實(shí)驗(yàn)三、分光計(jì)的調(diào)節(jié)及棱鏡玻璃折射率的測定

1、實(shí)驗(yàn)三、分光計(jì)的調(diào)節(jié)及棱鏡玻璃折射率的測定實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解分光計(jì)的結(jié)構(gòu),掌握調(diào)節(jié)和使用分光計(jì)的方法;2、掌握測定三棱鏡頂角的方法;3、用最小偏向角法測定三棱鏡玻璃的折射率。實(shí)驗(yàn)儀器分光計(jì)、鈉燈、平面鏡、三棱鏡實(shí)驗(yàn)原理三棱鏡如圖 1 所示,AB和AC是透光的光學(xué)表面,又稱折射面,其夾角稱為三棱鏡的頂角;BC為毛玻璃面,稱為三棱鏡的底面。 圖1三棱鏡示意圖1、反射法測三棱鏡頂角如圖 2 所示,一束平行光入射于三棱鏡,經(jīng)過AB面和AC面反射的光線分別沿3T 和4T 方位射出,3T 和4T 方向的夾角記為,由幾何學(xué)關(guān)系可知:431|22T T |= (1 圖2反射法測頂角2、最小偏向角法測三棱鏡玻璃的

2、折射率假設(shè)有一束單色平行光LD入射到棱鏡上,經(jīng)過兩次折射后沿ER方向射出,則入射光線LD與出射光線ER間的夾角稱為偏向角,如圖3所示。 圖3最小偏向角的測定轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡,改變?nèi)肷涔鈱鈱W(xué)面AC的入射角,出射光線的方向ER也隨之改變,即偏向角發(fā)生變化。沿偏向角減小的方向繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡,使偏向角逐漸減小;當(dāng)轉(zhuǎn)到某個(gè)位置時(shí),若再繼續(xù)沿此方向轉(zhuǎn)動(dòng),偏向角又將逐漸增大,此位置時(shí)偏向角達(dá)到最小值,測出最小偏向角min 。可以證明棱鏡材料的折射率n 與頂角及最小偏向角的關(guān)系式為min sin2sin 2A n A += (2實(shí)驗(yàn)中,利用分光鏡測出三棱鏡的頂角及最小偏向角min,即可由上式算出棱鏡材料的折射

3、率n實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、分光計(jì)的調(diào)整在進(jìn)行調(diào)整前,應(yīng)先熟悉所使用的分光計(jì)中下列螺絲的位置:目鏡調(diào)焦(看清分劃板準(zhǔn)線手輪; 望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦(看清物體調(diào)節(jié)手輪(或螺絲;調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡高低傾斜度的螺絲;控制望遠(yuǎn)鏡(連同刻度盤轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)螺絲;調(diào)整載物臺(tái)水平狀態(tài)的螺絲;控制載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)螺絲;調(diào)整平行光管上狹縫寬度的螺絲;調(diào)整平行光管高低傾斜度的螺絲;平行光管調(diào)焦的狹縫套筒制動(dòng)螺絲。(1目測粗調(diào)。將望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)、平行光管用目測粗調(diào)成水平,并與中心軸垂直(粗調(diào)是后面進(jìn)行細(xì)調(diào)的前提和細(xì)調(diào)成功的保證。(2用自準(zhǔn)法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡,使其聚焦于無窮遠(yuǎn)。調(diào)節(jié)目鏡調(diào)焦手輪,直到能夠清楚地看到分劃板"準(zhǔn)線"為止。接上

4、照明小燈電源,打開開關(guān),可在目鏡視場中看到如圖4所示的“準(zhǔn)線”和帶有綠色小十字的窗口。 圖4目鏡視場將雙面鏡按圖5所示方位放置在載物臺(tái)上。這樣放置是出于這樣的考慮:若要調(diào)節(jié)平面鏡的俯仰,只需要調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的螺絲a1或a2即可,而螺絲a3的調(diào)節(jié)與平面鏡的俯仰無關(guān)。 圖5平面鏡的放置沿望遠(yuǎn)鏡外側(cè)觀察可看到平面鏡內(nèi)有一亮十字,輕緩地轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái),亮十字也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。但若用望遠(yuǎn)鏡對著平面鏡看,往往看不到此亮十字,這說明從望遠(yuǎn)鏡射出的光沒有被平面鏡反射到望遠(yuǎn)鏡中。我們?nèi)詫⑼h(yuǎn)鏡對準(zhǔn)載物臺(tái)上的平面鏡,調(diào)節(jié)鏡面的俯仰,并轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)讓反射光返回望遠(yuǎn)鏡中,使由透明十字發(fā)出的光經(jīng)過物鏡后(此時(shí)從物鏡出來的光還不一定是

