分光計的調節(jié)與使用

1、分光計的調節(jié)與使用【實驗簡介】分光計是一種精確地測量光線偏轉角度的光學儀器，可以用來觀察光譜，測量光譜波長、偏轉角、棱鏡角等與角度有關的光學量。許多光學儀器的基本結構都是以分光計為基礎的。現(xiàn)代的X射線、射線分光計已用于分析各種物質的成分和放射性劑量的測定。由于分光計比較精密，操作控制部件較多且復雜，使用時必須按一定的規(guī)則嚴格調整，方能獲得較高精度的測量結果。 分光計的調整思想、方法與技巧，在光學儀器中有一定的代表性，學習它的調節(jié)和使用方法，有助于掌握更為復雜的光學儀器的使用。 夫瑯和費生平簡介圖11-1 夫瑯和費夫瑯和費是德國物理學家，1787年3月6日生于斯特勞賓。 他集工藝家與理論家的才干

2、于一身，把豐富的實踐經驗與理論結合起來，對光學和光譜學作出了重要貢獻。1814年用自己改進的分光系統(tǒng)，在棱鏡前后分別加一個準直儀和望遠鏡（分光計雛形），發(fā)現(xiàn)并仔細研究了太陽光譜中的若干條暗線(現(xiàn)稱為夫瑯和費線)。他利用衍射原理測出它們的波長，將 576條暗線編制成表，并用字母A、B、C、D、等將其中主要的線命名,還在星光中發(fā)現(xiàn)了某些譜線。他用這些譜線測量了各種光學玻璃的折射率達到以前從未有過的精度，解決了大塊高質量光學玻璃制造的難題。 1821年，他發(fā)表了平行光單縫衍射的研究結果（后人稱平行光衍射為夫瑯和費衍射），做了光譜分辨率的試驗,第一個定量地研究了衍射光柵，制成260條平行線組成的光柵，

3、用它測量了光的波長。1823年他又用金剛石刀刻制了玻璃光柵（3200條/巴黎寸），給出了至今通用的光柵方程。【分光計的構造與工作原理】 分光計主要由底座、望遠鏡、載物平臺、平行光管和讀數(shù)裝置等五個部分組成，物理實驗常用的JJY型分光計結構如圖11-2所示。載物平臺平行光管自準直望遠鏡底座刻度讀數(shù)盤圖11-2 分光計實物圖（1）底座 底座上安置著中心軸（又稱主軸），軸上裝有可繞中心軸轉動的望遠鏡、刻度圓盤、角游標盤、載物臺和與底座座腳相連接的平行光管。 （2）望遠鏡 望遠鏡采用的是阿貝式子準直望遠鏡，結構如圖11-3所示。由目鏡、管筒、分劃板、小棱鏡、小燈泡和物鏡組成。望遠鏡可以繞分光計的中心軸

4、轉動，并可以用制動螺釘固定在游標盤的某一位置上，其角度位置可由游標盤的讀數(shù)裝置讀得。 圖11-3 阿貝式望遠鏡結構和分劃板示意圖圖11-4 JJY型分光計構造圖1-狹縫裝置；2-狹縫裝置鎖緊螺絲；3-平行光管；4-止動架（二）；5-載物臺；6-載物臺調節(jié)螺絲（共3只）；7-載物臺和游標盤間鎖緊螺絲；8-望遠鏡；9-目鏡筒鎖緊螺絲；10-阿貝式自準目鏡；11-目鏡調焦手輪；12-望遠鏡光軸傾斜調節(jié)螺絲；13-望遠鏡光軸左右偏斜度調節(jié)螺絲；14-望遠鏡微動螺絲；15-望遠鏡和度盤間鎖緊螺絲；16-望遠鏡止動螺絲（另側）；17-止動架（一）；18-轉座和刻度盤止動螺釘；19-底座；20-轉座21-刻

