分光計(jì)的調(diào)節(jié)與使用

1、分光計(jì)的調(diào)節(jié)與使用【實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介】分光計(jì)是一種精確地測(cè)量光線偏轉(zhuǎn)角度的光學(xué)儀器，可以用來(lái)觀察光譜，測(cè)量光譜波長(zhǎng)、偏轉(zhuǎn)角、棱鏡角等與角度有關(guān)的光學(xué)量。許多光學(xué)儀器的基本結(jié)構(gòu)都是以分光計(jì)為基礎(chǔ)的?，F(xiàn)代的X射線、射線分光計(jì)已用于分析各種物質(zhì)的成分和放射性劑量的測(cè)定。由于分光計(jì)比較精密，操作控制部件較多且復(fù)雜，使用時(shí)必須按一定的規(guī)則嚴(yán)格調(diào)整，方能獲得較高精度的測(cè)量結(jié)果。 分光計(jì)的調(diào)整思想、方法與技巧，在光學(xué)儀器中有一定的代表性，學(xué)習(xí)它的調(diào)節(jié)和使用方法，有助于掌握更為復(fù)雜的光學(xué)儀器的使用。 夫瑯和費(fèi)生平簡(jiǎn)介圖11-1 夫瑯和費(fèi)夫瑯和費(fèi)是德國(guó)物理學(xué)家，1787年3月6日生于斯特勞賓。 他集工藝家與理論家的才干

2、于一身，把豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與理論結(jié)合起來(lái)，對(duì)光學(xué)和光譜學(xué)作出了重要貢獻(xiàn)。1814年用自己改進(jìn)的分光系統(tǒng)，在棱鏡前后分別加一個(gè)準(zhǔn)直儀和望遠(yuǎn)鏡（分光計(jì)雛形），發(fā)現(xiàn)并仔細(xì)研究了太陽(yáng)光譜中的若干條暗線(現(xiàn)稱為夫瑯和費(fèi)線)。他利用衍射原理測(cè)出它們的波長(zhǎng)，將 576條暗線編制成表，并用字母A、B、C、D、等將其中主要的線命名,還在星光中發(fā)現(xiàn)了某些譜線。他用這些譜線測(cè)量了各種光學(xué)玻璃的折射率達(dá)到以前從未有過(guò)的精度，解決了大塊高質(zhì)量光學(xué)玻璃制造的難題。 1821年，他發(fā)表了平行光單縫衍射的研究結(jié)果（后人稱平行光衍射為夫瑯和費(fèi)衍射），做了光譜分辨率的試驗(yàn),第一個(gè)定量地研究了衍射光柵，制成260條平行線組成的光柵，

3、用它測(cè)量了光的波長(zhǎng)。1823年他又用金剛石刀刻制了玻璃光柵（3200條/巴黎寸），給出了至今通用的光柵方程。【分光計(jì)的構(gòu)造與工作原理】 分光計(jì)主要由底座、望遠(yuǎn)鏡、載物平臺(tái)、平行光管和讀數(shù)裝置等五個(gè)部分組成，物理實(shí)驗(yàn)常用的JJY型分光計(jì)結(jié)構(gòu)如圖11-2所示。載物平臺(tái)平行光管自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡底座刻度讀數(shù)盤(pán)圖11-2 分光計(jì)實(shí)物圖（1）底座 底座上安置著中心軸（又稱主軸），軸上裝有可繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡、刻度圓盤(pán)、角游標(biāo)盤(pán)、載物臺(tái)和與底座座腳相連接的平行光管。 （2）望遠(yuǎn)鏡 望遠(yuǎn)鏡采用的是阿貝式子準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡，結(jié)構(gòu)如圖11-3所示。由目鏡、管筒、分劃板、小棱鏡、小燈泡和物鏡組成。望遠(yuǎn)鏡可以繞分光計(jì)的中心軸

