可使視場中叉絲清晰）9望遠鏡光軸高低調節(jié)螺絲調節(jié)望遠鏡光軸的傾斜度（鉛直面上方位調節(jié)）10望遠鏡光軸水平調節(jié)螺絲（在圖后側）調節(jié)望遠鏡光軸的水平方位（水平面上方位調節(jié)）11望遠鏡微調螺絲（在圖后側）在鎖緊 13 后，調 11 可使望遠鏡繞中心軸緩慢轉動12刻度盤與望遠鏡固聯(lián)螺絲松開 12，兩者可相對轉動；鎖緊 12,兩者固聯(lián)，才能 一起轉動13望遠鏡止動螺絲（在圖后側）松開 13,可用手大幅度轉動望遠鏡；鎖緊13,微

4、調螺絲 11 才起作用14游標盤微調螺絲鎖緊 15 后，調 14 可使游標盤作小幅度轉動15游標盤止動螺絲松開 15,游標盤能單獨作大幅度轉動；鎖緊15,微調螺絲 14 才起作用分光計的讀數(shù)裝置由刻度盤和游標盤兩部分組成?？潭缺P分為360360。，最小分度為半度（3030）半度以下的角度可借助游標準確讀出。游標等分為3030 格，游標的這 3030 小格正好跟刻度盤上的 2929 小格對齊，因此知道游標上1 1 小格為 2929,游標上 1 1 小格與刻度盤上 1 1小格兩者之差為 1 1。從而推知游標上 n n 小格與刻度盤上 n n 小格相差 n no角游標的讀法與直游標（如游標卡尺）相似

5、，以游標零線為基準，先讀出大數(shù)（大于3030的部分），再利用游標讀出小數(shù)（小于3030 的部分），大數(shù)跟小數(shù)之和即為測量結果?，F(xiàn)舉二例試讀（見圖 12-212-2 ）o山基礎物理實驗T5149 +22/ 149 22 /149 30 / +14 149 44 /圖 12-2角游標的讀數(shù)示例在生產(chǎn)分光計時，難以做到使望遠鏡、刻度盤的旋轉軸線與分光計中心軸完全重合。 為消除刻度盤與分光計中心軸偏心而引起的誤差， 在游標盤同一條直徑的兩端各裝一個讀 數(shù)游標。 測量時兩個游標都應讀數(shù)，然后分別算出每個游標兩次讀數(shù)之差，取其平均值作 為測量結果。用雙游標消除偏心誤差的原理詳見附注。2.2.分光計的調節(jié)概

6、括地說，分光計的調整要求是： 使平行光管出射平行光； 望遠鏡適合于接收平行光； 平行光管和望遠鏡的光軸等高并與分光計中心軸垂直。在正式調整前，先目測粗調：使望遠鏡和平行光管對直，并都對準分光計中心軸；將載物臺、望遠鏡和平行光管大致調水平（實際要求與分光計中心軸垂直）。這一步很重要,只有做好粗調，才能按下列步驟進一步細調（否則細調難以進行）：（1 1）調整望遠鏡使其達到下面兩條要求（望遠鏡是由物鏡鏡筒、叉絲套筒和目鏡鏡15S*155*圖 12-3阿貝目鏡式望遠鏡的結構和視場-6山基礎物理實驗筒三部分組成。叉絲到目鏡和物鏡的距離皆可調節(jié)。常用的阿貝目鏡式望遠鏡的結構和視 場如上頁圖 12-12-3

7、 3所示）：用自準法調節(jié)望遠鏡，使之適合于接收平行光：點亮望遠 鏡側窗的照明燈將叉絲照亮，前后移動目鏡使叉絲位于目鏡焦平 面上，此時叉絲看得很清楚。 再按圖 12-412-4 所示位置，將平面反射 鏡置于載物臺上（鏡面朝望遠鏡）。然后緩慢轉動載物臺，同時調 節(jié)叉絲套筒（改變叉絲與物鏡間距），從望遠鏡中找到由平面鏡反 射回來的模糊光斑（如果找不到，則粗調沒有達到要求，應重調）。 找到光斑后進一步細調叉絲套筒，光斑逐漸變變成清晰的“十” 字形像（它是叉絲平面上小黑十字的反射像）。當叉絲位于物鏡焦平面上時，叉絲發(fā)出的光經(jīng)過物鏡后成為平行光，平行光經(jīng)平面 鏡反射再次通過物鏡后仍成像于叉絲平面。此時，從

