大學物理實驗分光計的調整和三棱鏡折射率的測定

1、實驗二十 分光計的調整和三棱鏡折射率的測定【實驗目的】1了解分光計的結構,掌握調節(jié)和使用分光計的方法。2了解測定棱鏡頂角的方法。3用最小偏向角法測定棱鏡玻璃的折射率。【實驗器材】分光計、鈉燈、三棱鏡、雙面平面鏡。【實驗原理】 分光計是一種常用的光學儀器，實際上就是一種精密的測角儀，在幾何光學實驗中，主要用來測定棱鏡角、光束的偏向角等，而在物理光學實驗中，加上分光元件（棱鏡、光柵）即可作為分光儀器，用來觀察、測量光譜線的波長等。下面以學生型分光計（JJY型）為例，說明它的結構、工作原理和調節(jié)方法。 圖5-11-1 分光計1-狹縫裝置 2-狹縫裝置鎖緊螺釘 3-平行光管 4-制動架（一） 5-載物

2、臺 6-載物臺調節(jié)螺釘（3只） 7-載物臺鎖緊螺釘 8-望遠鏡 9-目鏡鎖緊螺釘 10-分劃板 11-目鏡調節(jié)手輪 12-望遠鏡仰角調節(jié)螺釘 13-望遠鏡水平調節(jié)螺釘 14-望遠鏡微調螺釘 15-轉座與刻度盤制動螺釘 16-望遠鏡制動螺釘 17-制動架（二） 18-底座 19-轉座 20-刻度盤 21-游標盤 22-游標盤微調螺釘 23-游標盤制動螺釘 24-平行光管水平調節(jié)螺釘 25-平行光管仰角調節(jié)螺釘 26-狹縫寬度調節(jié)手輪一、分光計的結構分光計主要由底座、望遠鏡、平行光管、載物平臺和刻度圓盤等幾部分組成，每部分均有特定的調節(jié)螺釘，圖5-11-1為JJY型分光計的結構外型圖。1分光計的底

3、座要求平穩(wěn)而堅實。在底座的中央固定著中心軸，望遠鏡、刻度盤和游標內盤套在中心軸上，可以繞中心軸旋轉。2平行光管固定在底座的立柱上，它是用來產生平行光的。其一端裝有消色差的匯聚透鏡，另一端裝有狹縫的圓筒，狹縫的寬度根據需要可在0.022范圍內調節(jié)。圖5-11-2 望遠鏡結構 圖5-11-3 分劃板1-物鏡 2-外管 3-分劃板 4-中管 5-目鏡系統 6-內管 7-小燈 1-鏡面反射像 2-上十字線 3-十字窗口3望遠鏡安裝在支臂上，支臂與轉座固定在一起，套在主刻度盤上，它是用來觀察目標和確定光線的傳播方向。望遠鏡由目鏡系統和物鏡組成，為了調節(jié)和測量，物鏡和目鏡之間還裝有分劃板，它們分別置于內管

4、、外管和中管內，三個管彼此可以相對移動，也可以用螺釘固定，如圖5-11-2所示，在中管的分劃板下方緊貼一塊450全反射小棱鏡，棱鏡與分劃板的粘貼部分涂成黑色，僅留一個綠色的小十字窗口，照明小燈發(fā)出的光線從小棱鏡的另一直角邊入射，從450反射面反射到分劃板上，透光部分在分劃板上便形成一個明亮的十字窗。4分光計上控制望遠鏡和刻度盤轉動的有三套結構，正確運用它們對于測量很重要，具體如下：（1）望遠鏡制動和微動機構，圖5-11-1中的16、14；（2）分光計游標盤制動和微動控制機構，圖5-11-1中的23、22；（3）望遠鏡和刻度盤的離合控制機構，圖5-11-1中的15。轉動望遠鏡或移動游標位置時，都

5、要先松開相應的制動螺釘；微調望遠鏡及游標位置時要先擰緊制動螺釘。要改變刻度盤和望遠鏡的相對位置時，應先松開它們間的離合控制螺釘，調整后再擰緊。 一般是將刻度盤的00線置于望遠鏡下，可以避免在測角度時，00線通過游標引起的計算上的不方便。5載物平臺是一個用以放置平面鏡、棱鏡、光柵等光學元件的圓形平臺，套在游標內盤上，可以繞通過平臺中心的鉛直軸轉動和升降。當平臺和游標盤（刻度內盤）一起轉動時，控制其轉動的方式與望遠鏡一樣，也是粗調和微調兩種。平臺下有三個調節(jié)螺釘，可以改變平臺臺面與鉛直軸的傾斜度。圖5-11-4 分光計的觀測系統6望遠鏡和載物平臺的相對方位可由刻度盤上的讀數確定。主刻度盤上有003