4、轉(zhuǎn)動(dòng)，并可以用制動(dòng)螺釘固定在游標(biāo)盤(pán)的某一位置上，其角度位置可由游標(biāo)盤(pán)的讀數(shù)裝置讀得。 圖11-3 阿貝式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)和分劃板示意圖圖11-4 JJY型分光計(jì)構(gòu)造圖1-狹縫裝置；2-狹縫裝置鎖緊螺絲；3-平行光管；4-止動(dòng)架（二）；5-載物臺(tái)；6-載物臺(tái)調(diào)節(jié)螺絲（共3只）；7-載物臺(tái)和游標(biāo)盤(pán)間鎖緊螺絲；8-望遠(yuǎn)鏡；9-目鏡筒鎖緊螺絲；10-阿貝式自準(zhǔn)目鏡；11-目鏡調(diào)焦手輪；12-望遠(yuǎn)鏡光軸傾斜調(diào)節(jié)螺絲；13-望遠(yuǎn)鏡光軸左右偏斜度調(diào)節(jié)螺絲；14-望遠(yuǎn)鏡微動(dòng)螺絲；15-望遠(yuǎn)鏡和度盤(pán)間鎖緊螺絲；16-望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺絲（另側(cè)）；17-止動(dòng)架（一）；18-轉(zhuǎn)座和刻度盤(pán)止動(dòng)螺釘；19-底座；20-轉(zhuǎn)座21-刻

5、度盤(pán)；22-游標(biāo)盤(pán)；23-平行光管立柱24-游標(biāo)盤(pán)微動(dòng)螺絲；25-游標(biāo)盤(pán)止動(dòng)螺絲；26-平行光管光軸左右偏斜度調(diào)節(jié)螺絲；27-平行光管光軸傾斜調(diào)節(jié)螺絲；28-狹縫寬度調(diào)節(jié)螺絲。（3）載物平臺(tái) 載物平臺(tái)是用來(lái)放置光學(xué)元件的平臺(tái)，可繞分光計(jì)的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；松開(kāi)該平臺(tái)固定螺釘，可使平臺(tái)沿中心軸升降；臺(tái)下有三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，用以調(diào)節(jié)平臺(tái)的水平度。（4）平行光管 平行光管是用來(lái)出射平行光束的，它在分光計(jì)上的位置是固定的；他的狹縫調(diào)節(jié)可以使狹縫寬度發(fā)生變化；松開(kāi)固定螺釘可使狹縫前后移動(dòng)，以使狹縫位于平行光管物鏡的焦平面上；當(dāng)狹縫被照亮?xí)r，光線便以平行光形式射出平行光管。圖11-5平行光管內(nèi)部構(gòu)造示意圖（5）刻度

6、讀數(shù)盤(pán) 讀數(shù)裝置由刻度盤(pán)和游標(biāo)盤(pán)兩部分組成，讀數(shù)方法與游標(biāo)卡尺相似。對(duì)于JJY型分光計(jì)，刻度盤(pán)上每一格的值為30，游標(biāo)盤(pán)上刻有30根小刻線，其最小分辨讀數(shù)為1，它即為JJY型分光計(jì)的誤差限。示意圖如圖11-6所示。該圖角度示值為116°12。 圖11-6 刻度盤(pán)和游標(biāo)盤(pán)示意圖 為了消除刻度盤(pán)和分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸之間的偏心差，在刻度圓盤(pán)同一直徑的兩端各裝一個(gè)角游標(biāo)。測(cè)量角度時(shí)，對(duì)一個(gè)角度的兩個(gè)位置，兩個(gè)游標(biāo)都應(yīng)讀數(shù)，算出每個(gè)游標(biāo)在兩個(gè)位置上的讀數(shù)差，再取它們的平均值作為望遠(yuǎn)鏡或載物臺(tái)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。【分光計(jì)調(diào)節(jié)方法及要求】一、分光計(jì)的調(diào)節(jié)的基本要求 分光計(jì)調(diào)節(jié)的基本要求是：調(diào)望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)

