分光計的調(diào)整和使用.doc

實驗30 分光計的調(diào)整和使用分光計是一種測量光線偏轉(zhuǎn)角的儀器，實際上就是一種精密的測角儀。由于不少物理量如折射率、波長等往往可以用光線的偏折來量度，因此分光計是光學實驗中的一種基本儀器。在分光計的載物臺上放置色散棱鏡或衍射光柵，它就成為一臺簡單的光譜儀器；在分光計上裝上光電探測器，還可以對光的偏振現(xiàn)象進行定量的研究。為了保證測量的精確，分光計在使用前必須調(diào)整。分光計的調(diào)整方法對一般光學儀器的調(diào)整也是有一定通用性，因此學習分光計的調(diào)整方法也是使用光學儀器的一種基本訓練。一實驗目的1 了解分光計的結(jié)構(gòu)，學會正確的調(diào)節(jié)和使用方法。2 掌握用自準直法調(diào)節(jié)望遠鏡調(diào)焦至無窮遠。3 學會用分光計測量光學平面間夾角的方法。二實驗儀器本實驗使用JJY型的分光計。該分光計由“阿貝”式自準直望遠鏡、裝有可調(diào)狹縫的平行光管、可升降的載物平臺及光學度盤游標讀數(shù)系統(tǒng)等四大部分組成。1 目鏡2 小燈 3 望遠鏡筒4 平行平面鏡5 平臺傾斜度調(diào)節(jié)螺絲 6 平行光管7 狹縫裝置8 望遠鏡傾斜度調(diào)節(jié)螺絲9 望遠鏡微調(diào)螺絲10平行光管微調(diào)螺絲 11度盤微調(diào)螺絲12望遠鏡鎖進螺絲13游標盤 圖31-1現(xiàn)將各部分逐一介紹。1. “阿貝”式自準直望遠鏡裝有“阿貝”目鏡的望遠鏡稱“阿貝”式自準望遠鏡。它用以觀察平行光進行的方向。與普通望遠鏡相類似，它由物鏡與目鏡組成。改變物鏡至目鏡的距離，可以使不同距離遠處的物體成象清晰。望遠鏡調(diào)焦于無窮遠時，則可使從無窮遠處來的平行光成象最清晰。為了測量，物鏡與目鏡之間有叉絲，目鏡與叉絲，及目鏡、叉絲相對于物鏡的距離均可調(diào)節(jié)，叉絲應位于目鏡焦平面上。目鏡是有場鏡和接目鏡組成的，常用的目鏡有二種：一是高斯目鏡，在它的場鏡和接目鏡間裝了一片與鏡筒成45角的薄玻璃片。當小燈的光經(jīng)玻璃片反射后可將叉絲全部照亮。二是阿貝目鏡，在目鏡與叉絲之間裝了一個全反射小三棱鏡，小燈發(fā)出的光經(jīng)小三棱鏡反射后將叉絲的一部分照亮，而從目鏡望去這照亮的部分剛好被小三棱鏡遮住，故只能看到叉絲的其他部分，見圖30-2。JJY型分光計采用的是阿貝目鏡。圖30-2望遠鏡可繞分光計中心軸轉(zhuǎn)動，它的傾斜度也可通過螺絲進行調(diào)節(jié)，而望遠鏡固定螺絲則起著把望遠鏡傾斜度固定的作用，見圖30-1。在望遠鏡與中心軸相連處有望遠鏡鎖緊螺絲，放松時可使望遠鏡繞中心軸轉(zhuǎn)動，旋緊時可固定望遠鏡，見圖30-1。2. 平行光管平行光管是儀器中產(chǎn)生平行光的機構(gòu)。它有一個可改變縫寬的狹縫及一個會聚透鏡所組成。狹縫至透鏡的距離可調(diào)節(jié)。當用光源照明狹縫時，若狹縫剛好位于透鏡焦平面處，則平行光管將發(fā)出平行光。平行光管與分光計底座固定在一起，它的傾斜度可以通過調(diào)整螺絲進行調(diào)節(jié)。而平行光管固定螺絲則起著把平行光管傾斜度固定的作用（見圖30-1）。為了得到較精密的調(diào)整，望遠鏡和平行光管均裝有微調(diào)機構(gòu)，只要擰緊望遠鏡（或平行光管）的鎖緊螺絲后，再轉(zhuǎn)動其微調(diào)螺絲（見圖30-1），則望遠鏡（或平行光管）就能轉(zhuǎn)動微小角度。