大學(xué)物理實驗分光計

1、 3.17 分光計的調(diào)節(jié)和使用【實驗簡介】分光計是一種精確測量角度的典型光學(xué)儀器，常用來測量光學(xué)材料的折射率、光波波長、光學(xué)元件的色散率及觀測光源的光譜等。分光計的調(diào)節(jié)思想、方法與技巧，在光學(xué)儀器中有一定的代表性，學(xué)會對它的調(diào)節(jié)和使用，有助于操作更復(fù)雜的光學(xué)儀器?！緦嶒?zāi)康摹?1了解分光計的結(jié)構(gòu)和工作原理。2掌握分光計的調(diào)節(jié)要求和調(diào)節(jié)方法。3學(xué)會用分光計測量玻璃三棱鏡的折射率。【預(yù)習(xí)思考題】1分光計在測量角度之前應(yīng)處于什么狀態(tài)？為什么要處于該狀態(tài)？2自準直法調(diào)節(jié)望遠鏡接受平行光的主要步驟是什么？判斷望遠鏡已調(diào)節(jié)到可以接受平行光的標準是什么？ 3利用雙面鏡調(diào)節(jié)望遠鏡光軸與中心軸垂直時，為什么要轉(zhuǎn)

2、動載物臺使雙面鏡兩個面反射的十字像均與分劃板上方叉絲重合？只調(diào)一面行嗎？ 4如何調(diào)節(jié)和判斷平行光管出射平行光、平行光管的光軸與中心軸垂直？【實驗儀器】 分光計、汞燈、雙面反射鏡、三棱鏡?！緦嶒炘怼?分光計的結(jié)構(gòu)分光計由望遠鏡、平行光管、載物臺、讀數(shù)裝置和三角底座五部分組成。圖3.17.1是它的全貌。1.狹縫裝置2.狹縫套筒鎖緊螺釘3.平行光管4.載物臺5.載物臺調(diào)平螺釘6.載物臺鎖緊螺釘7.望遠鏡8.分劃板套筒鎖緊螺釘9.自準目鏡10.目鏡視度調(diào)節(jié)手輪11.望遠鏡光軸俯仰調(diào)節(jié)螺釘12.望遠鏡光軸水平方向調(diào)節(jié)螺釘13.望遠鏡微調(diào)螺釘14.刻度盤與望遠鏡固連螺釘15.望遠鏡止動螺釘（在背面）16

3、.刻度盤17.游標盤18.游標盤微調(diào)螺釘19.游標盤止動螺釘20.平行光管光軸水平方向調(diào)節(jié)螺釘21.平行光管光軸俯仰調(diào)節(jié)螺釘22.狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪 圖 3.17.11.1三角底座三角底座中心有豎軸，稱為分光計的中心軸。軸上裝有可繞中心軸轉(zhuǎn)動的望遠鏡和載物臺。1.2平行光管平行光管的作用是產(chǎn)生平行光。平行光管由物鏡和狹縫裝置組成。松開螺釘2，可前后移動狹縫裝置，使狹縫位于物鏡的焦平面上，則平行光管產(chǎn)生平行光。調(diào)節(jié)手輪22可改變狹縫的寬度。調(diào)節(jié)平行光管俯仰螺釘21，可使平行光管光軸水平。1.3望遠鏡望遠鏡的作用是確定光線傳播的方向。它由目鏡、分劃板和物鏡組成，如圖3.17.2，它們分別裝在三個套筒