5、平行光,再經(jīng)平面鏡反射,由物鏡再次聚焦,于是在分劃板上形成模糊的像斑(注意:調(diào)節(jié)是否順利,以上步驟是關(guān)鍵。然后先調(diào)物鏡與分劃板間的距離,再調(diào)分劃板與目鏡的距離使從目鏡中既能看清準(zhǔn)線,又能看清亮十字的反射像。注意使準(zhǔn)線與亮十字的反射像之間無視差,如有視差,則需反復(fù)調(diào)節(jié),予以消除。如果沒有視差,說明望遠(yuǎn)鏡已聚焦于無窮遠(yuǎn)。(3調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸,使之與分光計(jì)的中心軸垂直。平行光管與望遠(yuǎn)鏡的光軸各代表入射光和出射光的方向。為了測準(zhǔn)角度,必須分別使它們的光軸與刻度盤平行。刻度盤在制造時(shí)已垂直于分光計(jì)的中心軸。因此,當(dāng)望遠(yuǎn)鏡與分光計(jì)的中心軸垂直時(shí),就達(dá)到了與刻度盤平行的要求。具體調(diào)整方法為:平面鏡仍豎直置于載

6、物臺(tái)上,使望遠(yuǎn)鏡分別對準(zhǔn)平面鏡前后兩鏡面,利用自準(zhǔn)法可以分別觀察到兩個(gè)亮十字的反射像。如果望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計(jì)的中心軸相垂直,而且平面鏡反射面又與中心軸平行,則轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí),從望遠(yuǎn)鏡中可以兩次觀察到由平面鏡前后兩個(gè)面反射回來的亮十字像與分劃板準(zhǔn)線的上部十字線完全重合,如圖6(c所示。若望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸不垂直,平面鏡反射面也不與中心軸相平行,則轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí),從望遠(yuǎn)鏡中觀察到的兩個(gè)亮十字反射像必然不會(huì)同時(shí)與分劃板準(zhǔn)線的上部十字線重合,而是一個(gè)偏低,一個(gè)偏高,甚至只能看到一個(gè)。這時(shí)需要認(rèn)真分析,確定調(diào)節(jié)措施,切不可盲目亂調(diào)。重要的是必須先粗調(diào):即先從望遠(yuǎn)鏡外面目測,調(diào)節(jié)到從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)能觀察到

7、兩個(gè)亮十字像;然后再細(xì)調(diào):從望遠(yuǎn)鏡視場中觀察,當(dāng)無論以平面鏡的哪一個(gè)反射面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡,均能觀察到亮十字時(shí),如從望遠(yuǎn)鏡中看到準(zhǔn)線與亮十字像不重合,它們的交點(diǎn)在高低方面相差一段距離如圖6(a所示。 此時(shí)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡高低傾斜螺絲使差距減小為h/2,如圖6(b所示。再調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的水平調(diào)節(jié)螺絲,消除另一半距離,使準(zhǔn)線的上部十字線與亮十字線重合,如圖6(c所示。之后,再將載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)180o ,使望遠(yuǎn)鏡對著平面鏡的另一面,采用同樣的方法調(diào)節(jié)。如此反復(fù)調(diào)整,直至轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí),從平面鏡前后兩表面反射回來的亮十字像都能與分劃板準(zhǔn)線的上部十字線重合為止。這時(shí)望遠(yuǎn)鏡光軸和分光計(jì)的中心軸相垂直,常稱這種方法為逐次逼近各

8、半調(diào)整法。 圖6 亮十字像與分劃板準(zhǔn)線的位置關(guān)系(4調(diào)整平行光管用前面已經(jīng)調(diào)整好的望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)平行光管。當(dāng)平行光管射出平行光時(shí),則狹縫成像于望遠(yuǎn)鏡物鏡的焦平面上,在望遠(yuǎn)鏡中就能清楚地看到狹縫像,并與準(zhǔn)線無視差。調(diào)整平行光管產(chǎn)生平行光。取下載物臺(tái)上的平面鏡,關(guān)掉望遠(yuǎn)鏡中的照明小燈,用鈉燈照亮狹縫,從望遠(yuǎn)鏡中觀察來自平行光管的狹縫像,同時(shí)調(diào)節(jié)平行光管狹縫與透鏡間的距離,直至能在望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像為止,然后調(diào)節(jié)縫寬使望遠(yuǎn)鏡視場中的縫寬約為1mm。調(diào)節(jié)平行光管的光軸與分光計(jì)中心軸相垂直。望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像后,轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫(但不能前后移動(dòng)至水平狀態(tài),調(diào)節(jié)平行光管傾斜螺絲,使狹縫水平像被分劃板的中央