8、目鏡中可同 時看清叉絲與“十”字形像，且兩者無視差。至此，叉絲既落在 目鏡焦平面上又落在物鏡焦平面上，望遠鏡已適合于接收平行光。 各鏡筒間的相對位置就不應改變了。要補充說明的是，叉絲套筒在調節(jié)過程中應做適當轉動，使豎直叉絲平行于分光計中心軸（怎樣鑒別是否已達到了這一要求？）。使望遠鏡光軸垂直于分光計中心軸：測量中，平行光管和望遠鏡分別代表入射光和出射光方向。為保證測量精度，應使它們的光軸與刻度盤平行。由于制造儀器時刻度盤已 與分光計中心軸垂直，所以只需調節(jié)它們的光軸與中心軸垂直就可以了。望遠鏡調好焦后，從目鏡中能同時看清叉絲和“十”字形像，且兩者無視差。但“十”字形像一般不處于小黑十字的對稱位

9、置（aaaa，線）上。其原因可能是望遠鏡光軸未垂直中心軸，也可能是平面鏡鏡面與中心軸不平行，或者兩者兼有。為使望遠鏡光軸垂直中心軸，調整方法如下：首先檢查平面鏡正反兩面分別正對望遠鏡時，視場中是否都能找到“十”字形像（如果找不到或只找到一個， 說明粗調不合格， 應進一步調整） 。 然后用螺絲 9 9 調節(jié)望遠鏡光軸 傾斜度， 使“十”字形像到 aaaa，線的距離減小一半，再調載物臺螺絲G G1（或 G G3）使兩者重合。把載物臺轉 180180。，使平面鏡的反面正對望遠鏡，再次用“各半調節(jié)法”同樣調節(jié)。 如此反復調節(jié)，直到平面鏡任一面正對望遠鏡時，視場中的“十”字形像都落在調整叉絲 aaaa，

10、上時為止。此時，望遠鏡光軸就與中心軸垂直了。望遠蹟n圖 12-4平面鏡在載物臺上的放法山基礎物理實驗T7調節(jié)過程中，不必刻板地運用“各半調節(jié)法”。若發(fā)現(xiàn)正反兩面的反射像縱向位移較大，說明平面鏡鏡面與中心軸明顯不平行，就應側重調節(jié)螺絲G Gi或 G G3。如果縱向位移不大，但反射像都遠離 aaaa，線，這表明望遠鏡光軸與中心軸明顯不垂直，就該側重調節(jié)螺絲 9 9 了。(2 2 )調整平行光管。1調整平行光管使之出射平行光：平行光管是由兩個可以相對滑動的套簡組成的，外 筒上裝有一組消色差透鏡，內(nèi)筒外端裝有一個寬度可調的狹縫。調節(jié)時先取下載物臺上的平面鏡，點亮汞燈使之正照狹縫。然后一邊調節(jié)平行光管上

11、狹縫和透鏡的間距，一邊用調好焦的望遠鏡對準平行光管觀察。當狹縫正好調到透鏡焦平 面上時，平行光管就出射平行光。由于望遠鏡已適合于接收平行光，因此平行光射入望遠 鏡后將在叉絲平面成像。這時從望遠鏡中能看到清晰的與叉絲無視差的狹縫像。這就是說，我們是以調好焦的望遠鏡視場中，能否產(chǎn)生清晰的、無視差的狹縫像作為 判據(jù)，來判別平行光管出射的是否是平行光的。2使平行光管光軸與分光計中心軸垂直：調節(jié)螺絲3 3 使狹縫像寬約 1mm1mm 多，再轉動狹縫使狹縫像平行于豎直叉絲， 然后調節(jié)平行光管光軸水平調節(jié)螺絲 1 1 和高低調節(jié)螺絲 2 2, 把狹縫像精確調到視場中心且被十字叉絲所等分。至此，平行光管與望遠

