分光計調(diào)節(jié)及棱鏡玻璃折射率的測定

1、分光計調(diào)節(jié)及棱鏡玻璃折射率的測定光線在傳播過程中，遇到不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射和折射，光線將改變傳播的方向，結(jié)果在入射光與反射光或折射光之間就存在一定的夾角。通過對某些角度的測量，可以測定折射率、光柵常數(shù)、光波波長、色散率等許多物理量。因而精確測量這些角度，在光學(xué)實(shí)驗中顯得十分重要。? 分光計是一種能精確測量上述要求角度的典型光學(xué)儀器，經(jīng)常用來測量材料的折射率、色散率、光波波長和進(jìn)行光譜觀測等。由于該裝置比較精密，控制部件較多而且操作復(fù)雜，所以使用時必須嚴(yán)格按照一定的規(guī)則和程序進(jìn)行調(diào)整，方能獲得較高精度的測量結(jié)果。分光計的調(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)會對它的

2、調(diào)節(jié)和使用方法，有助于掌握操作更為復(fù)雜的光學(xué)儀器。 對于初次使用者來說，往往會遇到一些困難。 但只要在實(shí)驗調(diào)整觀察中， 弄清調(diào)整要求， 注意觀察出現(xiàn)的現(xiàn)象，并努力運(yùn)用已有的理論知識去分析、 指導(dǎo)操作， 在反復(fù)練習(xí)之后才開始正式實(shí)驗，一般也能掌握分光計的使用方法，并順利地完成實(shí)驗任務(wù)。【實(shí)驗?zāi)康摹浚?了解分光計的結(jié)構(gòu)，掌握調(diào)節(jié)和使用分光計的方法；2掌握測定棱鏡角的方法；3用最小偏向角法測定棱鏡玻璃的折射率?！緦?shí)驗儀器】：分光計（ JJY 型 1），雙面鏡，鈉燈，三棱鏡?！緦?shí)驗原理】：? 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，

3、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和方位射出，和方向的夾角記為，由幾何學(xué)關(guān)系可知：?圖 2 反射法測頂角2最小偏向角法測三棱鏡玻璃的折射率假設(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)動三棱鏡，使偏向角逐漸減??；當(dāng)轉(zhuǎn)到某個位置時， 若再繼續(xù)沿此方

4、向轉(zhuǎn)動， 偏向角又將逐漸增大，此位置時偏向角達(dá)到最小值，測出最小偏向角 ?？梢宰C明棱鏡材料的折射率與頂角 及最小偏向角的關(guān)系式為實(shí)驗中，利用分光鏡測出三棱鏡的頂角及最小偏向角，即可由上式算出棱鏡材料的折射率?！緦?shí)驗步驟與內(nèi)容】：1分光計的調(diào)整（分光計結(jié)構(gòu)如右圖所示）? 在進(jìn)行調(diào)整前，應(yīng)先熟悉所使用的分光計中下列螺絲的位置：? 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)動的制動螺絲； 調(diào)整載物臺水平狀態(tài)的螺絲； 控制載物臺轉(zhuǎn)動的制動螺絲； 調(diào)整平行光管上狹縫寬度的螺絲； 調(diào)整平

5、行光管高低傾斜度的螺絲； 平行光管調(diào)焦的狹縫套筒制動螺絲。(1) 目測粗調(diào)。將望遠(yuǎn)鏡、載物臺、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)載物臺下的螺絲a1 或 a2 即可，而螺絲 a3 的調(diào)節(jié)與平面

6、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)動載物臺，亮十字也隨之轉(zhuǎn)動。 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)載物臺上的平面鏡， 調(diào)節(jié)鏡面的俯仰， 并轉(zhuǎn)動載物臺讓反射光返回望遠(yuǎn)鏡中， 使由透明十字發(fā)出的光經(jīng)過物鏡后 （此時從物鏡出來的光還不一定是平行光），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

7、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?？潭缺P在制造時已垂直于分光計的中心軸。因此，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡與分光計的中心軸垂直時，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物臺上， 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亮十字的反射像。 如果望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計的中心軸相垂直， 而且平面鏡反射面又與中心軸平行， 則轉(zhuǎn)動載物臺時，從望遠(yuǎn)鏡中可以兩次觀察到

8、由平面鏡前后兩個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)動載物臺時， 從望遠(yuǎn)鏡中觀察到的兩個亮十字反射像必然不會同時與分劃板準(zhǔn)線的上部十字線重合， 而是一個偏低，一個偏高，甚至只能看到一個。這時需要認(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)能觀察到兩個亮十字像； 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反射面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡， 均能觀察到亮十字時， 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

9、段距離如圖 6(a) 所示。 ?此時調(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)動載物臺時， 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。 這時望遠(yuǎn)鏡光軸和分光計的中心軸相垂直，常稱這種方法為逐次逼近各半調(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，則狹

10、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中心軸相垂直。望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像后，轉(zhuǎn)動狹縫（但不能前后移動）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十字線上、下平分，如圖7(a) 所示。這時平行光管的光軸已與分光計中心軸相垂直。 再把狹縫轉(zhuǎn)至鉛直位置，

11、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? 至此分光計已全部調(diào)整好，使用時必須注意分光計上除刻度圓盤制動螺絲及其微調(diào)螺絲外， 其它螺絲不能任意轉(zhuǎn)動， 否則將破壞分光計的工作條件， 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中下列各螺絲的位置：控制望遠(yuǎn)鏡（連同刻度盤）轉(zhuǎn)動的制動螺絲；控制望遠(yuǎn)鏡微動的螺絲。?(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)盤制動螺絲，固定游標(biāo)盤位置，放松望遠(yuǎn)鏡制動螺絲，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡（連同刻度盤）尋找 AB

12、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，記下此時兩對稱游標(biāo)上指示的讀數(shù)、。轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡至 AC面進(jìn)行同樣的測量得、?？傻萌忡R的頂角為重復(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)鏡的制動螺絲，轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤（連同三棱鏡）使平行光射入三棱鏡的 AC面，如圖 3 所示。轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡在 AB面處尋找平行光管中狹縫的像。然后向一個方向緩慢地轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤 （連同三棱鏡） 在望遠(yuǎn)鏡中觀察狹縫像的移動情況， 當(dāng)隨著游標(biāo)盤轉(zhuǎn)動而向某個方向移動的狹縫像， 正要開始向相反方向移動時，固定游標(biāo)盤。輕輕地轉(zhuǎn)動望遠(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 、 ；然后取下三棱鏡，轉(zhuǎn)動望遠(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、，可得重復(fù)測量三次求平均。用上式求出棱鏡的折射。列表記錄所有的數(shù)據(jù)，表格自擬。【注意事項】：1 望遠(yuǎn)鏡、 平行光管上的鏡頭， 三棱鏡、平面鏡的鏡面不能用手摸、 揩。如發(fā)現(xiàn)有塵埃時，應(yīng)該用鏡頭紙輕輕揩擦。三棱鏡、平面鏡不準(zhǔn)磕碰或跌落，以免損壞。2 分光計是較精密的光學(xué)儀器，要加倍愛護(hù)， 不應(yīng)在制動螺絲鎖緊時強(qiáng)行轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，也不要隨意擰動狹縫。3 在測量數(shù)據(jù)前務(wù)須檢查分光計