【大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告】分光計(jì)的調(diào)節(jié)和介質(zhì)折射率的測(cè)量

1、大連理工大學(xué)大電預(yù)理實(shí)孽報(bào)告院（系）材料學(xué)院專(zhuān)業(yè)材料物理班級(jí) 0705姓 名 學(xué)號(hào) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)實(shí)驗(yàn)時(shí)間 年 月 日，第 十周,星期 一 第 5-6節(jié)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)分光計(jì)的調(diào)節(jié)和介質(zhì)折射率的測(cè)量教師評(píng)語(yǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1 . 了解分光計(jì)的構(gòu)造與原理，掌握分光計(jì)調(diào)節(jié)的思想和調(diào)方方法。2 .學(xué)會(huì)用最小偏向角法測(cè)量棱鏡的折射率。主要儀器設(shè)備：JJY1，型分光計(jì)，平面鏡，鈉光燈，玻璃三棱鏡實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容:1 .分光計(jì)的結(jié)構(gòu)及調(diào)行原理分光計(jì)由望遠(yuǎn)鏡，載物臺(tái)，平行光管，刻 度盤(pán)，底座五部分組成；各部分機(jī)構(gòu)及原理如下：望遠(yuǎn)鏡為阿貝自準(zhǔn)式望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)支臂與轉(zhuǎn)座固 定，并可通過(guò)調(diào)行止動(dòng)螺絲來(lái)控制與轉(zhuǎn)座分劃板共同或相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)

2、。望遠(yuǎn)鏡光軸的高低位置可以通過(guò)不同的螺釘 調(diào)節(jié)，通過(guò)手輪可以調(diào)爐望遠(yuǎn)鏡目鏡的焦距。望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，由目鏡，全反射棱鏡，叉絲分劃板 和物鏡組成，自準(zhǔn)直的原理是當(dāng)位于物鏡焦平而上的透光十字 刻線(xiàn)被下放小燈照亮后，經(jīng)全反射棱鏡和物鏡射出后再被外界平面鏡反射回進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡而投影到叉絲分劃板上成像，與叉絲本身無(wú)像差時(shí)，便證明望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直且適 合觀察平行光.并且可以通過(guò)兩者調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直情況。（如右圖所示）平行光管產(chǎn)生平行光束用的裝置，安裝于立柱上, 可以通過(guò)螺釘來(lái)微調(diào)其光軸位置，平行 光管的主要部件是會(huì)聚透鏡和狹當(dāng)狹位于透鏡主焦而上時(shí)便可產(chǎn)生平行光。載物臺(tái) 載物價(jià)用于放置待測(cè)物件，并可以通過(guò)緊固

3、螺釘來(lái)調(diào)行其位置。調(diào)直到所需的位置后，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中 需要鎖緊所有的緊固螺絲,圖16 4刻度盤(pán)與游標(biāo)刻度盤(pán)由外圈刻度和內(nèi)圈的兩個(gè)對(duì)稱(chēng)游標(biāo)組成，外圈刻度為 360。共720格，讀數(shù)方法相同于游標(biāo)卡尺。設(shè)置兩 個(gè)對(duì)稱(chēng)游標(biāo)的目的是為了消除刻度盤(pán)中心和儀器轉(zhuǎn)軸 中心偏差所帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差，讀取刻度時(shí)，將兩個(gè)游標(biāo)的讀書(shū)取平均，便是望遠(yuǎn)鏡位置的實(shí)際讀數(shù), 即=（q+2）/2底座底座的作用是支撐之上的各個(gè)儀器部件，并且在底座上接有外接電源的插座，以給儀器供電.2 .最小偏向角法測(cè)棱鏡折射率的原理如圖所示，一束光射入棱鏡后發(fā)生兩次折射，入射角為i, 出射角為，出入射光線(xiàn)的偏向角為6,可知有以下關(guān)系: 3 = i+i

4、-a, a為棱鏡的頂角。且可以證明，當(dāng)1=時(shí), 偏向角8達(dá)到最小值，稱(chēng)為最小偏向角，結(jié)合相關(guān)幾何關(guān) 系與折射定律，可以得到以下關(guān)系式：. Rmn+a sin_m±sini9n =sinr . & sin 2可見(jiàn)只要測(cè)得棱鏡的頂角。和最小偏向角21nn，便可以計(jì)算出棱鏡的折射率n0-#-步驟與操作方法：1.分光計(jì)的調(diào)節(jié)分光計(jì)的調(diào)行主要目的是使待測(cè)角平面與讀數(shù)盤(pán)平而相平行以保證測(cè)量的準(zhǔn)確，即通過(guò)調(diào)整載物臺(tái)， 望遠(yuǎn)鏡和平行光管三者的基準(zhǔn)軸均與儀器中心軸線(xiàn)垂直。具體調(diào)方要求為：平行光管出射平行光，望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)處，經(jīng)過(guò)兩管及待測(cè)光學(xué)器件的光路所組成的平面與中心 轉(zhuǎn)軸相垂直。具體調(diào)

