分光儀的調(diào)解與三棱鏡頂角的測量

1、5.1 分光儀的調(diào)節(jié)與使用分光儀（Spectrometer）簡介分光儀是一種能精確測量角度的典型光學(xué)實驗儀器，在利用光的反射、折射、衍射、干涉和偏振原理的各項實驗中進行角度測量。例如：利用光的反射原理測量棱鏡的角度；利用光的折射原理測量棱鏡的最小偏向角，從而計算棱鏡玻璃的折射率和色散率；與光柵配合，作光的衍射實驗，測量光波波長；與偏振片、波片配合，作光的偏振實驗等。實驗?zāi)康?了解分光儀的結(jié)構(gòu)及各組成部件的作用，掌握分光儀的調(diào)節(jié)和使用方法； 2掌握測定棱鏡頂角的方法；3學(xué)會用最小偏向角測定棱鏡的折射率。儀器用具分光儀、汞燈、平面反射鏡、三棱鏡。儀器介紹1分光儀的結(jié)構(gòu)分光儀外型如圖5.1-1所示，

2、它主要由望遠(yuǎn)鏡（自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡），平行光管，載物臺，游標(biāo)刻度圓盤等幾部分組成。（1）分光儀底座中心處有一沿鉛直方向的轉(zhuǎn)軸，稱為分光儀的中心轉(zhuǎn)軸。在轉(zhuǎn)軸上套有游標(biāo)刻度圓盤（包括度盤和游標(biāo)盤），兩個盤可繞中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。（2）自準(zhǔn)值望遠(yuǎn)鏡（3）平行光管（4）載物臺載物臺可繞儀器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，它是為放置棱鏡、光柵等被測光學(xué)元件而設(shè)置的，臺下有三個調(diào)節(jié)螺絲，可調(diào)節(jié)載物臺的傾斜度。松開 “游標(biāo)盤止動螺絲”、鎖緊“載物臺鎖緊螺絲”，載物臺可以和游標(biāo)盤一起繞分光儀游標(biāo)盤的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。（5）游標(biāo)刻度圓盤游標(biāo)刻度圓盤與分光儀的中心轉(zhuǎn)軸垂直（分光儀出廠時已調(diào)整好）。由于刻度圓盤的中心與中心轉(zhuǎn)軸的中心制作時不能完全重合，因此

3、在讀數(shù)時會產(chǎn)生偏心差.游標(biāo)刻度圓盤由度盤和游標(biāo)盤組成，度盤最小分度值為，游標(biāo)盤最小分度值為，讀數(shù)方法與游標(biāo)卡尺的讀數(shù)方法相同（度盤上的刻度值+游標(biāo)上的刻度值）。如圖5.1-5讀數(shù)為：。2分光儀的調(diào)整為了準(zhǔn)確測量角度，應(yīng)調(diào)整分光儀達到下列狀態(tài)：（1）望遠(yuǎn)鏡聚集于無窮遠(yuǎn)，或稱適合于觀察平行光。（2）平行光管射出的光是平行光，即狹縫口的位置正好處于平行光管會聚透鏡的焦平面處。（3）望遠(yuǎn)鏡和平行光管的主光軸一定要與分光儀中心轉(zhuǎn)軸相互垂直。實驗原理三棱鏡是實驗室中重要的分光元件，至少有兩個透光的光學(xué)表面，稱為折射面，其夾角稱為三棱鏡的頂角。1自準(zhǔn)法測量三棱鏡的頂角圖5.1-6為自準(zhǔn)法測量三棱鏡頂角的示意

4、圖，用已調(diào)整好的分光儀,使望遠(yuǎn)鏡中的亮十字發(fā)出的光線垂直入射于AB面，測出AB面的法線位置，記錄兩個角游標(biāo)的讀數(shù)分別為、；然后使光線垂直入射于AC面， 測出AC面的法線位置，兩個角游標(biāo)的讀數(shù)分別為、。兩法線之間的夾角為 （5.1-1）則頂角 （5.1-2）2由單色光的最小偏向角測量棱鏡折射率一束單色平行光，射入三棱鏡的AB面，經(jīng)折射后由另一面AC射出，如圖5.1-7所示，入射光和AB面法線的夾角稱為入射角，出射光和AC面法線的夾角稱為出射角，入射光與出射光的夾角稱為偏向角。如果轉(zhuǎn)動三棱鏡，使入射角等于出射角，根據(jù)折射定律可知，折射角，與此相應(yīng)的入射光和出射光之間的夾角最小，稱為最小偏向角，以表