4、中，彼此可以相對移動。分劃板上刻有形分化線，下方小棱鏡的直角面上有一個透光十字，小電珠發(fā)出的光經(jīng)小棱鏡改變方向后從透光十字出射。轉(zhuǎn)動目鏡視度調(diào)節(jié)手輪10,可在目鏡視場中看到圖3.17.2a所示情景。若在物鏡前放一平面鏡，松開螺釘8，前后移動分劃板套筒使分劃板落在物鏡的焦平面上，則透光十字出射的光經(jīng)物鏡后成為平行光入射到平面鏡上，經(jīng)平面鏡反射光再經(jīng)物鏡匯聚在分劃板平面上形成透光十字的像。若平面鏡與望遠鏡光軸垂直，則此像落在分劃板分化線上方叉絲上，如圖3.17.2b所示。1.4載物臺用于放置待測樣品或光學(xué)元件。載物臺下方三個螺釘（b1、b2、b3）用來調(diào)節(jié)臺面水平。松開螺釘6，可以升降載物臺。擰緊

5、螺釘6可將載物臺與游標盤17固連在一起，此時松開螺釘19，載物臺可隨游標盤轉(zhuǎn)動，并可通過讀數(shù)裝置讀出載物臺轉(zhuǎn)過的角度。1.5讀數(shù)裝置由刻度盤與游標盤組成。分光計出廠時已將刻度盤、游標盤調(diào)到與中心軸垂直。擰緊止動螺釘14，刻度盤和望遠鏡固連在一起。游標盤上相隔處有兩個角游標。擰緊止動螺釘19時，游標盤與中心軸的相對位置固定；松開螺釘19，游標盤可繞中心軸轉(zhuǎn)動。若固定游標盤，刻度盤和望遠鏡固連，望遠鏡轉(zhuǎn)動時，可由刻度盤、游標盤讀出望遠鏡轉(zhuǎn)過的角度。2分光計的調(diào)節(jié)分光計使用時必須滿足下列要求：（1）望遠鏡聚焦無窮遠（即接受平行光）；望遠鏡光軸與中心軸垂直；（2）平行光管出射平行光；平行光管光軸與中心

6、軸垂直。調(diào)節(jié)前應(yīng)先對照實物和結(jié)構(gòu)圖熟悉儀器，了解各個調(diào)節(jié)螺釘?shù)淖饔?。調(diào)節(jié)時應(yīng)先粗調(diào)后細調(diào)。粗調(diào)（憑眼睛觀察） 從分光計側(cè)面觀察，分別調(diào)節(jié)望遠鏡俯仰調(diào)節(jié)螺釘11和平行光管俯仰調(diào)節(jié)螺釘21，使望遠鏡和平行光管的光軸盡量與刻度盤平行，調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘使載物臺盡量與刻度盤平行（即與主軸垂直）。細調(diào)2.1 望遠鏡的調(diào)節(jié)2.1.1 自準直法調(diào)節(jié)望遠鏡聚焦無窮遠（1）轉(zhuǎn)動目鏡視度調(diào)節(jié)手輪10,在目鏡視場中看清分劃板。（2）接通小電珠電源，并把雙面反射鏡按圖 3.17.3放到載物臺上。當需要改變鏡面圖 3.17.3 傾角時，調(diào)節(jié)螺釘b1或b2即可。（3）眼睛通過目鏡觀察，同時轉(zhuǎn)動載物臺改變平面鏡的方向，當平

7、面鏡鏡面與望遠鏡光軸垂直時可看到一亮斑，松開螺釘8，前后移動分劃板套筒，改變分劃板與物鏡之間的距離，使亮斑成清晰的綠十字像；左右移動眼睛觀察，同時細心移動分劃板套筒，使綠十字像與黑色叉絲間無視差，鎖緊螺釘8。2.1.2 漸進法調(diào)節(jié)望遠鏡光軸垂直于中心轉(zhuǎn)軸（1）調(diào)節(jié)俯仰調(diào)節(jié)螺釘11，使綠十字像與分劃板上方叉絲重合。（2）將載物臺轉(zhuǎn)，從雙面鏡的另一面找到反射的綠十字像，若十字像與分劃板上方叉絲不重合如圖 3.17.4a，則調(diào)節(jié)螺釘b1或b2，使綠十字像與分劃板上方叉絲位移減少一半如圖 3.17.4b；然后調(diào)節(jié)俯仰調(diào)節(jié)螺釘11，使反射回來的綠十字像與分劃板上方叉絲重合如圖 3.17.4c。 圖 3.

