理實驗I分光計的調整與折射率的測定

1、分光計是一種精確測量角度觀察光譜的比較精密的光學儀器?？梢杂脕頊y量棱鏡的頂角、最小偏向角等，從而間接地測出棱鏡折射率、光波波長、色散率等一些物理量。分光計裝置精密，結構復雜，使用前必須按操作程序進行調整，它的調整方法和操作技能在光學儀器中具有一定的普遍意義，而且它的基本光學結構又是許多光學儀器(如攝譜儀、單色儀、分光光度計等)的基礎。因而學習分光計結構原理、調整方法以及一些應用是很有用處的。預備問題1用分光計測量角度前應該調節(jié)分光計達到什么要求?2如何判斷望遠鏡已對無窮遠聚焦?如何判斷平行光管已發(fā)射平行光?3為什么說望遠鏡光軸垂直于旋轉主軸不等于載物臺垂直于旋轉主軸?用自準直法調平載物臺時為什

2、么只能調節(jié)載物臺調平螺釘，不能再調節(jié)望遠鏡俯仰角調節(jié)螺釘?4測量最小偏向角時，三棱鏡在載物臺上的位置會是任意的嗎?為什么?5如果旋轉望遠鏡找不到折射光線，可能是什么原因?6對給定的棱鏡和單色光，最小偏向角是惟一的還是可以有不同的數值?為什么?7有幾種方法測三棱鏡的頂角？8.怎樣找到三棱鏡的最小偏向角？引言 折射率是描寫透明物質的重要光學參量。通過它，可以了解物質的純度、濃度、透光性、色散等性能。測定固體折射率方法很多，本實驗采用最小偏向角法。1中三角形ABC表示三棱鏡的橫截面。AB和AC是透光的光學表面，稱為折射面，其夾角A稱為三棱鏡的頂角。BC為毛玻璃面，稱為三棱鏡的底面。1 一束單色光線L

3、D經待測三棱鏡的兩次折射后，沿ER方向射出。入射光線與出射光線的夾角稱為偏向角，偏向角三棱鏡的重要特征量。的大小隨入射光束在AB面上的入射角il1中的幾何關系可得A=1）2）棱角A是固定的，偏向角的極小值可由2）有3）1）和折射定律= n= n4 )可得5）比較式（3）和式（5）可知6）可知當出射光和入射光相對棱鏡對稱時，偏向角有極小值2）可得=A/2和 =（A+）/ 2，帶入折射定律即可得到7）只要測出三棱鏡頂角A及測量某種波長的光在三棱鏡中的最小偏向角7計算該種物質對該波長的折射率。儀器設備 JY型分光計，三棱鏡，平面反射鏡，鈉光燈。【儀器介紹】2 分光計外型圖1平行光管狹縫裝置 2狹縫裝

4、置鎖緊螺釘 3平行光管鏡筒 4游標盤制動架 5載物臺6載物臺調子螺釘 7載物臺鎖緊螺釘 8望遠鏡筒 9目鏡筒鎖緊螺釘 10阿貝式自準宜目鏡11日鏡視度調節(jié)手輪 12望遠鏡光軸俯仰角調節(jié)螺釘 13望遠鏡光軸水平方位調節(jié)螺釘 14支持臂15望遠鏡方位角微調螺釘 16望遠鏡鎖緊螺釘 17望遠鏡轉座與度盤鎖緊螺釘 18望遠鏡制動架底座 20望遠鏡轉座 21主刻度毅 22游標內盤 23立柱 24游標盤微調螺釘 25游標盤鎖緊螺釘26平行光管光軸水平方位調節(jié)螺釘 27平行光管光軸俯仰角凋節(jié)螺釘 28一狹縫寬度調節(jié)手輪1JY型分光計 分光計又稱為光學測角儀，主要由底座、阿貝式自準直望遠鏡、平行光管、載物平臺