5、示，棱鏡的折射率與頂角，最小偏向角有如下關(guān)系式 5.1-3由分光儀測定頂角和最小偏向角，即可由上式算出三棱鏡對該種光線的折射率。折射率是光波波長的函數(shù)，非單色光源（例如汞燈）發(fā)出的光，經(jīng)過三棱鏡折射后，其中各單色光成分（光譜線）會有不同的偏向角，可以分別測量棱鏡對不同波長的光的折射率。實驗內(nèi)容與步驟一分光儀的調(diào)整1目測粗調(diào)目測粗調(diào)“望遠(yuǎn)鏡光軸傾斜調(diào)節(jié)螺絲”、“載物臺調(diào)平螺絲”、“平行光管光軸傾斜調(diào)節(jié)螺絲”分別使望遠(yuǎn)鏡筒、載物臺面、平行光管鏡筒均大致處于水平狀態(tài)，并與儀器中心轉(zhuǎn)軸基本垂直。2用自準(zhǔn)法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡聚焦于無窮遠(yuǎn)（1）旋轉(zhuǎn) “目鏡視度調(diào)節(jié)螺母”，改變目鏡到分劃板之間的距離（目鏡對分劃板調(diào)

6、焦），直到分劃板上的叉絲線和十字窗口成像清晰為止。（2）改變分劃板到物鏡之間的距離，直到十字像成像最清晰，并且十字像與叉絲線無視差。 3調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸與分光儀的轉(zhuǎn)軸相垂直平面鏡仍豎直置于載物臺上，如果望遠(yuǎn)鏡光軸與平面鏡鏡面垂直，則反射回來的亮十字像與分劃板中上叉絲線交叉點完全重合，將載物臺旋轉(zhuǎn)180°（因而平面鏡也隨著轉(zhuǎn)過180°）之后，如果亮十字像與上叉絲線交叉點仍然完全重合，則說明望遠(yuǎn)鏡光軸與分光儀的中心軸垂直。（1）首先轉(zhuǎn)動載物臺使平面鏡的一個面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，從望遠(yuǎn)鏡中找到由平面鏡反射的十字像，然后再轉(zhuǎn)動載物臺使鏡面轉(zhuǎn)過180°，從望遠(yuǎn)鏡中再一次看到由另一面反

7、射的十字像（此時不用考慮十字像與上叉絲線交叉點是否重合）。（2）用逐次逼近各半調(diào)整法，仔細(xì)調(diào)節(jié)每一個反射十字像的位置。先用望遠(yuǎn)鏡找到一個反射十字像，當(dāng)十字像與上叉絲線交叉點不重合時，此時調(diào)節(jié)“望遠(yuǎn)鏡光軸傾斜調(diào)節(jié)螺絲”使十字像與上叉絲線交叉點之間的距離減小二分之一，再調(diào)節(jié)載物臺下面的水平調(diào)節(jié)螺絲（a1或a2）消除另一半距離，使上叉絲線與亮十字像重合。再將載物臺旋轉(zhuǎn)180°，使望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)平面鏡的另一面，采用同樣的方法調(diào)節(jié)，如此重復(fù)調(diào)整，直至轉(zhuǎn)動載物臺時，從平面鏡前后兩個面反射回來的亮十字像都能與分劃板的上叉絲線重合為止。4調(diào)整平行光管：使平行光管發(fā)出平行光、平行光管的光軸與中心軸垂直。用

8、前面已調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡（適合于平行光、光軸與中心軸垂直）為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)平行光管。（1）調(diào)整平行光管產(chǎn)生平行光。取下載物臺上的平面鏡。用汞燈照亮狹縫，從望遠(yuǎn)鏡中觀察來自平行光管的狹縫像，放松“狹縫筒鎖緊螺絲”，移動 狹縫筒，改變狹縫到會聚透鏡之間的距離，直到看見清晰的狹縫像，并與分劃板上的叉絲線無視差。此時狹縫處于透鏡的焦平面上（為什么？），平行光管產(chǎn)生平行光。（2）調(diào)整平行光管的光軸與分光儀中心軸相垂直?？吹角逦莫M縫像后，轉(zhuǎn)動狹縫（但前后不能移動）狹縫像呈水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)“平行光管光軸傾斜調(diào)節(jié)螺絲”，使水平狹縫像被分劃板的中央叉絲線上下平分，這時平行光管的光軸已與望遠(yuǎn)鏡的光軸在同一平面內(nèi)，并與分光儀的

