用分光計測定三棱鏡玻璃的折射率實(shí)驗(yàn)

1、.實(shí)驗(yàn)三 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(yàn)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

2、的調(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(yàn)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(yàn)，一般也能掌握分光計的使用方法，并順利地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。【實(shí)驗(yàn)?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(yàn)儀器】：分光計（JJY型1），雙面鏡，鈉燈，三棱鏡?！緦?shí)驗(yàn)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，稱為三棱鏡的底面。圖1三棱鏡

3、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?。划?dāng)轉(zhuǎn)到某個位置時，若再繼續(xù)沿此方向轉(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

4、?？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(yàn)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(yàn)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

5、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

6、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，

7、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

8、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

9、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

10、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，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

11、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?三棱鏡的頂角為 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

12、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?！咀⒁馐马?xiàng)】： 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)須檢查分光計的幾個制動螺