3. 升降的載物平臺載物小平臺可放光學元件，如三棱鏡、光柵等。有三只調(diào)節(jié)螺釘a、b和c可改變小平臺傾斜度，見圖30-3。載物臺也有鎖緊螺絲固定位置。圖30-34. 讀數(shù)裝置望遠鏡和載物臺分別與刻度盤和角游標相連，它們的相對轉(zhuǎn)動角度可從讀數(shù)窗中讀出，讀數(shù)窗有A，B二個，它們相隔180，從A，B兩窗可分別讀得望遠鏡轉(zhuǎn)過的角度，然后取平均值，這樣可消除中心軸可能存在的偏心。本實驗室中分光計角游標的最小分度為（主刻度盤上每小格為，角游標30分格的弧長與刻度盤29分格的弧長相等），游標每小格之差，見圖30-4。圖30-4例如圖30-4右圖的讀數(shù)應為： 314+=314 三實驗內(nèi)容1 分光計的調(diào)整（1） 調(diào)整分光計的目的。分光計在實驗中通常來測量光線經(jīng)各種光學元件（如狹縫、光柵、棱鏡等）后的偏轉(zhuǎn)角度，其測角時的光路如圖30-5所示。圖30-5轉(zhuǎn)動望遠鏡，使之對準偏轉(zhuǎn)光線，由讀數(shù)窗所得讀數(shù)變化即得角度。但是為使得所得角度與實際光線偏轉(zhuǎn)角度一致，必須有以下考慮。用分光計進行觀測時，其觀測系統(tǒng)基本上由下述三個平面構(gòu)成，如圖30-6。圖30-6l 讀值平面這是讀取數(shù)據(jù)的平面，有主刻度盤和游標內(nèi)盤繞中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時形成的。對每一具體的分光計，讀值平面都是固定的，且和中心轉(zhuǎn)軸垂直。l 觀察平面由望遠鏡光軸繞儀器中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時所形成的。只有當望遠鏡光軸與中心轉(zhuǎn)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。l 待測光路平面有平行光管的光軸和經(jīng)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(diào)節(jié)載物臺下方的三個螺絲，可以將待測光路平面調(diào)節(jié)到所需的方位。應將此三個平面調(diào)節(jié)成相互平行。所以，儀器必須精密調(diào)整，以保證： 入射光線是平行光（即要求調(diào)整平行光管，使之發(fā)射平行光）； 檢測工具能接收平行光（即要求望遠鏡調(diào)焦無窮遠，亦即使平行光能成象最清晰）； 讀值平面、觀察平面和待測光路平面平行（即要求調(diào)整平行光管和望遠鏡的光軸與分光計中心軸垂直，同時也要調(diào)整載物臺平面垂直于分光計中心軸）。（2）調(diào)整方法。 調(diào)整自準直望遠鏡。為了把望遠鏡調(diào)焦到無窮遠，我們采用如下方法：在望遠鏡之前載物臺上放一鏡面垂直于望遠鏡光軸的平面反射鏡。當調(diào)節(jié)叉絲面與物鏡之間的距離（即調(diào)焦），如果叉絲恰好處與物鏡的焦平面上，則叉絲發(fā)出的光經(jīng)物鏡變?yōu)槠叫泄猓似叫泄庥煞瓷溏R反射回來，經(jīng)物鏡后所成叉絲像應準確地處在叉絲平面上。所以在調(diào)焦過程中只要在叉絲平面上看到反射回來的清晰的叉絲像時，望遠鏡已調(diào)焦到無窮遠了。這個調(diào)焦方法叫做自準直法。