7、處；調(diào)望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計(jì)的中心轉(zhuǎn)軸相垂直；調(diào)平行光管能產(chǎn)生平行光，平行光管的光軸應(yīng)與分光計(jì)的中心轉(zhuǎn)軸相垂直。二、分光計(jì)的調(diào)節(jié)方法1、目測(cè)粗調(diào)目測(cè)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸（調(diào)傾仰調(diào)節(jié)螺釘12）、平行光管光軸（調(diào)傾仰調(diào)節(jié)螺釘25）、載物臺(tái)平面（臺(tái)下三螺釘?shù)雀撸谷叽笾麓怪庇诜止庥?jì)中心轉(zhuǎn)軸。目測(cè)粗調(diào)是重要的一步，是進(jìn)一步細(xì)調(diào)的基礎(chǔ)，它可以縮短調(diào)整時(shí)間。2、望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦1）目鏡調(diào)焦開(kāi)啟望遠(yuǎn)鏡照明燈，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡的目鏡視場(chǎng)中叉絲可能不清晰，旋轉(zhuǎn)目鏡調(diào)節(jié)手輪，調(diào)整目鏡與分劃板相對(duì)位置，使叉絲與小十字變清晰為止。2）物鏡調(diào)焦在載物臺(tái)上放置一雙面平面反射鏡，平面鏡平面與載物臺(tái)下螺釘a、b連線垂直或平行，兩種放置方法

8、如圖11-7所示。圖11-7 平面鏡放置圖 cabbaca)b) 圖11-8 望遠(yuǎn)鏡垂直正對(duì)反射鏡 使望遠(yuǎn)鏡光軸大致垂直平面鏡，調(diào)望遠(yuǎn)鏡俯仰角，左右轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)或望遠(yuǎn)鏡，從望遠(yuǎn)鏡中能看到十字反射像。松開(kāi)目鏡套管固定螺釘，移動(dòng)套管到物鏡距離（即分劃板與物鏡相對(duì)位置），使小十字及其反射像皆十分清晰為止，如圖所示11-8所示。眼睛左右移動(dòng)時(shí)，微調(diào)目鏡系統(tǒng)，使小十字反射像與叉絲無(wú)相對(duì)位移，從而消除視差。3、調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸和載物臺(tái)平面與分光計(jì)中心軸相垂直。 1） 轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，使平面鏡前后兩面反射的十字反射像皆在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)內(nèi)。仔細(xì)調(diào)望遠(yuǎn)鏡俯仰角，使之正對(duì)平面鏡兩面都能看到十字反射像。設(shè)其中一反射像與上十字叉

9、絲距離為h（如圖11-9(a)所示）,我們用“各半”調(diào)節(jié)法消除h。2）調(diào)節(jié)載物臺(tái)下a或b兩螺釘之一，使此h縮短為h/2（如圖11-9（b）所示），再調(diào)望遠(yuǎn)鏡俯仰角，使十字反射像與分劃板上十字叉絲重合（如圖11-9（c）所示）。 圖11-9 用“各半”調(diào)節(jié)法調(diào)反射十字像3）轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，用“各半”調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)使另一反射面的十字反射像與分劃板上十字叉絲重合（如圖11-9（c）所示）。4）將平面鏡轉(zhuǎn)動(dòng)90°后放在載物臺(tái)上（如圖11-7所示），調(diào)節(jié)載物臺(tái)下螺釘c,使十字反射像與分劃板上十字叉絲重合。 4、調(diào)整平行光管，使之能發(fā)出平行光，并使其光軸與分光計(jì)中心軸相垂直。 1）調(diào)平行光管產(chǎn)生平行光點(diǎn)

10、亮汞燈或鈉燈，均勻照亮狹縫，以前面調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡為準(zhǔn)來(lái)調(diào)節(jié)平行光管。改變狹縫與平行光管透鏡間的距離，使狹縫在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中清晰成像，且像與分劃板叉絲無(wú)視差。平行光管發(fā)射的光即為平行光了。2)調(diào)平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直調(diào)整狹縫寬度通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察，使狹縫寬約.。轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫體，使狹縫亮線呈水平狀，再調(diào)節(jié)平行光管下面的傾角螺絲，改變平行光管的俯仰，使狹縫亮線位于望遠(yuǎn)鏡分劃板的中央，與叉絲線的水平線重合。這時(shí)平行光管的光軸與望遠(yuǎn)鏡的光軸一致了，因而也垂直分光計(jì)中心軸了。 圖11-10平行光管與分光計(jì)中心軸垂直調(diào)節(jié)示意圖 此調(diào)節(jié)過(guò)程可用圖見(jiàn)圖11-10的(a)、(b)兩個(gè)圖表示。 分光計(jì)完全調(diào)好后，望遠(yuǎn)鏡

