大學物理實驗分光計的調(diào)整和三棱鏡折射率的測定

1、.實驗二十 分光計的調(diào)整和三棱鏡折射率的測定【實驗目的】1了解分光計的構(gòu)造,掌握調(diào)節(jié)和使用分光計的方法。2了解測定棱鏡頂角的方法。3用最小偏向角法測定棱鏡玻璃的折射率?！緦嶒炂鞑摹糠止庥嫛⑩c燈、三棱鏡、雙面平面鏡。【實驗原理】分光計是一種常用的光學儀器，實際上就是一種精細的測角儀，在幾何光學實驗中，主要用來測定棱鏡角、光束的偏向角等，而在物理光學實驗中，加上分光元件棱鏡、光柵即可作為分光儀器，用來觀察、測量光譜線的波長等。下面以學生型分光計JJY型為例，說明它的構(gòu)造、工作原理和調(diào)節(jié)方法。 圖5-11-1 分光計1-狹縫裝置 2-狹縫裝置鎖緊螺釘 3-平行光管 4-制動架一 5-載物臺 6-載物

2、臺調(diào)節(jié)螺釘3只 7-載物臺鎖緊螺釘 8-望遠鏡 9-目鏡鎖緊螺釘 10-分劃板 11-目鏡調(diào)節(jié)手輪 12-望遠鏡仰角調(diào)節(jié)螺釘 13-望遠鏡水平調(diào)節(jié)螺釘 14-望遠鏡微調(diào)螺釘 15-轉(zhuǎn)座與刻度盤制動螺釘 16-望遠鏡制動螺釘 17-制動架二 18-底座 19-轉(zhuǎn)座 20-刻度盤 21-游標盤 22-游標盤微調(diào)螺釘 23-游標盤制動螺釘 24-平行光管水平調(diào)節(jié)螺釘 25-平行光管仰角調(diào)節(jié)螺釘 26-狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪一、分光計的構(gòu)造分光計主要由底座、望遠鏡、平行光管、載物平臺和刻度圓盤等幾局部組成，每局部均有特定的調(diào)節(jié)螺釘，圖5-11-1為JJY型分光計的構(gòu)造外型圖。1分光計的底座要求平穩(wěn)而堅實。在

3、底座的中央固定著中心軸，望遠鏡、刻度盤和游標內(nèi)盤套在中心軸上，可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。2平行光管固定在底座的立柱上，它是用來產(chǎn)生平行光的。其一端裝有消色差的會聚透鏡，另一端裝有狹縫的圓筒，狹縫的寬度根據(jù)需要可在0.022X圍內(nèi)調(diào)節(jié)。圖5-11-2 望遠鏡構(gòu)造 圖5-11-3 分劃板1-物鏡 2-外管 3-分劃板 4-中管 5-目鏡系統(tǒng) 6-內(nèi)管 7-小燈 1-鏡面反射像 2-上十字線 3-十字窗口3望遠鏡安裝在支臂上，支臂與轉(zhuǎn)座固定在一起，套在主刻度盤上，它是用來觀察目標和確定光線的傳播方向。望遠鏡由目鏡系統(tǒng)和物鏡組成，為了調(diào)節(jié)和測量，物鏡和目鏡之間還裝有分劃板，它們分別置于內(nèi)管、外管和中管內(nèi)，三個

4、管彼此可以相對移動，也可以用螺釘固定，如圖5-11-2所示，在中管的分劃板下方緊貼一塊450全反射小棱鏡，棱鏡與分劃板的粘貼局部涂成黑色，僅留一個綠色的小十字窗口，照明小燈發(fā)出的光線從小棱鏡的另一直角邊入射，從450反射面反射到分劃板上，透光局部在分劃板上便形成一個明亮的十字窗。4分光計上控制望遠鏡和刻度盤轉(zhuǎn)動的有三套構(gòu)造，正確運用它們對于測量很重要，具體如下：1望遠鏡制動和微動機構(gòu)，圖5-11-1中的16、14；2分光計游標盤制動和微動控制機構(gòu)，圖5-11-1中的23、22；3望遠鏡和刻度盤的離合控制機構(gòu)，圖5-11-1中的15。轉(zhuǎn)動望遠鏡或移動游標位置時，都要先松開相應的制動螺釘；微調(diào)望遠