5、、度盤和游標內盤組成的讀數裝置等五個部分組成(圖4。32)。 分光計底座堅實平穩(wěn)，中央為旋轉中心軸。望遠鏡和讀數盤可繞中心軸旋轉。（1）平行光管3)。調節(jié)平行光管光軸水平方位調節(jié)螺釘26和平行光管光軸俯仰角調節(jié)螺釘27可以調節(jié)平行光管光軸的水平度和方位。3 平行光管示意圖（2）望遠鏡用來觀察平行光及確定它的方位2中望遠鏡光軸俯仰角調節(jié)螺釘12和望遠鏡光軸水平調節(jié)螺釘13，可以調節(jié)望遠鏡光軸的水平度和方位。望遠鏡目鏡可以在目鏡套筒B內滑動，刻有準線的分劃板則固定在B筒內，轉動圖4.3 2中的目鏡視度調節(jié)手輪11可以改變目鏡和分劃板的相對位置。分劃板下邊粘了一塊452中的鎖緊螺釘9，B筒(連同目鏡

6、、分劃板)可以在A筒內前后移動，當分劃板被調到物鏡的焦平面上時，從透光十字窗出射的光線通過物鏡將成為平行光。若在望遠鏡前置一平面反射鏡，且使鏡面與望遠鏡光軸垂直，則經鏡面反射的平行光將再次通過物鏡并在物鏡的焦平面上成像(自準直)，此時在目鏡視場中可以看到反射光在分劃板上部準線交叉點上，形成的清晰的綠色亮十字像。(為什么?)4 自準直望遠鏡示意圖（3） 載物臺載物臺5是放置待測光學元件的圓型平臺，擰緊鎖緊螺釘7，載物臺可以和游標內盤一起繞中心軸轉動，松開螺釘則可單獨旋轉和升降。載物臺的小平臺下面有三個調平螺釘，用來調節(jié)平臺的高度和傾斜度。（4）讀數裝置讀數裝置由主刻度盤21和游標內盤22組成。主

7、刻度盤分為360(30)。為了消除主刻度盤刻度中心與游標內盤中心不重合產生的偏心差，游標內盤上相隔180對稱設置了兩個游標(見附錄1)，測量光線角位置時應同時記下左右兩個游標的讀數。游標上有30格，最小讀數為l過一點，游標上的第18條刻線與主刻度盤上的某條刻線對得最準，則角度數值為16048。測量前可以先松開望遠鏡轉座和度盤問的鎖緊螺釘17，將度盤的零度置于望遠鏡下以避免由于游標過零度引起的讀數不便(附錄2)。但測量時必須擰緊螺釘，使度盤和望遠鏡一起轉動。擰緊望遠鏡止動螺釘16后可以使用望遠鏡方位角微調螺釘15微調望遠鏡。2鈉光燈一種實驗室常用的，利用鈉蒸汽弧光放電發(fā)光的單色光源，發(fā)射波長58

8、9.0nm和589.6nm兩種單色黃光。由于波長十分接近，一般儀器難以將兩條譜線分開，所以通常以其平均值589.3nm作為納光燈黃光的波長。實驗程序 為了獲得精確的測量結果，應該使分光計的光學系統(tǒng)適合平行光，使分光計的讀數平面、觀察平面(望遠鏡光軸在垂直中心軸的條件下繞中心軸旋轉形成的平面)和待測光路平面(由待測光學元件上的入射、反射、折射或衍射光線形成的平面)相互平行(為什么?)。為此，必須首先調節(jié)好分光計，達到平行光管發(fā)射平行光，望遠鏡適合接收平行光(望遠鏡對無窮遠聚焦)，望遠鏡和平行光管光軸垂直于旋轉中心軸。載物臺平面垂直于分光計的旋轉中心軸。 1)目鏡調焦2中的目鏡視度調節(jié)手輪11，調

9、節(jié)目鏡與分劃板間的相對位置，直至在目鏡視場中能看到清晰的準線。調好后一般情況下不要再動調節(jié)手輪。 2)調節(jié)望遠鏡適合接收平行光(望遠鏡對無窮遠聚焦) (1)目測粗調。通過調節(jié)望遠鏡的光軸俯仰角調節(jié)螺釘以及載物臺調平螺釘粗調望遠鏡和載物臺，目測達到望遠鏡的光軸基本水平并指向旋轉中心軸，載物臺平面大致水平。粗調很重要，粗調完成得不好，細調會很困難。粗調完成得好，放上平面鏡打開望遠鏡的照明光源，就可以觀察到十字窗口的綠色反射像。4)，以調節(jié)分劃板與物鏡的相對位置(注意不要碰動目鏡視度調節(jié)手輪)，直至將分劃板調到物鏡焦平面上，從目鏡中觀察分劃板準線和綠色亮十字都非常清晰且無視差，則望遠鏡已對無窮遠聚焦