6、600的圓刻度，分度值為。為了提高角度測量精密度，在內盤上相隔1800設有兩個游標，游標上有30個分格，它和主刻度盤上29個分格相當，因此分度值為。讀數方法與游標卡尺的游標原理相同（該處稱為角游標）。記錄測量數據時，為了消除刻度盤的刻度中心和儀器轉動軸之間的偏心差，必須同時讀取兩個游標的讀數。安置游標位置要考慮具體實驗情況，主要注意讀數方便，且盡可能在測量中刻度盤00線不通過游標。記錄與計算角度時，左右游標分別進行，防止混淆算錯角度。二、分光計的調節(jié)分光計是在平行光中觀察有關現象和測量角度，因此應達到以下三個要求：平行光管發(fā)出平行光；望遠鏡能接受平行光；望遠鏡、平行光管的光軸垂直儀器公共軸。用

7、分光計進行觀測時，其觀測系統基本上應由以下三個平面構成，如圖5-11-4所示。 讀值平面：這是讀取數據的平面，由主刻度盤和游標盤繞中心轉軸旋轉時形成的。對每一具體的分光計，讀值平面都是固定的，且和中心主軸垂直。觀察平面：由望遠鏡光軸繞儀器中心轉軸旋轉時所形成的。只有當望遠鏡光軸與轉軸垂直時，觀察面才是一個平面，否則，將形成一個以望遠鏡光軸為母線的圓錐面。待測光路平面：由平行光管的光軸和經過待測光學元件（棱鏡、光柵等）作用后，所反射、折射和衍射的光線所共同確定的。調節(jié)載物平臺下方的三個調節(jié)螺釘，可以將待測光路平面調節(jié)到所需方位。按調節(jié)要求，應將此三個平面調節(jié)成相互平行，否則，測得角度將與實際角度

8、有些差異，即引入系統誤差。1調節(jié)望遠鏡和載物平臺（1）目鏡調焦這是為了使眼睛通過目鏡能清楚地看到圖5-11-3所示分劃板上的刻線。調接方法是把目鏡調焦手輪輕輕旋出，或旋進，從目鏡中觀看，直到分劃板刻線清晰為止。（2）調節(jié)望遠鏡對平行光聚焦圖5-11-5 載物臺上雙面鏡放置的俯視圖實質是將分劃板調到物鏡焦平面上，調整方法如下：1）把目鏡照明，將雙面平面鏡放到載物臺上，為了調節(jié)方便，平面境與載物臺下三個調節(jié)螺釘的相對位置如圖5-11-5所示。 2）粗調望遠鏡光軸與鏡面垂直 目測將望遠鏡調成水平、載物臺水平，使鏡面大致與望遠鏡垂直。3）觀察與調節(jié)鏡面反射像 固定望遠鏡，轉動游標盤，于是載物臺跟著一起

9、轉動。轉動平面鏡使其正好對著望遠鏡時，在目鏡中應看到一個綠色十字隨著鏡面轉動而動，這就是亮十字的反射像。如果像有些模糊，只要沿軸向移動目鏡筒，直到像清晰、無視差，再旋緊螺釘，此時望遠鏡已聚焦平行光。（3）調整望遠鏡光軸與儀器主軸垂直圖5-11-6 載物臺傾角沒調好的表現及調整原理當鏡面與望遠鏡光軸垂直時，它的反射像應落在目鏡分劃板上與下方十字窗對稱的十字線中心，如圖5-11-3所示。平面鏡繞軸轉1800后，如果另一鏡面的反射像也落在此處，這表明鏡面平行儀器主軸。當然，此時與鏡面垂直的望遠鏡光軸也與儀器主軸垂直。在調整過程中出現的某些現象是何原因？調整什么？應如何調整，這是要分析清楚的。例如，是

10、調載物臺？還是調望遠鏡？調到什么程度？下面簡述之。1）載物臺傾角沒調好的表現及調整圖5-11-7 望遠鏡光軸沒調好的表現及調整原理假設望遠鏡光軸已垂直儀器主軸，但載物臺傾角沒調好，如圖5-11-6所示。平面鏡A面反射光偏上，載物臺轉1800后，B面反射光偏下，在目鏡中看到的現象是A面反射像在B面反射像的上方。顯然，調整方法是把B面像（或A面像）向上（或向下）調到兩像點距離的一半，這一步要反復進行，最后使鏡面A和B的像落在分劃板上同一高度。2）望遠鏡光軸沒調好的表現及調整假設載物臺已調好，但望遠鏡光軸不垂直儀器主軸，如圖5-11-7所示。在圖(a)中，無論平面鏡A面還是B面，反射光都偏上，反射像