5、鏡及游標位置時要先擰緊制動螺釘。要改變刻度盤和望遠鏡的相對位置時，應先松開它們間的離合控制螺釘，調(diào)整后再擰緊。 一般是將刻度盤的00線置于望遠鏡下，可以防止在測角度時，00線通過游標引起的計算上的不方便。5載物平臺是一個用以放置平面鏡、棱鏡、光柵等光學元件的圓形平臺，套在游標內(nèi)盤上，可以繞通過平臺中心的鉛直軸轉(zhuǎn)動和升降。當平臺和游標盤刻度內(nèi)盤一起轉(zhuǎn)動時，控制其轉(zhuǎn)動的方式與望遠鏡一樣，也是粗調(diào)和微調(diào)兩種。平臺下有三個調(diào)節(jié)螺釘，可以改變平臺臺面與鉛直軸的傾斜度。圖5-11-4 分光計的觀測系統(tǒng)6望遠鏡和載物平臺的相對方位可由刻度盤上的讀數(shù)確定。主刻度盤上有003600的圓刻度，分度值為。為了提高角

6、度測量精細度，在內(nèi)盤上相隔1800設有兩個游標，游標上有30個分格，它和主刻度盤上29個分格相當，因此分度值為。讀數(shù)方法與游標卡尺的游標原理一樣該處稱為角游標。記錄測量數(shù)據(jù)時，為了消除刻度盤的刻度中心和儀器轉(zhuǎn)動軸之間的偏心差，必須同時讀取兩個游標的讀數(shù)。安置游標位置要考慮具體實驗情況，主要注意讀數(shù)方便，且盡可能在測量中刻度盤00線不通過游標。記錄與計算角度時，左右游標分別進展，防止混淆算錯角度。二、分光計的調(diào)節(jié)分光計是在平行光中觀察有關(guān)現(xiàn)象和測量角度，因此應到達以下三個要求：平行光管發(fā)出平行光；望遠鏡能承受平行光；望遠鏡、平行光管的光軸垂直儀器公共軸。用分光計進展觀測時，其觀測系統(tǒng)根本上應由以

7、下三個平面構(gòu)成，如圖5-11-4所示。 讀值平面：這是讀取數(shù)據(jù)的平面，由主刻度盤和游標盤繞中心轉(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，且和中心主軸垂直。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轉(zhuǎn)軸垂直時，觀察面才是一個平面，否那么，將形成一個以望遠鏡光軸為母線的圓錐面。待測光路平面：由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)載物平臺下方的三個調(diào)節(jié)螺釘，可以將待測光路平面調(diào)節(jié)到所需方位。按調(diào)節(jié)要求，應將此三個平面調(diào)節(jié)成相互平行，否那么，測得角度將與實際角度有些差異，即引入系統(tǒng)誤差。1調(diào)節(jié)望遠鏡和

8、載物平臺1目鏡調(diào)焦這是為了使眼睛通過目鏡能清楚地看到圖5-11-3所示分劃板上的刻線。調(diào)接方法是把目鏡調(diào)焦手輪輕輕旋出，或旋進，從目鏡中觀看，直到分劃板刻線清晰為止。2調(diào)節(jié)望遠鏡對平行光聚焦圖5-11-5 載物臺上雙面鏡放置的俯視圖實質(zhì)是將分劃板調(diào)到物鏡焦平面上，調(diào)整方法如下：1把目鏡照明，將雙面平面鏡放到載物臺上，為了調(diào)節(jié)方便，平面境與載物臺下三個調(diào)節(jié)螺釘?shù)南鄬ξ恢萌鐖D5-11-5所示。2粗調(diào)望遠鏡光軸與鏡面垂直 目測將望遠鏡調(diào)成水平、載物臺水平，使鏡面大致與望遠鏡垂直。3觀察與調(diào)節(jié)鏡面反射像 固定望遠鏡，轉(zhuǎn)動游標盤，于是載物臺跟著一起轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動平面鏡使其正好對著望遠鏡時，在目鏡中應看到一個