5、度盤；22-游標盤；23-平行光管立柱24-游標盤微動螺絲；25-游標盤止動螺絲；26-平行光管光軸左右偏斜度調節(jié)螺絲；27-平行光管光軸傾斜調節(jié)螺絲；28-狹縫寬度調節(jié)螺絲。（3）載物平臺 載物平臺是用來放置光學元件的平臺，可繞分光計的中心軸轉動；松開該平臺固定螺釘，可使平臺沿中心軸升降；臺下有三個調節(jié)螺釘，用以調節(jié)平臺的水平度。（4）平行光管 平行光管是用來出射平行光束的，它在分光計上的位置是固定的；他的狹縫調節(jié)可以使狹縫寬度發(fā)生變化；松開固定螺釘可使狹縫前后移動，以使狹縫位于平行光管物鏡的焦平面上；當狹縫被照亮時，光線便以平行光形式射出平行光管。圖11-5平行光管內部構造示意圖（5）刻度

6、讀數(shù)盤 讀數(shù)裝置由刻度盤和游標盤兩部分組成，讀數(shù)方法與游標卡尺相似。對于JJY型分光計，刻度盤上每一格的值為30，游標盤上刻有30根小刻線，其最小分辨讀數(shù)為1，它即為JJY型分光計的誤差限。示意圖如圖11-6所示。該圖角度示值為116°12。 圖11-6 刻度盤和游標盤示意圖 為了消除刻度盤和分光計中心轉軸之間的偏心差，在刻度圓盤同一直徑的兩端各裝一個角游標。測量角度時，對一個角度的兩個位置，兩個游標都應讀數(shù)，算出每個游標在兩個位置上的讀數(shù)差，再取它們的平均值作為望遠鏡或載物臺轉過的角度?！痉止庥嬚{節(jié)方法及要求】一、分光計的調節(jié)的基本要求 分光計調節(jié)的基本要求是：調望遠鏡聚焦于無窮遠

7、處；調望遠鏡的光軸與分光計的中心轉軸相垂直；調平行光管能產生平行光，平行光管的光軸應與分光計的中心轉軸相垂直。二、分光計的調節(jié)方法1、目測粗調目測調整望遠鏡光軸（調傾仰調節(jié)螺釘12）、平行光管光軸（調傾仰調節(jié)螺釘25）、載物臺平面（臺下三螺釘?shù)雀撸?，使三者大致垂直于分光計中心轉軸。目測粗調是重要的一步，是進一步細調的基礎，它可以縮短調整時間。2、望遠鏡的調焦1）目鏡調焦開啟望遠鏡照明燈，此時望遠鏡的目鏡視場中叉絲可能不清晰，旋轉目鏡調節(jié)手輪，調整目鏡與分劃板相對位置，使叉絲與小十字變清晰為止。2）物鏡調焦在載物臺上放置一雙面平面反射鏡，平面鏡平面與載物臺下螺釘a、b連線垂直或平行，兩種放置方法

8、如圖11-7所示。圖11-7 平面鏡放置圖 cabbaca)b) 圖11-8 望遠鏡垂直正對反射鏡 使望遠鏡光軸大致垂直平面鏡，調望遠鏡俯仰角，左右轉動載物臺或望遠鏡，從望遠鏡中能看到十字反射像。松開目鏡套管固定螺釘，移動套管到物鏡距離（即分劃板與物鏡相對位置），使小十字及其反射像皆十分清晰為止，如圖所示11-8所示。眼睛左右移動時，微調目鏡系統(tǒng)，使小十字反射像與叉絲無相對位移，從而消除視差。3、調節(jié)望遠鏡光軸和載物臺平面與分光計中心軸相垂直。 1） 轉動載物臺，使平面鏡前后兩面反射的十字反射像皆在望遠鏡視場內。仔細調望遠鏡俯仰角，使之正對平面鏡兩面都能看到十字反射像。設其中一反射像與上十字叉