5、節(jié)步驟如下:1 .目測(cè)粗調(diào)。初步調(diào)節(jié)使望遠(yuǎn)鏡和平行光管的光軸大致與中心轉(zhuǎn)軸垂直，使載物臺(tái)大致呈水平狀態(tài)。2 .用自準(zhǔn)法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)接上儀器電源，并將一雙面反射平面鏡置于載物臺(tái)上，放 置方式如圖所示。之后轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，同時(shí)在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)尋找 綠色十字的光斑。圖16-7平面鏡在裁物臺(tái)上的位置 為錢(qián)物臺(tái)的三個(gè)水平調(diào)節(jié)螺釘調(diào)在目鏡套筒使十字成像清晰后，并檢查是否存在視差， 若沒(méi)有，說(shuō)明望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)。3 .調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)軸垂直于分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸將平面鏡旋轉(zhuǎn)180° ,然后通過(guò)目測(cè)尋找和調(diào)節(jié)螺釘改變望遠(yuǎn)鏡光軸方向的方法，在望遠(yuǎn)鏡中找 到平而鏡另一而所反射的綠色十字像，采用漸近法調(diào)“使綠

6、色十字像與分劃板上十字叉絲相重合，然后用同樣的方法調(diào)節(jié)另一而反射的 綠色十字像，雙方都調(diào)節(jié)完畢后，望遠(yuǎn)鏡的光軸已垂直儀器中心轉(zhuǎn)軸。之后望遠(yuǎn)鏡的高低調(diào)節(jié) 螺釘不能再動(dòng)。4 .調(diào)行平行光管使其發(fā)出平行光移去中央載物臺(tái)上的平而鏡，用白紙?jiān)谄叫泄夤艿奈镧R端檢查并調(diào)行光源的位置以確保其發(fā)出的 光在物鏡的整個(gè)孔徑上照明均勻?qū)⒁呀?jīng)調(diào)行完畢的望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)部照明光源關(guān)閉，然后對(duì)準(zhǔn)平行光管以得到狹縫的像。前后移動(dòng)狹縫套筒使望遠(yuǎn)鏡中得到的像清晰并且與分劃板上的十字叉絲無(wú)視差后，說(shuō)明平行光管 發(fā)射的已經(jīng)使平行光。最后調(diào)節(jié)狹縫寬度至0.5mm左右。5 .調(diào)竹平行光管的光軸與儀器中心軸線(xiàn)相垂直轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫套筒使狹縫的像轉(zhuǎn)至水平

7、位置，通過(guò)螺釘調(diào)整平行光管的位置使狹縫的像與分劃板上的 十字叉絲水平線(xiàn)相平行，并且像中心對(duì)準(zhǔn)于十字叉絲的中心點(diǎn)：然后將狹縫套筒轉(zhuǎn)回到垂直位置, 并確認(rèn)像與垂直十字叉絲相重合，此時(shí)平行光管光軸調(diào)節(jié)完畢，將光管和狹縫套筒的相關(guān)緊固螺釘鎖死。2.用最小偏向角法測(cè)三棱鏡的折射率1.調(diào)行三棱鏡的主截而垂直于儀器轉(zhuǎn)軸圖16-8三棱鏡在找物臺(tái)上的位置目的是調(diào)節(jié)三棱鏡兩個(gè)折射面的法線(xiàn)垂直于儀器轉(zhuǎn)軸。將三棱鏡如圖方式 放置，則工作而AB, AC的法線(xiàn)俯仰分別由al和a3兩個(gè)螺釘控制并且不 會(huì)相互影響。某一個(gè)反射而AB法線(xiàn)位置的調(diào)行就是通過(guò)調(diào)節(jié)其對(duì)應(yīng)的控 制螺釘al,使得望遠(yuǎn)鏡可以看到通過(guò)該面反射回來(lái)的綠色十字像