9、十字線上、下平分,如圖7(a所示。這時(shí)平行光管的光軸已與分光計(jì)中心軸相垂直。再把狹縫轉(zhuǎn)至鉛直位置,并需保持狹縫像最清晰而且無視差,位置如圖7(b所示。圖 7 狹縫像與分劃板位置 至此分光計(jì)已全部調(diào)整好， 使用時(shí)必須注意分光計(jì)上除刻度圓盤制動(dòng)螺絲及 其微調(diào)螺絲外，其它螺絲不能任意轉(zhuǎn)動(dòng)，否則將破壞分光計(jì)的工作條件，需要重 新調(diào)節(jié)。 2、 測量 在正式測量之前，請先弄清你所使用的分光計(jì)中下列各螺絲的位置：控制 望遠(yuǎn)鏡（連同刻度盤）轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)螺絲；控制望遠(yuǎn)鏡微動(dòng)的螺絲。 (1用反射法測三棱鏡的頂角 如圖 2 所示，使三棱鏡的頂角對準(zhǔn)平行光管，開啟鈉光燈，使平行光照射 在三棱鏡的AC、AB面上，旋緊游標(biāo)

10、盤制動(dòng)螺絲，固定游標(biāo)盤位置，放松望遠(yuǎn)鏡制 動(dòng)螺絲，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡（連同刻度盤）尋找AB面反射的狹縫像，使分劃板上豎直線 與狹縫像基本對準(zhǔn)后，旋緊望遠(yuǎn)鏡螺絲，用望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲使豎直線與狹縫完全 重合，記下此時(shí)兩對稱游標(biāo)上指示的讀數(shù) T3 、T3' 。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡至AC面進(jìn)行同樣的 測量得 T4 、 T4' 。可得 1 =| T4 T4' | 三棱鏡的頂角 為 1' =| T3 T3' | = (1 + 1' 重復(fù)測量三次取平均。 (2 棱鏡玻璃折射率的測定 分別放松游標(biāo)盤和望遠(yuǎn)鏡的制動(dòng)螺絲，轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤（連同三棱鏡）使平行光 1 1 2 2 射入三棱鏡的A

11、C面，如圖 3 所示。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡在AB面處尋找平行光管中狹縫的 像。然后向一個(gè)方向緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤（連同三棱鏡）在望遠(yuǎn)鏡中觀察狹縫像的 移動(dòng)情況，當(dāng)隨著游標(biāo)盤轉(zhuǎn)動(dòng)而向某個(gè)方向移動(dòng)的狹縫像，正要開始向相反方向 移動(dòng)時(shí)，固定游標(biāo)盤。輕輕地轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使分劃板上豎直線與狹縫像對準(zhǔn)，記 下兩游標(biāo)指示的讀數(shù)，記為 T5 、T5' ；然后取下三棱鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使它直接對準(zhǔn) 平行光管，并使分劃板上豎直線與狹縫像對準(zhǔn)，記下對稱的兩游標(biāo)指示的讀數(shù)， 記為 T6 、 T6' ，可得 min = (| T6 T5 | + | T6' T5' | 重復(fù)測量三次求平均。用上式求出棱鏡的折

12、射。 列表記錄所有的數(shù)據(jù)，表格自擬。 2、用自準(zhǔn)直法測三棱鏡的頂角 位 置 次數(shù) 1 2 3 4 5 1 2 r2 r2' r1 r1' 1 A = ( r2 - r2' -( r1 - r1' 2 A 142°26 ' 143°12 ' 143°14 ' 143°57 ' 145°30 ' 23°00 ' 23°02 ' 23°45' 24°30 ' 26°03' 322°

13、28' 323°10 ' 323°15' 323°59 ' 325°30 ' 203°00 ' 203°00 ' 203°11' 204°30 ' 206°02 ' 59°44 ' 60°05' 59°54 ' 59°44 ' 59°44 ' 6' 15 ' 4' 6' 6' A = 59°

14、;50 ' A = 7 ' 3、最小偏向角的測定 位 置 次數(shù) 1 2 T1 T1' T2 T2' min min 351°00 ' 351°45' 404°16 ' 404°15' 171°00 ' 171°41' 224°12 ' 53°14 ' 53°29 ' 1°00 ' 0°16 ' 224°10 ' 3 351°05' 4 404°00 ' 171°04 ' 224°10 ' 53°01' 0°47 ' 352°15' 5 403°45' 172°45' 223°41' 51°13' 1°01