9、絲距離為h（如圖11-9(a)所示）,我們用“各半”調節(jié)法消除h。2）調節(jié)載物臺下a或b兩螺釘之一，使此h縮短為h/2（如圖11-9（b）所示），再調望遠鏡俯仰角，使十字反射像與分劃板上十字叉絲重合（如圖11-9（c）所示）。 圖11-9 用“各半”調節(jié)法調反射十字像3）轉動載物臺，用“各半”調節(jié)法調節(jié)使另一反射面的十字反射像與分劃板上十字叉絲重合（如圖11-9（c）所示）。4）將平面鏡轉動90°后放在載物臺上（如圖11-7所示），調節(jié)載物臺下螺釘c,使十字反射像與分劃板上十字叉絲重合。 4、調整平行光管，使之能發(fā)出平行光，并使其光軸與分光計中心軸相垂直。 1）調平行光管產生平行光點

10、亮汞燈或鈉燈，均勻照亮狹縫，以前面調好的望遠鏡為準來調節(jié)平行光管。改變狹縫與平行光管透鏡間的距離，使狹縫在望遠鏡視場中清晰成像，且像與分劃板叉絲無視差。平行光管發(fā)射的光即為平行光了。2)調平行光管光軸與分光計中心軸垂直調整狹縫寬度通過望遠鏡觀察，使狹縫寬約.。轉動狹縫體，使狹縫亮線呈水平狀，再調節(jié)平行光管下面的傾角螺絲，改變平行光管的俯仰，使狹縫亮線位于望遠鏡分劃板的中央，與叉絲線的水平線重合。這時平行光管的光軸與望遠鏡的光軸一致了，因而也垂直分光計中心軸了。 圖11-10平行光管與分光計中心軸垂直調節(jié)示意圖 此調節(jié)過程可用圖見圖11-10的(a)、(b)兩個圖表示。 分光計完全調好后，望遠鏡

11、、平行光管、載物臺的狀態(tài)不能再改變（否則整個調節(jié)要重新進行）。接下去可以進行各種實驗測量了。實驗練習一 用分光計測三棱鏡的頂角【實驗目的】1、了解分光計的結構及其基本原理； 2、學習分光計的調節(jié)方法； 3、用自準直法或反射法測三棱鏡的頂角?！緦嶒瀮x器】JJY型分光計，汞燈或鈉燈，平面反射鏡，三棱鏡【實驗原理】 玻璃三棱鏡是光學基本元件如圖1-1所示。AB和AC是兩個透光的光學表面，稱為“折射面”，其夾角a稱為三棱鏡的頂角；BC面一般為毛玻璃面，稱為“三棱鏡的底面”。A ABC C B () C B 圖11-1-1 玻璃三棱鏡 圖11-1-2 自準直法測三棱鏡頂角1、自準直法測量三棱鏡的頂角圖1

12、-2所示為自準直法測量三棱鏡頂角的示意圖。將三棱鏡放到分光計載物臺上，三棱鏡放置方法如圖1-3（a）所示。望遠鏡照明小燈發(fā)出的光線垂直入射于三棱鏡AB面而沿原路反射回來，記下此時光線入射方位(兩角度值；然后轉動望遠鏡使光線垂直入射于AC面，記下沿原路反射回來的方位()兩角度值，則望遠鏡轉角，三棱鏡頂角a分別為 （11-1-1）bac 圖 11-1-3（a） 圖 11-1-3（b）2、反射法測三棱鏡的頂角 將三棱鏡放置在載物臺上并離平行光管遠些，轉動載物臺，使三棱鏡頂角對準平行光管，讓平行光管射出的光束照在三棱鏡兩個折射面上（見圖1-4（b）。將望遠鏡轉至I處觀測反射光，調節(jié)望遠鏡微調螺絲使望遠

13、鏡豎直叉絲對準狹縫像中心線。再分別從兩個游標（設左游標為A，右游標為B）讀出反射光的方位角；然后將望遠鏡轉至處觀測反射光，相同方法讀出反射光的方位角。由圖1-4(a)光路圖可以證明得到：A1122入射光線反射光線反射光線 CB圖11-1-4（b）反射法測棱鏡頂角圖11-1-4（a） 反射法光路圖 （11-1-2）【實驗內容及要求】1、分光計的調節(jié)1）目測粗調（調節(jié)內容見前述）；2）調望遠鏡的焦距（調節(jié)方法見前述）；3）調節(jié)望遠鏡光軸和載物臺平面與分光計中心軸相垂直（調節(jié)方法見前述）；4）調整平行光管，使之能發(fā)出平行光，并使其光軸與分光計中心軸相垂直（調節(jié)方法見前述）。2、用自準直法測三棱鏡的頂