調(diào)整的步驟應先粗調(diào)后細調(diào)。粗調(diào)就是先從望遠鏡筒外側(cè)面觀察，粗略判斷望遠鏡的鏡筒是否垂直于載物平臺上的平行平面鏡。由于望遠鏡的視場角很小，所以立即從望遠鏡目鏡中觀察，不一定能看到反射光。此時可先轉(zhuǎn)動載物平臺，眼睛直接從望遠鏡外側(cè)面找到由平行平面鏡反射回來的亮十字叉絲像，若這時眼睛高度比目鏡中心高度為高（或低），則調(diào)節(jié)望遠鏡傾斜度螺絲和載物臺調(diào)整螺絲，直至眼睛與目鏡中心等高后，再從望遠鏡目鏡中觀察反射回來的光斑。然后調(diào)節(jié)望遠鏡物鏡和分劃板間的距離。當分劃板處于物鏡的焦平面上時，這一光斑就會形成清晰明亮的十字叉絲像，如圖30-7所示。圖30-7 調(diào)整望遠鏡的光軸與分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直，載物平臺與分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直。這一步仍要借助平行平面鏡來調(diào)整。平面鏡前后兩個反射面是互相平行且與其底座的底面垂直的。若望遠鏡及載物臺均已調(diào)成與分光計中心轉(zhuǎn)軸垂直，則平面鏡放在載物臺任意位置上，都應看到如圖30-7所示圖像。將平臺轉(zhuǎn)過180觀察（見圖30-8），也應如此。圖30-8若沒有達到上述調(diào)整要求會出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？我們不妨討論二種特殊情況：（a） 若反射鏡面與分光計中心轉(zhuǎn)軸平行，而與望遠鏡軸不垂直，則當轉(zhuǎn)動載物臺時，無論哪個反射面對準望遠鏡，在望遠鏡中看到叉絲的反射像總是偏上或總是偏下（見圖30-9）。圖30-9（b） 若望遠鏡光軸與分光計中心轉(zhuǎn)軸是垂直的，而反射鏡面與轉(zhuǎn)軸不平行，則當轉(zhuǎn)動載物臺，使一個反射面正對望遠鏡時若叉絲箱偏下；轉(zhuǎn)過180，使另一面正對望遠鏡，叉絲像必偏上（見圖30-10）。圖30-10一般情況下，上述（a）、（b）兩種沒有調(diào)好的因素均存在，所以調(diào)整時要根據(jù)觀察到反射像的現(xiàn)象進行分析，針對原因進行調(diào)整。通常，分二步進行：第一步在載物臺三只傾斜度調(diào)整螺絲a、b、c中選任二只例如a、c將反射鏡面垂直平分ac聯(lián)線放置（見圖30-11（a），并將望遠鏡正對反射鏡的一個反射面，左右微微轉(zhuǎn)載物臺，從目鏡中找到叉絲的反射像。然后將載物臺轉(zhuǎn)過180（注意不要用手直接轉(zhuǎn)動反射鏡），這時反射鏡的另一反射面正對望遠鏡，同樣找到叉絲反射像。要仔細觀察兩個叉絲反射像相對于分劃板的上面一條水平線的位置，如屬一個偏上一個偏下，則反復調(diào)節(jié)載物平臺傾斜螺絲a或c，使兩面反射叉絲像的水平線與分劃板上一條水平線距離各減小一半，逐步逼近直至重合（這叫二分之一調(diào)節(jié)法）；如屬均偏上（或均偏下），則調(diào)節(jié)望遠鏡的傾斜度螺絲，使兩面反射叉絲像均與分劃板上邊十字絲的水平線重合。然后不斷轉(zhuǎn)動載物平臺，觀察叉絲像是否處于圖30-7所示的位置。若不符合，可重復交替用以上方法進行調(diào)節(jié)，直至兩反射像由逐漸接近黑十字線到重合為止。