8、，并且 十字像與分劃板中的上十字叉絲相重合，說(shuō)明反射而該而的法線(xiàn)方向調(diào)行 完畢。另一個(gè)反射而的調(diào)節(jié)方式亦如此（ACa2）。調(diào)切過(guò)程中與工作而無(wú)關(guān)的第三個(gè)螺釘a2勿動(dòng)。2,反射法測(cè)頂角將三棱鏡置于載物臺(tái)上，頂角一端靠近載物臺(tái)中心，并 且對(duì)準(zhǔn)平行光管，如圖所示。然后用望遠(yuǎn)鏡分別在I和 II位置可以找到狹縫的像。當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的十字叉絲對(duì)準(zhǔn)狹 縫像的中心時(shí)，記下刻度盤(pán)的讀數(shù)小1和61',在另一 個(gè)位置也同樣讀出刻度盤(pán)的讀數(shù)e2和小2"則棱鏡頂角 «的大小可以通過(guò)一下關(guān)系式來(lái)計(jì)算： 。=（附一。1| +陶'一協(xié) 1） 以上測(cè)量過(guò)程重復(fù)進(jìn)行5次。3,測(cè)最小偏向角5min將三

9、棱鏡放置于載物臺(tái)上，使平行光管射出的平行光從棱鏡的一個(gè)折射面射入，從另一個(gè)而射出。左 右旋動(dòng)望遠(yuǎn)鏡位置以找到出射光的像（狹縫像，然后轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)改變?nèi)肷涠鄬?duì)與平行光管的角度,入射角隨之改變，同時(shí)注意觀察出射光線(xiàn)角度的變 化，并用望遠(yuǎn)鏡追蹤以保證狹縫的像始終在望遠(yuǎn)鏡 的視野內(nèi)。在追蹤過(guò)程中發(fā)現(xiàn)出射光的像移動(dòng)到某 一位置時(shí)停頓一下并開(kāi)始往反方向移動(dòng)，說(shuō)明這個(gè) 停頓位置即為最小偏向角對(duì)應(yīng)的出射光位置L將載 物臺(tái)的位置固定于此，然后轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使其十字叉 絲的中心對(duì)準(zhǔn)狹縫像的中心，讀取刻度盤(pán)上望遠(yuǎn)鏡 的角位置小1和6L轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，使得整個(gè)折射光路向與剛才對(duì)稱(chēng)的方向進(jìn)行，同樣通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的追蹤找到最小偏向角

10、的 位置n以后固定，讀取刻度盤(pán)上望遠(yuǎn)鏡的角位置62和62'。如上頁(yè)圖中所示的幾何關(guān)系，此時(shí)同 一游標(biāo)前后兩次讀數(shù)之差為最小偏向角4nin的兩倍。則最小偏向角C11nl的計(jì)算公式如下：以上測(cè)量過(guò)程重復(fù)5次。最后綜合所測(cè)得的棱鏡頂角。和最小偏向角4nm，結(jié)合之前實(shí)驗(yàn)原理中所敘述的折射率計(jì)算公式，代 入公式中，即可求得該三楂鏡的折射率n,并計(jì)算折射率n的不確定度。注意：本實(shí)驗(yàn)中各個(gè)光學(xué)儀器均為精密儀器，在未松開(kāi)緊固螺絲之前不可強(qiáng)行移動(dòng)，以免損壞：另 外以其上的光學(xué)反射而和透射而不可用手觸碰，以免留下污漬而影響光學(xué)效果。-5-數(shù)據(jù)記錄與處理：1,測(cè)量頂角。的數(shù)據(jù)123451238°

11、37，2380 37，238。 28，238° 24，238° 24，中1'58° 38'580 25，580 2V58° 20'58。 22，2118° 41'1180 26，1180 25，118° 49'1180 25，2'298° 39'298° 22'298° 22'298° 39'298° 23，轉(zhuǎn)化為弧度制，得到這樣的數(shù)據(jù):1234514.1654.1654.1624.1614.1611

12、9;1.0231.0201.0181.0181.01922.0712.0672.0672.0742.0672'5.2125.2075.2075.2125.2082,測(cè)量最小偏向角5 min123451229° 39'229° 38'229° 40'229° 39'229° 38'中1'49° 48'49° 39'49。 39'49° 47'49° 42'2127° 58'127° 5

13、7'127° 57'127° 56'127° 57'中2'307° 56'307° 54'307° 53'307° 54，3070 55，轉(zhuǎn)化為弧度制，得到這樣的數(shù)據(jù):1234514.0084.0084.0084.0084.0081'0.8690.8670.8670.8690.86722.2332.2312.2332.2332.2332'53745.3745.37453745.374以下數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，為方便計(jì)算，所有角度未加注明，均為弧度制表示