11、、平行光管、載物臺(tái)的狀態(tài)不能再改變（否則整個(gè)調(diào)節(jié)要重新進(jìn)行）。接下去可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)測(cè)量了。實(shí)驗(yàn)練習(xí)一 用分光計(jì)測(cè)三棱鏡的頂角【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解分光計(jì)的結(jié)構(gòu)及其基本原理； 2、學(xué)習(xí)分光計(jì)的調(diào)節(jié)方法； 3、用自準(zhǔn)直法或反射法測(cè)三棱鏡的頂角?！緦?shí)驗(yàn)儀器】JJY型分光計(jì)，汞燈或鈉燈，平面反射鏡，三棱鏡【實(shí)驗(yàn)原理】 玻璃三棱鏡是光學(xué)基本元件如圖1-1所示。AB和AC是兩個(gè)透光的光學(xué)表面，稱為“折射面”，其夾角a稱為三棱鏡的頂角；BC面一般為毛玻璃面，稱為“三棱鏡的底面”。A ABC C B () C B 圖11-1-1 玻璃三棱鏡 圖11-1-2 自準(zhǔn)直法測(cè)三棱鏡頂角1、自準(zhǔn)直法測(cè)量三棱鏡的頂角圖1

12、-2所示為自準(zhǔn)直法測(cè)量三棱鏡頂角的示意圖。將三棱鏡放到分光計(jì)載物臺(tái)上，三棱鏡放置方法如圖1-3（a）所示。望遠(yuǎn)鏡照明小燈發(fā)出的光線垂直入射于三棱鏡AB面而沿原路反射回來(lái)，記下此時(shí)光線入射方位(兩角度值；然后轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使光線垂直入射于AC面，記下沿原路反射回來(lái)的方位()兩角度值，則望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)角，三棱鏡頂角a分別為 （11-1-1）bac 圖 11-1-3（a） 圖 11-1-3（b）2、反射法測(cè)三棱鏡的頂角 將三棱鏡放置在載物臺(tái)上并離平行光管遠(yuǎn)些，轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，使三棱鏡頂角對(duì)準(zhǔn)平行光管，讓平行光管射出的光束照在三棱鏡兩個(gè)折射面上（見(jiàn)圖1-4（b）。將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至I處觀測(cè)反射光，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲使望遠(yuǎn)

13、鏡豎直叉絲對(duì)準(zhǔn)狹縫像中心線。再分別從兩個(gè)游標(biāo)（設(shè)左游標(biāo)為A，右游標(biāo)為B）讀出反射光的方位角；然后將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至處觀測(cè)反射光，相同方法讀出反射光的方位角。由圖1-4(a)光路圖可以證明得到：A1122入射光線反射光線反射光線 CB圖11-1-4（b）反射法測(cè)棱鏡頂角圖11-1-4（a） 反射法光路圖 （11-1-2）【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求】1、分光計(jì)的調(diào)節(jié)1）目測(cè)粗調(diào)（調(diào)節(jié)內(nèi)容見(jiàn)前述）；2）調(diào)望遠(yuǎn)鏡的焦距（調(diào)節(jié)方法見(jiàn)前述）；3）調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸和載物臺(tái)平面與分光計(jì)中心軸相垂直（調(diào)節(jié)方法見(jiàn)前述）；4）調(diào)整平行光管，使之能發(fā)出平行光，并使其光軸與分光計(jì)中心軸相垂直（調(diào)節(jié)方法見(jiàn)前述）。2、用自準(zhǔn)直法測(cè)三棱鏡的頂