9、中心軸垂直。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。二用自準(zhǔn)法測量三棱鏡的頂角1.為確定三棱鏡的兩個光學(xué)面的法線位置，應(yīng)調(diào)整三棱鏡的兩個光學(xué)面同時與分光儀的中心軸平行。調(diào)整方法根據(jù)自準(zhǔn)原理，用已調(diào)整好的望遠(yuǎn)鏡來進行。2測量頂角轉(zhuǎn)動載物臺使AC面垂直于望遠(yuǎn)鏡的光軸，由兩個角游標(biāo)讀出望遠(yuǎn)鏡的位置、，即為AC面的法線位置；轉(zhuǎn)動載物臺使AB面垂直于望遠(yuǎn)鏡的光軸，由兩個角游標(biāo)讀出望遠(yuǎn)鏡的位置、，即為AB面的法線位置。重復(fù)測量三次，計算頂角的平均值。列表記錄測量數(shù)據(jù)。三測量低壓汞燈中各單色光的最小偏向角及棱鏡折射率（選做內(nèi)容）1調(diào)節(jié)狹縫寬度，使光譜線細(xì)而清晰地成像在望遠(yuǎn)鏡的分劃板平面上。2認(rèn)

10、定一種單色普線，使譜線向入射光方向靠攏，即減小偏向角，繼續(xù)轉(zhuǎn)動載物臺，并轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡跟蹤該譜線，直至棱鏡繼續(xù)沿著同方向轉(zhuǎn)動時譜線逆轉(zhuǎn)，此轉(zhuǎn)折點即為相應(yīng)于該譜線的最小偏向角位置。3通過望遠(yuǎn)鏡觀察所認(rèn)定的那條單色譜線，并細(xì)心地重新觀察載物臺轉(zhuǎn)動時的該譜線移動情形（注意：此時望遠(yuǎn)鏡視場中叉絲線的豎線應(yīng)能始終跟蹤該譜線），使該單色譜線剛好在望遠(yuǎn)鏡視場的垂直線處發(fā)生逆轉(zhuǎn)（望遠(yuǎn)鏡所在方位即是該單色譜線的最小偏向角位置）。4分別讀出此時兩游標(biāo)上的相應(yīng)讀數(shù)、。5依次測出汞燈光譜中黃色、綠色、紫色三種單色譜線的最小偏向角的方位角讀數(shù)。6移去三棱鏡，將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)平行光管狹縫中點，讀出兩游標(biāo)的相應(yīng)讀數(shù)、。7按，計算最

11、小偏向角min，重復(fù)測量三次，算出min平均值。列表記錄所有的測量數(shù)據(jù)，將測出的頂角和最小偏向角min代人式（.-），求出各單色光的折射率。并分析棱鏡折射率隨波長變化的規(guī)律。注意事項望遠(yuǎn)鏡、平行光管上的鏡頭、三棱鏡、平面鏡的鏡面不能用手摸、擦。嚴(yán)防三棱鏡、平面鏡磕碰或跌落。分光儀為精密儀器，各活動部分均應(yīng)小心操作，應(yīng)當(dāng)輕輕推動可移動部件（例如望遠(yuǎn)鏡、游標(biāo)盤），而無法轉(zhuǎn)動時，切記不可強制其轉(zhuǎn)動，應(yīng)分析原因后再進行適當(dāng)調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)狹縫寬度時，千萬不能使其閉攏，以免使狹縫受到嚴(yán)重?fù)p壞。在公式（5.1-1）中與是法線之間的夾角，在測量法線位置時，游標(biāo)可能會越過刻度零點，如果，游標(biāo)越過刻度零點，法線之間的夾角應(yīng)等于思考題用自準(zhǔn)法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡時，如何判斷分劃板平面與物鏡焦平面嚴(yán)格共面？已調(diào)好望遠(yuǎn)鏡光軸與儀器轉(zhuǎn)軸垂直后，載物臺的傾斜狀