14、-9-結(jié)果與分析：根據(jù)上一頁(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，首先計(jì)算棱鏡的頂角a ：得到祝、婷、神、源的各自平均值如下:a婷員a4.1631.0202.0695.210Z7 = l(j_| + |'_-|)=l(|2.096-4.163| +(6.28-|5.210-1,020|)=l(2.094+2.09)= 1.046卜.而根據(jù)各組數(shù)據(jù)，分別計(jì)算日、於、員、員'的各自a類(lèi)不確定度:在的A類(lèi)不確定度:xi-avg0.002O.（H）2-0.001-0.002-0.002AA20.0000041560.0000041560.000000336O.OOOOO3O58O.OOOOO3O58SUM

15、A 八20.000014764S0.001280791s,0.000405022t92.26U0.000915349婷的A類(lèi)不確定度:xi-avg0.0040.000-0.001-0.002-0.001八20.0000138200.000000003I.49263E-060.0000023060.000000856SUMAA20.000018477S0.001432824s,0.000453099t92.26U0.001024003a的a類(lèi)不確定度:xi-avg0.002-0.0020.005-0.002八20.0000027030.0000037404.97527E-060.00002257

16、00.000004975SUMAA20.000038963S0.002080685s,0.00065797t92.26U0.001487013的A類(lèi)不確定度:xi-avg0.0034).002-0.0020.003-0.002八20.0000084550.0000041274.12725E-060.0000084550.000003071SUM A A20.000028235S0.001771213s,0.000560107t92.26U0.001265841總的A類(lèi)不確定度為：力=（yju 式如2 +。八（川）2 +。式4）2 +U 八（川）2 = 0.000596867 B類(lèi)不確定度：Ju

17、8M）2 +。8（）2+。8（°2）2+。8（可）2 =000014544頂角的合成不確定度：U（a）=也（療+/（2）2 = 0.000614332頂角的測(cè)量結(jié)果表達(dá)式為：<z = 1.046± 0.001 rad根據(jù)第二部分的數(shù)據(jù)，計(jì)算該棱鏡的最小偏向角6 min：得到石、 &'、神、的各自平均值如下:aa4.0080.8682.2335.374un=l(|_| + |'_'|)=l(|2.233-4.008| +(6.28-|5.374-0.868|)=l(1.775 +1.774)=0.88725下而根據(jù)各組數(shù)據(jù)，分別計(jì)算在、於

18、、灰、員'的各自A類(lèi)不確定度:初的A類(lèi)不確定度:xi-avg0.0000.0000.0000.0000.000AA20.0000000040.0000000560.0000001270.0000000040.000000056SUM 八20.000000246S0.000165495s,5.2334E-05t92.26U0.000118275婷的A類(lèi)不確定度:xi-avg0.001-0.001-0.0010.0010.000AA20.000002119O.OOOOO1351O.OOOOO13510.0000013430.000000084SUM A 八20.000006248S0.00

19、0833205s'0.000263482t92.26U0.00059547員的A類(lèi)不確定度:xi-avg0.001-0.0010.0000.0000.000八20.0000004170.0000019500.0000001220.0000000030.000000122SUM A A20.000002613SO.OOO538827s'0.000170392t92.26U0.000385086弘的A類(lèi)不確定度:xi-avg0.0000.0000.0000.0000.000AA20.0000002160.0000000120.0000001670.0000000120.000000

20、028SUM A A20.000000435S0.000219939s'6.95509E-05t92.26U0.000157185總的A類(lèi)不確定度為:匕（）二；歷布。西港西師F = 0.00018397）B類(lèi)不確定度：U" （6mhi） = ； fu+U b¥ +u B電 f +U B 電¥ =0.00014544最小偏向角的合成不確定度：= J34（/而）2+4（6超）2 = 0.000234523最小偏向角的測(cè)量結(jié)果表達(dá)式為：5 . =0.8873 ±0.0002 rad計(jì)算棱鏡的折射率及其不確定度= 1.54647696Sin ''"in + 萬(wàn)=A.a sin 2U“ =yjcot£-cotij(Uj+cot(gj =0.00056755那么該棱鏡折射率的最終結(jié)果表達(dá)式為： =1.5465±0.0006討論、建議與質(zhì)疑：3 .當(dāng)望遠(yuǎn)鏡中看到綠色十字像與分劃板上方的十字叉絲重合時(shí)，光路圖如下所示:由于分劃板上的上十字叉絲與下方的綠色亮紋在豎直方向上是中心對(duì)稱(chēng)的，當(dāng)綠色像與