14、角1）點(diǎn)亮望遠(yuǎn)鏡照明燈并正對(duì)三棱鏡AC反射面，使反射小十字像與望遠(yuǎn)鏡分劃板上十字叉絲重合，若偏高或偏低，可調(diào)載物臺(tái)下螺釘b,再使望遠(yuǎn)鏡正對(duì)三棱鏡AB反射面，若反射小十字像偏高或偏低，只調(diào)載物臺(tái)下螺釘c，使小十字像與分劃板上十字叉絲重合。2）記下望遠(yuǎn)鏡兩位置四個(gè)角度值（）和（），重復(fù)測(cè)量五次，列表記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算頂角的平均值和不確定度。3、用反射法測(cè)三棱鏡的頂角1)開(kāi)啟汞燈或鈉燈照亮平行光管狹縫,三棱鏡頂角對(duì)準(zhǔn)平行光管，使望遠(yuǎn)鏡從三棱鏡AB面找到狹縫像并對(duì)準(zhǔn)分劃板垂線，記下望遠(yuǎn)鏡兩角度值（），再將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)到AC面，使狹縫像對(duì)準(zhǔn)分劃板垂線，記下此時(shí)望遠(yuǎn)鏡兩角度值（），重復(fù)測(cè)量五次，列表記錄數(shù)據(jù)。2）

15、根據(jù)計(jì)算式計(jì)算頂角平均值和不確定度。附頂角不確定度計(jì)算公式如下： 實(shí)驗(yàn)練習(xí)二 三棱鏡折射率的測(cè)定【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解分光計(jì)的結(jié)構(gòu)及其基本原理；2、學(xué)習(xí)分光計(jì)的調(diào)節(jié)方法；3、測(cè)定三棱鏡頂角，觀察三棱鏡對(duì)汞燈的色散現(xiàn)象；4、測(cè)定玻璃三棱鏡對(duì)汞綠光或鈉光的折射率?！緦?shí)驗(yàn)儀器】JJY型分光計(jì)，汞燈或鈉燈，平面反射鏡，三棱鏡【實(shí)驗(yàn)原理】一束單色光以角入射到面上，經(jīng)棱鏡兩次折射后，從面射出來(lái)，出射角為。入射光和出射光之間的夾角稱為偏向角。當(dāng)棱鏡頂角一定時(shí)，偏向角的大小隨入射角的變化而變化。而當(dāng)時(shí)，為最小(證明略)。這時(shí)的偏向角稱為最小偏向角，記為。 圖11-2-1 測(cè)三棱鏡折射率光路圖 圖11-2-2 最

16、小偏向角測(cè)量示意圖由圖2-1中幾何關(guān)系得到 (11-2-1)設(shè)棱鏡材料折射率為，根據(jù)折射定律，則故 (11-2-2)由此可知，要求得棱鏡材料的折射率，必須測(cè)出其頂角和最小偏向角。折射率是光波波長(zhǎng)的函數(shù)非單色光源（如汞燈）發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)三棱鏡折射以后，其中各單色光成分會(huì)有不同的偏向角，出射光形成色散光譜線。偏向角可以分別測(cè)量。一般折射率常用鈉黃光而言，記做。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1、 分光計(jì)的調(diào)節(jié)（調(diào)節(jié)要求和方法見(jiàn)前述） 圖11-2-3 三棱鏡色散2、 用自準(zhǔn)直法或反射法測(cè)三棱鏡的頂角A，測(cè)量四次(原理和方法見(jiàn)前述) 3、 測(cè)量低壓汞燈出射光譜線中綠光的最小偏向角 1）將平行光管狹縫對(duì)準(zhǔn)汞光源，并使三棱鏡、望遠(yuǎn)鏡和平行光管處于如圖2-2所示相對(duì)位置，即可在望遠(yuǎn)鏡中彩色光譜線（即狹縫的單色像）。調(diào)節(jié)縫寬，使光譜線細(xì)而清晰地成像在望遠(yuǎn)鏡分劃板平面上。 2）輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)(改變?nèi)肷浣?，在望遠(yuǎn)鏡中將看到譜線跟著動(dòng)。使譜線往減小的方向移動(dòng)(向頂角A方向移動(dòng))。望遠(yuǎn)鏡要跟蹤光譜線轉(zhuǎn)動(dòng)，直到棱鏡繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，而譜線開(kāi)始要反向移動(dòng)(即偏向角反而變大)為止。這個(gè)反向移動(dòng)的轉(zhuǎn)折位置，就是光線以最小偏向角射出的方向。固定載物臺(tái)，再使望遠(yuǎn)鏡微動(dòng)，使其分劃板上的中心豎線對(duì)準(zhǔn)其中的那條綠譜線()。記下此時(shí)兩游標(biāo)處的讀數(shù)（），取下三棱鏡(載物