8、17.4（3）重復(fù)步驟（2），直到載物臺轉(zhuǎn)過前后，雙面鏡兩個面反射的十字像均與分劃板上方叉絲重合。2.2平行光管的調(diào)節(jié)2.2.1調(diào)節(jié)平行光管出射平行光（1）打開光源照亮狹縫，將望遠鏡正對平行光管，從目鏡中觀察狹縫像。（2）松開螺釘2，前后移動狹縫裝置，使狹縫清晰地成像在分劃板平面，鎖緊螺釘2。2.2.2 調(diào)節(jié)平行光管光軸與望遠鏡光軸重合調(diào)節(jié)俯仰螺釘21，使狹縫像被分劃板中心水平線均分。3刻度盤的讀數(shù)刻度盤被等間隔的分為720分，分度值為，游標被分為30格，分度值為。讀數(shù)時，從游標零刻度前讀出刻度盤以上的讀數(shù)，再從游標上讀出與刻度盤某刻度對齊的分數(shù)。兩數(shù)相加即為角度的讀數(shù)。圖 3.17.5讀數(shù)為

9、。 圖 3.17.5 圖 3.17.6為了消除刻度盤刻度中心與轉(zhuǎn)軸中心不重合引入的偏心誤差，在游標盤直徑的兩邊各裝一游標。測量時，兩個游標都要讀數(shù)，然后算出每個游標始、末兩次讀數(shù)差的平均值，即為轉(zhuǎn)過的角度。圖 3.17.6表示分光計存在偏心誤差的情形?？潭缺P繞中心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過角度，但從讀數(shù)裝置上讀取的是和，由幾何原理知 ， ， 或 上式說明兩游標讀數(shù)的平均值即為實際轉(zhuǎn)角。4測量玻璃三棱鏡的折射率如圖 3.17.7所示,三角形ABC表示三棱鏡的橫截面，BC為底面，AB、AC為光學(xué)面，兩光學(xué)面的夾角A稱為三棱鏡的頂角。入射光線LD經(jīng)三棱鏡兩次折射后，沿ER方向出射。入射光線LD與出射光線ER所成的角，

10、稱為偏向角。偏向角隨著入射角的變化而變化，可以證明，如果入射光線和出射光線處于三棱鏡對稱位置，偏向角最小，稱為最小偏向角。棱鏡玻璃的折射率與棱鏡頂角A、最小偏向角有如下關(guān)系： （3.17.1）圖 3.17.7將待測材料制成三棱鏡，用分光計測出棱鏡的頂角A、最小偏向角，由上式可求得棱鏡的折射率?！緦嶒瀮?nèi)容與步驟】1調(diào)節(jié)分光計 按照分光計的調(diào)節(jié)要求，使其滿足使用狀態(tài)。2調(diào)節(jié)三棱鏡的主截面與中心軸垂直按圖 3.17.8把三棱鏡放到載物臺上。為下面測量的需要，載物臺宜放低些。調(diào)節(jié)b1，載物臺以連線b2、b3為軸轉(zhuǎn)動，光學(xué)面AC的傾斜度改變，而AB則在自己的光學(xué)面內(nèi)運動，法線方向不變。同理，調(diào)節(jié)b2，光