10、，只有發(fā)射平行光的物體才能在分劃板平面上產生最清晰的像。 無視差是指當觀察者眼睛左右移動時，準線和綠色亮十字之間沒有相對位移，即測量準線和被測目標處于同一平面，這是使用助視光學儀器進行測量時應達到的調節(jié)要求。這里可以通過仔細移動望遠鏡目鏡套筒和轉動目鏡視度調節(jié)手輪實現(xiàn)。調節(jié)完成后應擰緊鎖緊螺釘。 3)調節(jié)望遠鏡光軸垂直旋轉中心軸5a所示，如果望遠鏡光軸垂直反射鏡平面但不垂直旋轉中心軸，那么反射鏡隨游標盤旋轉1805 b)，綠色十字反射像才始終在正確的位置。因此可以用旋轉180各半調節(jié)逐次逼進法調節(jié)望遠鏡光軸垂直旋轉中心軸。 圖5 調節(jié)望遠鏡光軸垂直旋轉中心軸6所示放置反射鏡，使之位于載物臺的3

11、個調平螺釘a、b 、c構成的等邊三角形的2中游標盤鎖緊螺釘25，擰緊載物臺鎖緊螺釘7，讓載物臺與游標內盤起轉動。7 a7 b)，再調望遠鏡俯仰角調節(jié)螺釘減少剩下的7 c)。然后將游標內盤(連同載物臺、反射鏡)旋轉180讓望遠鏡對準另一反射面B，調節(jié)望遠鏡俯仰角調節(jié)螺釘使十字像與準線的偏離減少一半，再調載物臺下該反射面前面的螺釘a，使亮十字與準線上面的交叉點重合。重復上述過程，直至望遠鏡對準任一個反射面，亮十字都和準線上面的交叉點重合為止。調節(jié)完成后注意松開載物臺與游標內盤間的鎖緊螺釘7，使載物臺可以單獨旋轉升降。同時必須擰緊鎖緊螺釘25固定游標內盤。望遠鏡光軸垂直旋轉中心軸的調節(jié)一經完成，就不

12、允許再動望遠鏡俯仰角調節(jié)螺釘。圖6 反射鏡位置圖7 各半調節(jié)法示意圖 (3)以上步驟中不需調節(jié)調平螺釘b (為什么?)，所以載物臺不一定平。要調平載物臺應將反射鏡轉一個角度，使鏡面垂直ba 或bc 連線，望遠鏡對準反射鏡，如果綠色十字像沒有與準線上方的交叉點重合，可單獨調節(jié)螺釘b使之重合。調平載物臺后應關閉望遠鏡照明燈。2中的狹縫鎖緊螺釘2，前后移動狹縫裝置，直至望遠鏡視場中呈現(xiàn)十分清晰的狹縫像且與準線無視差，平行光管發(fā)出的即是平行光。因為只有當平行光管發(fā)射平行光時，從已調到適合接收平行光的望遠鏡視場中才能看到清晰的狹縫像。進一步調節(jié)平行光管俯仰角，使豎直狹縫中心與準線中部交叉點重合，而且將狹

13、縫轉過90其中心仍然能與交叉點重合。測量時狹縫應處于豎直位置。至此，分光計調節(jié)完畢。 此時，除了因更換待測器件（如平面鏡，三棱鏡，光柵等）需微調載物臺調平螺釘以外，不能再調節(jié)望遠鏡及平行光管，否則又需重新調整。2.測三棱鏡的頂角A（選做）（1）三棱鏡的調整8所示位置放在載物臺平面上，使三個調平螺釘每兩個連線與三棱鏡的鏡面正交。開電源，小燈照亮叉絲。轉動載物臺使AC面正對望遠鏡時，調節(jié)a。使AC面與望遠鏡光鈾垂直；然后調節(jié)b ，使AB面正對望遠鏡，與望遠鏡光軸相垂直。直至由兩個側面(AB和AC)反射回來的綠色亮十字自準像均與上十字叉絲重合。 【注意】三棱鏡的調整僅是調節(jié)載物臺的調平螺釘，使透光面