第二步以上調(diào)節(jié)還不能決定載物平臺平面垂直于中心轉(zhuǎn)軸，還需將平面鏡改放在與ac平行的直徑上，見圖30-11（b），調(diào)節(jié)螺釘b，使反射像與叉絲重合。注意此時不能再調(diào)螺釘a、c及望遠鏡傾斜螺絲了（為什么？）圖30-11望遠鏡和載物臺調(diào)好后，它們的傾斜螺絲都不能再動了。 使平行光管發(fā)出平行光，并使其光軸與分光計轉(zhuǎn)軸垂直。這一步可用已調(diào)好的望遠鏡作為基準，調(diào)節(jié)平行光管狹縫至透鏡的距離，使在望遠鏡中能看到狹縫清晰的像，且縫像與叉絲無視差。這時平行光管已發(fā)射平行光（為什么？）再調(diào)節(jié)平行光管傾斜度使狹縫像處于分劃板上下面一條水平線上（此時應將原先豎著的狹縫轉(zhuǎn)90，成水平狀，調(diào)整好還應將其恢復到原位置）。這樣平行光管光軸與望遠鏡光軸就平行了，也就是說平行光管光軸也垂直于分光計中心轉(zhuǎn)軸了。2 分光計的使用測量三棱鏡棱角A兩光學平面之間的夾角稱為二面角。三棱鏡、直角棱鏡中相鄰兩個光學平面之間的夾角稱為棱角（或稱二面角）。用一束平行光入射到三棱鏡的棱角，如圖30-12所示，光線（1）經(jīng)AB面反射，光線（2）經(jīng)AC面反射，二反射光線的夾角為。圖30-12二反射光線的夾角與棱角A的關系很容易從幾何光學中求得A=四 數(shù)據(jù)記錄與處理 棱鏡安放如圖30-13（a），棱角A對準平行光管的中心，使平行光分成兩半，在AB和AC面上反射出去，并且棱角A應接近平臺中心，否則望遠鏡中會看不到反射光。測量左右兩反射光線的角位置，就可算得棱角。測量時稍微改變棱角A接近平臺中心的位置（左右，前后）反復測幾次。角度次數(shù)左右A窗B窗A窗B窗一二三四五S= （P= ）注：儀器誤差為在決定望遠鏡角位置時應注意，當游標順向（即讀數(shù)增大方向）或反方向（即讀數(shù)減小方向）轉(zhuǎn)過刻度盤上360時的那個刻度應加上360或減去360。如 左A=160 左B=340 右A=220 右B=40由于B窗的讀數(shù)從順向通過360而達到40的位置，所以左B=40+360=400故實際上轉(zhuǎn)過角度=20+40=60，即=400340=60五 思考題1.了解分光計各主要部件的功能,熟悉分光計上各調(diào)節(jié)螺絲的作用和調(diào)節(jié)方法,及分光計正確使用時需滿足的要求。2.為什么當調(diào)到叉絲經(jīng)過平面鏡反射后所成的像仍在原叉絲平面內(nèi)時，望遠鏡就可以觀察平行光了？3.如果望遠鏡中看到叉絲像在叉絲的上面，而當平臺轉(zhuǎn)過180后看到的叉絲像在叉絲的下面，試問這時應該調(diào)節(jié)望遠鏡的傾斜度呢？還是應調(diào)節(jié)平臺的傾斜度？反之，如果平臺轉(zhuǎn)過180后，看到的叉絲像仍然在叉絲上面，這時應調(diào)節(jié)望遠鏡呢？還是調(diào)節(jié)平臺？4.試根據(jù)光路圖分析，說明為什么望遠鏡光軸與平面鏡法線平行時，在目鏡內(nèi)應看到“+”形反射像與圖30-2中叉絲的上方交點相重合？5.利用小反射鏡調(diào)節(jié)望遠鏡和載物臺時，為什么反射鏡的放置要選擇 a，c的垂直平分線和平行于a, c這二個位置？隨便放行不行？為什么？6.如何調(diào)節(jié)平行光管？7.根據(jù)圖30-13說明測量三棱鏡頂角時，應如何放置三棱鏡？為什么？圖30-13附錄 圓刻度盤的偏心差 用圓刻度盤測量角度時