11、學(xué)面AB的傾斜度改變時，也不影響光學(xué)面AC。 圖 3.17.82.1 松開螺釘15，轉(zhuǎn)動望遠鏡對準AC面，調(diào)節(jié)螺釘b1，使AC面反射的綠十字像與分劃板上方叉絲重合。2.2 轉(zhuǎn)動望遠鏡對準AB面，調(diào)節(jié)螺釘b2，使AB面反射的綠十字像與分劃板上方叉絲重合。2.3 重復(fù)步驟2.1、2.2，反復(fù)調(diào)節(jié)，直到光學(xué)面AC、AB都能達到自準。至此三棱鏡主截面已垂直于中心軸從而保證了反射光、折射光均在與刻度盤相平行的主截面內(nèi)。注意在測量頂角A和最小偏向角時，應(yīng)避免三棱鏡相對于載物臺發(fā)生移動和轉(zhuǎn)動，更不可調(diào)節(jié)螺釘b1、b2、b3。 3測量汞燈某條譜線的最小偏向角3.1 找譜線：松開螺釘19，轉(zhuǎn)動載物臺，使三棱鏡A

12、C面與平行光管光軸夾角大約，用眼睛迎著出射光方向看到AB面中譜線，然后將望遠鏡轉(zhuǎn)到眼睛和譜線之間，此時可從望遠鏡中看到譜線。圖3.17.113.2 找最小偏向角：轉(zhuǎn)動載物臺，使譜線向入射光線方向靠近，同時轉(zhuǎn)動望遠鏡跟蹤其中一條譜線。當載物臺轉(zhuǎn)到某一位置時，若繼續(xù)按原方向轉(zhuǎn)動，譜線將向反方向移動，譜線反轉(zhuǎn)處即為最小偏向角的位置，用螺釘19鎖緊載物臺。3.3 記錄最小偏向角對應(yīng)的出射光位置：轉(zhuǎn)動望遠鏡使豎直叉絲對準譜線，鎖緊望遠鏡止動螺釘15，用微調(diào)螺釘13和18配合反復(fù)調(diào)節(jié)，確認分劃板豎直叉絲對準最小偏向角時的譜線，記下兩游標讀數(shù)。3.4 記錄入射光位置：不取下棱鏡（開始時載物臺調(diào)得較低，平行光

13、管出射光束的一小部分可經(jīng)棱鏡上方直接進入望遠鏡中），松開螺釘15，轉(zhuǎn)動望遠鏡并利用微調(diào)螺釘13使豎直叉絲對準狹縫像，記下兩游標讀數(shù)。注意，此時不可轉(zhuǎn)動載物臺，不可調(diào)節(jié)螺釘18，不可松開螺釘19。 由圖3.17.11可知， （3.17.2）3.5 重復(fù)3.3、3.4，測量6次，求平均值。4自準直法測三棱鏡的頂角A（選做）4.1 如圖3.17.9轉(zhuǎn)動望遠鏡對準AB面，鎖緊望遠鏡中心止動螺釘15，用微調(diào)螺釘13調(diào)節(jié)綠十字像與分劃板上方叉絲重合，記錄兩游標讀數(shù)。4.2 轉(zhuǎn)動望遠鏡對準AC面，重復(fù)4.1，記錄兩游標讀數(shù)，由圖3.17.9可知 （3.17.3） 圖3.17.9 【注意事項】1光學(xué)元件要輕拿輕放，以免損壞，切忌用手觸摸光學(xué)面。2分光計是較精密的光學(xué)儀器，要倍加愛護，不要在止動螺釘鎖緊時強行轉(zhuǎn)動望遠鏡，也不要隨意擰動狹縫。3測量數(shù)據(jù)前務(wù)須檢查分光計的幾個止動螺釘，應(yīng)該鎖緊的是否鎖緊，若未鎖緊，讀取的數(shù)據(jù)會不可靠。4測量中應(yīng)正確使用望遠鏡及游標盤的微調(diào)螺釘，以便提高工作效率和測量的準確度。5在讀取數(shù)據(jù)過程中，應(yīng)注意望遠鏡的轉(zhuǎn)動是否經(jīng)過刻度盤的零點，若經(jīng)過刻度盤的零點，則該游標的讀數(shù)應(yīng)加上360度?！緮?shù)據(jù)記錄與處理】表 測量最小偏向角 ；_；A= 測量次數(shù)入射光線位置出射