14、與望遠鏡光軸垂直，不能調節(jié)望遠鏡與平行光管。 (2)自準法測棱鏡的頂角 將BC毛玻璃面對著平行光管，轉動望遠鏡。當AB面對準望遠鏡，且反射回來的綠色亮十字與上十字叉絲重合時，記下兩個游標的讀數1，1。然后再轉動望遠鏡(此時鎖緊游標盤止動螺釘25 )，使游標盤不能動而刻度盤與望遠鏡一齊連動，望遠鏡止動螺釘(16)不能鎖緊)，使AC面反射回來的綠色亮十字與上十字叉絲重合，記下9所示。兩次讀數之差即為棱鏡頂角A補角：8）則三棱鏡頂角A為 A=180 按以上步驟重復三次，并計算出平均值。 圖8 圖9（3）反射法 讓三棱鏡的頂角A對準平行光管，頂角A并放置在載物臺中心。入射平行光被兩個折射面反射，轉動望

15、遠鏡分別對準兩個折射面的反射像1、2并記錄對應的左右游標讀數1，1和2，2，則9） 折射率是反映物質光學性質的重要光學參量，用分光計測量液體和固體的折射率可以采用折射極限法(掠入射法)、位移法、最小偏向角法等。實際測量常用專用儀器，如阿貝折射計。折射率是光波波長的函數，所以測量時應使用單色光源。10所示。轉動望遠鏡，使視場中看到狹縫經棱鏡二次折射后出射的狹縫像。狹縫入射至棱鏡的入射方向與狹縫經棱鏡折射后出射的方向的夾角稱為偏向角。若沿某方向緩緩轉動載物臺，在望遠鏡中可觀察到狹縫像的移動情況，找出使偏向角減少的載物臺轉動方向，并依此方向繼續(xù)緩慢轉動載物臺，直到偏向角不再減小卻反而增大，從而找出偏

16、向角減至最小的位置，便是相應光波的最小偏向角min的位置。轉動望遠鏡使其豎叉絲與最小偏向角時的狹縫二次折射像重合，再度輕轉載物臺確認望遠鏡豎叉絲已對準最小偏向角位置后，記下兩游標讀數。移去三棱鏡，轉動望遠鏡使其對準平行光管，在豎叉絲對準狹縫像中央時記下讀數則最小偏向角為圖10（2）重復上述步驟，測量五次。參考下表記錄數據。次數角度12345左右左0右0min最小偏向角數據處理和結果分析*(1)計算棱角A及其不確定度。(2)計算玻璃三棱鏡對鈉黃光的折射率n及其不確定度，給出結果表述。棱角A及其不確定度可取實際測量的數值或實驗室給出的數值。注意事項（1）分光計是比較精密的光學儀器，要按照說明調節(jié)、

17、使用，以免損壞儀器。（2）不要用手觸摸棱鏡、反射鏡等光學元件的光學表面，拿取棱鏡時只能拿上下毛面或棱邊。取放要特別小心，避免摔碰。（3）由于分光計的調節(jié)螺釘很多，所以進行調整之前，應先弄清楚各螺釘的作用和位置。使用時要輕旋緩動。制動或鎖緊螺釘擰緊后，該部件即被緊固，不能強行轉動，以免損傷儀器。拓展設計還能設計一種測三棱鏡折射率的方法嗎?參考文獻(1)母國光，戰(zhàn)元齡光學北京：人民教育出版社，1978(2)章志鳴等光學北京：高等教育出版社，1995附錄1 偏心差的消除分光計讀數系統(tǒng)有兩根轉軸：游標盤的轉軸和主刻度盤的轉軸。假如這兩根軸不重合，將使讀數引進偏心差。消除偏心差的方法是在游標盤的某一直徑的兩端開兩個讀數窗口，兩個窗口的讀數取平均值就可以