14、角1）點亮望遠鏡照明燈并正對三棱鏡AC反射面，使反射小十字像與望遠鏡分劃板上十字叉絲重合，若偏高或偏低，可調載物臺下螺釘b,再使望遠鏡正對三棱鏡AB反射面，若反射小十字像偏高或偏低，只調載物臺下螺釘c，使小十字像與分劃板上十字叉絲重合。2）記下望遠鏡兩位置四個角度值（）和（），重復測量五次，列表記錄數(shù)據(jù)，計算頂角的平均值和不確定度。3、用反射法測三棱鏡的頂角1)開啟汞燈或鈉燈照亮平行光管狹縫,三棱鏡頂角對準平行光管，使望遠鏡從三棱鏡AB面找到狹縫像并對準分劃板垂線，記下望遠鏡兩角度值（），再將望遠鏡轉到AC面，使狹縫像對準分劃板垂線，記下此時望遠鏡兩角度值（），重復測量五次，列表記錄數(shù)據(jù)。2）

15、根據(jù)計算式計算頂角平均值和不確定度。附頂角不確定度計算公式如下： 實驗練習二 三棱鏡折射率的測定【實驗目的】1、了解分光計的結構及其基本原理；2、學習分光計的調節(jié)方法；3、測定三棱鏡頂角，觀察三棱鏡對汞燈的色散現(xiàn)象；4、測定玻璃三棱鏡對汞綠光或鈉光的折射率?！緦嶒瀮x器】JJY型分光計，汞燈或鈉燈，平面反射鏡，三棱鏡【實驗原理】一束單色光以角入射到面上，經棱鏡兩次折射后，從面射出來，出射角為。入射光和出射光之間的夾角稱為偏向角。當棱鏡頂角一定時，偏向角的大小隨入射角的變化而變化。而當時，為最小(證明略)。這時的偏向角稱為最小偏向角，記為。 圖11-2-1 測三棱鏡折射率光路圖 圖11-2-2 最

16、小偏向角測量示意圖由圖2-1中幾何關系得到 (11-2-1)設棱鏡材料折射率為，根據(jù)折射定律，則故 (11-2-2)由此可知，要求得棱鏡材料的折射率，必須測出其頂角和最小偏向角。折射率是光波波長的函數(shù)非單色光源（如汞燈）發(fā)出的光，經過三棱鏡折射以后，其中各單色光成分會有不同的偏向角，出射光形成色散光譜線。偏向角可以分別測量。一般折射率常用鈉黃光而言，記做?！緦嶒瀮热荨?1、 分光計的調節(jié)（調節(jié)要求和方法見前述） 圖11-2-3 三棱鏡色散2、 用自準直法或反射法測三棱鏡的頂角A，測量四次(原理和方法見前述) 3、 測量低壓汞燈出射光譜線中綠光的最小偏向角 1）將平行光管狹縫對準汞光源，并使三棱鏡、望遠鏡和平行光管處于如圖2-2所示相對位置，即可在望遠鏡中彩色光譜線（即狹縫的單色像）。調節(jié)縫寬，使光譜線細而清晰地成像在望遠鏡分劃板平面上。 2）輕輕轉動載物臺(改變入射角)，在望遠鏡中將看到譜線跟著動。使譜線往減小的方向移動(向頂角A方向移動)。望遠鏡要跟蹤光譜線轉動，直到棱鏡繼續(xù)轉動，而譜線開始要反向移動(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，再使望遠鏡微動，使其分劃板上的中心豎線對準其中的那條綠譜線()。記下此時兩游標處的讀數(shù)（），取下三棱鏡(載物