9、綠色十字隨著鏡面轉(zhuǎn)動而動，這就是亮十字的反射像。如果像有些模糊，只要沿軸向移動目鏡筒，直到像清晰、無視差，再旋緊螺釘，此時望遠鏡已聚焦平行光。3調(diào)整望遠鏡光軸與儀器主軸垂直圖5-11-6 載物臺傾角沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整原理當鏡面與望遠鏡光軸垂直時，它的反射像應落在目鏡分劃板上與下方十字窗對稱的十字線中心，如圖5-11-3所示。平面鏡繞軸轉(zhuǎn)1800后，如果另一鏡面的反射像也落在此處，這說明鏡面平行儀器主軸。當然，此時與鏡面垂直的望遠鏡光軸也與儀器主軸垂直。在調(diào)整過程中出現(xiàn)的某些現(xiàn)象是何原因.調(diào)整什么.應如何調(diào)整，這是要分析清楚的。例如，是調(diào)載物臺.還是調(diào)望遠鏡.調(diào)到什么程度.下面簡述之。1載物臺傾

10、角沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整圖5-11-7 望遠鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整原理假設望遠鏡光軸已垂直儀器主軸，但載物臺傾角沒調(diào)好，如圖5-11-6所示。平面鏡A面反射光偏上，載物臺轉(zhuǎn)1800后，B面反射光偏下，在目鏡中看到的現(xiàn)象是A面反射像在B面反射像的上方。顯然，調(diào)整方法是把B面像或A面像向上或向下調(diào)到兩像點距離的一半，這一步要反復進展，最后使鏡面A和B的像落在分劃板上同一高度。2望遠鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整假設載物臺已調(diào)好，但望遠鏡光軸不垂直儀器主軸，如圖5-11-7所示。在圖(a)中，無論平面鏡A面還是B面，反射光都偏上，反射像落在分劃板上十字線的上方。在圖(b)中，鏡面反射光都偏下，反射像都落在分

11、劃板上十字線的下方。顯然，調(diào)整方法是只要調(diào)整望遠鏡仰角調(diào)節(jié)螺釘12，把像調(diào)到上十字線上即可，如圖c。3載物臺和望遠鏡光軸都沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整表現(xiàn)是兩鏡面反射像一上一下。先調(diào)載物臺螺釘，使兩鏡面反射像像點等高但像點沒落在上十字線上，然后，調(diào)整望遠鏡仰角調(diào)節(jié)螺釘12，把像調(diào)到上十字線上。2調(diào)整平行光管發(fā)出平行光并垂直儀器主軸實質(zhì)是將被照明的狹縫調(diào)到平行光管物鏡焦平面上，物鏡將出射平行光。調(diào)整方法是：取下平面鏡，關(guān)掉目鏡照明光源，狹縫對準照明光源，使望遠鏡轉(zhuǎn)向平行光管方向，在目鏡中觀察狹縫的像，沿軸向移動狹縫套筒，直到像清晰。這說明光管已發(fā)出平行光。圖5-11-8 平行光管光軸與望遠鏡光軸共線再將狹