12、鏡的光軸重合且與分光計中心軸垂直。四、實驗內(nèi)容1.1. 調整分光計按分光計的調整要求和調節(jié)方法，正確調節(jié)分光計至正常工作狀態(tài)。2.2. 調節(jié)三棱鏡要使三棱鏡兩折射面與分光計中心軸平行(即與已調好的望遠鏡光軸垂直)。(1)將三棱鏡按圖 12-512-5 那樣平放在載物臺上。 圖中 ABCABC 表示三棱鏡的橫截面，ABAB、ACAC、BCBC 是三棱鏡的三個側面。其中，ABAB、ACAC 兩個側面是透光的光學表面 (稱為折射面)、側面 BCBC 是毛 玻璃面(稱為底面)。三棱鏡兩折射面的夾角二稱為頂角。放置三棱鏡時，頂角要靠近載物臺中央，折射 面要與載物臺下調平螺絲的連線垂直。(2) 轉動載物臺

13、，使三棱鏡的一個折射面正對 望遠鏡。調節(jié)載物臺調平螺絲，使“十”字形反射像 落在調整叉絲 aaaa上。轉動載物臺使另一折射面正對圖 12-5 三棱鏡的放法-8山基礎物理實驗望遠鏡，再按上述方法重新調節(jié)。來回反復調節(jié)幾次，直到兩個折射面都垂直于望遠鏡光軸為止。注意：調節(jié)過程中只能調節(jié)載物臺下的調平螺絲，不能動望遠鏡下的方位調節(jié)螺 絲。3.3.用反射法測三棱鏡頂角轉動載物臺，使三棱鏡頂角對準平行光 管，讓平行光管射出的光束照在三棱鏡兩個 折射面上（見圖12-612-6 ）。將望遠鏡轉至 I I 處 觀測左側反射光，調節(jié)望遠鏡微調螺絲（1111）， 使望遠鏡豎直叉絲對準狹縫像中心線。再分別從兩個游標

14、讀出左側反射光的方位角v vA A、;然后將望遠鏡轉至 n 處觀測右側反射光，相同方法讀出右側反射光的方位角、TB。由圖 12-612-6 可以證明頂角為cp 1* =二=丄（兀-兀+S+S - -S S）24要求測量 3 3 次以上，求平均值和不確定度，數(shù)據(jù)表格自擬。每次測量完后可以稍微變動載物臺位置，再測下一次。五、注意事項1 1 三棱鏡要輕拿輕放，要注意保護光學表面，不要用手觸摸折射面。2 2用反射法測頂角時， 三棱鏡頂角應靠近載物臺中央放置（即離平行光管遠一些） 否則反射光不能進入望遠鏡。3 3 在計算望遠鏡轉角時， 要注意望遠鏡轉動過程中是否經(jīng)過刻度盤零點，如經(jīng)過零點，應在相應讀數(shù)加上 360360。后再計算。六、問題討論1 1 在載物臺上放置三棱鏡時，為什么要使折射面垂直于載物臺調平螺絲的連線？2 2 不用汞燈和平行光管， 利用望遠鏡自身產(chǎn)生的平行光來測三棱鏡頂角的方法稱為自 準法。試用自準法測三棱鏡頂角，并說明測量原理和方法。9/9/3 3 試利用圖 12-612-6，證明反射法測三棱鏡頂角的測量公式：二2。圖 12-6用反射法測三棱鏡頂角山基礎物理實驗T9七、附注：雙游標消除偏心誤差原理測量時，游標盤、載物臺均與分光計整體固聯(lián)，而望遠鏡與