11、落在分劃板上十字線的上方。在圖(b)中，鏡面反射光都偏下，反射像都落在分劃板上十字線的下方。顯然，調整方法是只要調整望遠鏡仰角調節(jié)螺釘（12），把像調到上十字線上即可，如圖（c）。3）載物臺和望遠鏡光軸都沒調好的表現及調整表現是兩鏡面反射像一上一下。先調載物臺螺釘，使兩鏡面反射像像點等高（但像點沒落在上十字線上），然后，調整望遠鏡仰角調節(jié)螺釘（12），把像調到上十字線上。2調整平行光管發(fā)出平行光并垂直儀器主軸實質是將被照明的狹縫調到平行光管物鏡焦平面上，物鏡將出射平行光。調整方法是：取下平面鏡，關掉目鏡照明光源，狹縫對準照明光源，使望遠鏡轉向平行光管方向，在目鏡中觀察狹縫的像，沿軸向移動狹縫套

12、筒，直到像清晰。這表明光管已發(fā)出平行光。圖5-11-8 平行光管光軸與望遠鏡光軸共線再將狹縫轉向橫向（水平），調節(jié)螺釘（25），將狹縫的像調到中心橫線上，如圖5-11-8（a）所示。這表明平行光管光軸已于望遠鏡光軸共線，所以也垂直儀器主軸。螺釘（25）不能再動。 最后，將狹縫調成豎直，鎖緊螺釘（2）。如圖5-11-8（b）所示。三、用最小偏向角法測定三棱鏡的折射率如圖5-11-9，一束單色光以角入射到AB面上，經棱鏡兩次折射后，從AC面折射出來，出射角為。入射光和出射光的夾角稱為偏向角。當棱鏡頂角A一定時，偏向角的大小隨入射角的變化而變化。而當=時，為最小（證明可參閱光學教材中的相關內容）。此

13、時的偏向角稱為最小偏向角，記為。圖5-11-9 三棱鏡最小偏向角原理圖由圖5-11-9中可以看到，此時，有 （5-11-1）得設棱鏡折射率為，由折射定律得 （5-11-2）由此可知，要求得棱鏡的折射率，必須測出其頂角A和最小偏向角。【實驗內容】1調整分光計，使其處于工作狀態(tài)。調整方法見以上所述。2使三棱鏡的光學表面垂直望遠鏡光軸（1）調載物臺的上下臺面大致平行，將棱鏡放到載物平臺上，使棱鏡三邊與臺下三個螺釘的連線所成三邊互相垂直，如圖5-11-10所示，這樣，調節(jié)一個螺釘可以調節(jié)棱鏡光學表面的傾斜度。圖5-11-10 三棱鏡在載物臺上的正確方法圖5-11-11 測棱鏡頂角（2）接通目鏡照明光源

14、，遮住從平行光管射來的光。轉動載物平臺，在望遠鏡中觀察從三棱鏡的兩個光學表面AC和AB反射回來的十字像，只調臺下三個螺釘，使其反射像都落到上十字線處，如圖5-11-11所示。調節(jié)時，切莫動螺釘（12）。注意：每個螺釘調節(jié)的動作要輕，并同時觀察它對各側面反射像的影響。棱鏡調好后，其位置不能再動。3測棱鏡頂角對兩游標作一適當標記，分別稱左游標和右游標，在記錄數據時，且勿顛倒。扭緊刻度盤下螺釘（15）、（16），望遠鏡和刻度盤固定不動。轉動游標盤，使棱鏡AC面正對望遠鏡，如圖5-11-11所示。分別記下左、右游標的讀數和。再轉動游標盤，再使棱鏡AB面正對望遠鏡，再分別記下左、右游標的讀數和。同一游標

15、兩次讀數之差或，即是載物臺轉過的角度，所以，而是A角的補角，即 圖5-11-12 測量最小偏向角反復測量3次，數據填入表5-11-1中。4測三棱鏡的最小偏向角（1）使平行光管狹縫對準鈉光燈光源。（2）松開望遠鏡制動螺釘（16）和游標盤制動螺釘（23），把載物臺及望遠鏡轉至如圖5-11-12中所示的位置（1）處，再左右微微轉動望遠鏡，找出棱鏡折射出的光線。（3）輕輕轉動載物臺（改變入射角），望遠鏡中將看到光線跟著移動。改變，使光線往減小的方向移動（即向頂角A方向移動）。望遠鏡跟著光線移動，直到棱鏡繼續(xù)轉動，而光線開始反向移動（即偏向角反而變大）為止。這個反向移動的轉折位置，就是光線以最小偏向角射出的方向。固定載物臺（鎖緊螺釘23），微動望遠鏡，使其分劃板上的中心豎線對準譜線。（4）測量記下此時兩游標的讀數和。取下三棱鏡（載物臺保持不動），轉動望遠鏡對準平行光管，即圖5-11-12中（2）的位置，以確定入射光的位置，再記下兩游標的讀數和。此時該光線的最小偏向角為反復進行三次，將數據填入表5-11-2中。