12、縫轉(zhuǎn)向橫向水平，調(diào)節(jié)螺釘25，將狹縫的像調(diào)到中心橫線上，如圖5-11-8a所示。這說明平行光管光軸已于望遠鏡光軸共線，所以也垂直儀器主軸。螺釘25不能再動。 最后，將狹縫調(diào)成豎直，鎖緊螺釘2。如圖5-11-8b所示。三、用最小偏向角法測定三棱鏡的折射率如圖5-11-9，一束單色光以角入射到AB面上，經(jīng)棱鏡兩次折射后，從AC面折射出來，出射角為。入射光和出射光的夾角稱為偏向角。當棱鏡頂角A一定時，偏向角的大小隨入射角的變化而變化。而當=時，為最小證明可參閱光學教材中的相關(guān)內(nèi)容。此時的偏向角稱為最小偏向角，記為。圖5-11-9 三棱鏡最小偏向角原理圖由圖5-11-9中可以看到，此時，有 5-11-

13、1得設棱鏡折射率為，由折射定律得 5-11-2由此可知，要求得棱鏡的折射率，必須測出其頂角A和最小偏向角?！緦嶒瀮?nèi)容】1調(diào)整分光計，使其處于工作狀態(tài)。調(diào)整方法見以上所述。2使三棱鏡的光學外表垂直望遠鏡光軸1調(diào)載物臺的上下臺面大致平行，將棱鏡放到載物平臺上，使棱鏡三邊與臺下三個螺釘?shù)倪B線所成三邊互相垂直，如圖5-11-10所示，這樣，調(diào)節(jié)一個螺釘可以調(diào)節(jié)棱鏡光學外表的傾斜度。圖5-11-10 三棱鏡在載物臺上的正確方法圖5-11-11 測棱鏡頂角2接通目鏡照明光源，遮住從平行光管射來的光。轉(zhuǎn)動載物平臺，在望遠鏡中觀察從三棱鏡的兩個光學外表AC和AB反射回來的十字像，只調(diào)臺下三個螺釘，使其反射像都

14、落到上十字線處，如圖5-11-11所示。調(diào)節(jié)時，切莫動螺釘12。注意：每個螺釘調(diào)節(jié)的動作要輕，并同時觀察它對各側(cè)面反射像的影響。棱鏡調(diào)好后，其位置不能再動。3測棱鏡頂角對兩游標作一適當標記，分別稱左游標和右游標，在記錄數(shù)據(jù)時，且勿顛倒。扭緊刻度盤下螺釘15、16，望遠鏡和刻度盤固定不動。轉(zhuǎn)動游標盤，使棱鏡AC面正對望遠鏡，如圖5-11-11所示。分別記下左、右游標的讀數(shù)和。再轉(zhuǎn)動游標盤，再使棱鏡AB面正對望遠鏡，再分別記下左、右游標的讀數(shù)和。同一游標兩次讀數(shù)之差或，即是載物臺轉(zhuǎn)過的角度，所以，而是A角的補角，即 圖5-11-12 測量最小偏向角反復測量3次，數(shù)據(jù)填入表5-11-1中。4測三棱鏡

15、的最小偏向角1使平行光管狹縫對準鈉光燈光源。2松開望遠鏡制動螺釘16和游標盤制動螺釘23，把載物臺及望遠鏡轉(zhuǎn)至如圖5-11-12中所示的位置1處，再左右微微轉(zhuǎn)動望遠鏡，找出棱鏡折射出的光線。3輕輕轉(zhuǎn)動載物臺改變?nèi)肷浣?，望遠鏡中將看到光線跟著移動。改變，使光線往減小的方向移動即向頂角A方向移動。望遠鏡跟著光線移動，直到棱鏡繼續(xù)轉(zhuǎn)動，而光線開場反向移動即偏向角反而變大為止。這個反向移動的轉(zhuǎn)折位置，就是光線以最小偏向角射出的方向。固定載物臺鎖緊螺釘23，微動望遠鏡，使其分劃板上的中心豎線對準譜線。4測量記下此時兩游標的讀數(shù)和。取下三棱鏡載物臺保持不動，轉(zhuǎn)動望遠鏡對準平行光管，即圖5-11-12中2的位置，以確定入射光的位置，再記下兩游標的讀數(shù)和。此時該光線的最小偏向角為反復進展三次，將數(shù)據(jù)填入表5-11-2中