分光計(jì)的調(diào)節(jié)和介質(zhì)折射率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、大連理工大學(xué)成 績(jī)教師簽字大 學(xué) 物 理 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告院（系） 專(zhuān)業(yè) 班級(jí) 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 周，星期 第 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)節(jié)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)節(jié)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)節(jié)止動(dòng)螺絲來(lái)控制與轉(zhuǎn)座共

2、同或相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。 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)節(jié)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)位于物鏡焦平面上的透光十字刻線(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)聚透鏡和狹縫。 當(dāng)狹縫位于透鏡主焦面上時(shí)便可產(chǎn)生平行光。載物臺(tái)載物臺(tái)

3、用于放置待測(cè)物件， 并可以通過(guò)緊固螺釘來(lái)調(diào)節(jié)其位置。 調(diào)節(jié)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?？潭缺P(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i， 出入射光線(xiàn)的偏向角為， 可知有

4、以下關(guān)系： ， 為棱鏡的頂角。 且可以證明， 當(dāng)i=i時(shí)， 偏向角達(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：可見(jiàn)只要測(cè)得棱鏡的頂角和最小偏向角， 便可以計(jì)算出棱鏡的折射率n。步驟與操作方法：1. 分光計(jì)的調(diào)節(jié)分光計(jì)的調(diào)節(jié)主要目的是使待測(cè)角平面與讀數(shù)盤(pán)平面相平行以保證測(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)節(jié)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)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

5、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。調(diào)節(jié)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)鏡中找到平面鏡另一面所反射的綠色十字像，采用漸近法調(diào)節(jié)使綠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)另一面反射的綠色十字像， 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。

6、之后望遠(yuǎn)鏡的高低調(diào)節(jié)螺釘不能再動(dòng)。4. 調(diào)節(jié)平行光管使其發(fā)出平行光移去中央載物臺(tái)上的平面鏡， 用白紙?jiān)谄叫泄夤艿奈镧R端檢查并調(diào)節(jié)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)節(jié)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)節(jié)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

7、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)節(jié)三棱鏡的主截面垂直于儀器轉(zhuǎn)軸目的是調(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， 則工作面AB，AC的法線(xiàn)俯仰分別由a1和a3兩個(gè)螺釘控制并且不會(huì)相互影響。 某一個(gè)反射面AB法線(xiàn)位置的調(diào)節(jié)就是通過(guò)調(diào)節(jié)其對(duì)應(yīng)的控制螺釘a1， 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， 并且十字像與分劃板中的上十字叉絲相重合， 說(shuō)明反射面該面的法線(xiàn)方向調(diào)節(jié)完畢。另一個(gè)反射面的調(diào)節(jié)方式亦如此（ACa2）。調(diào)節(jié)過(guò)程中與工作面無(wú)關(guān)的第

8、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)1和1， 在另一個(gè)位置也同樣讀出刻度盤(pán)的讀數(shù)2和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：以上測(cè)量過(guò)程重復(fù)進(jìn)行5次。3， 測(cè)最小偏向角將三棱鏡放置于載物臺(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)面射出。 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)肷涿嫦鄬?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

9、， 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I。 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1和1。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的位置II以后固定， 讀取刻度盤(pán)上望遠(yuǎn)鏡的角位置2和2。 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)之差為最小偏向角的兩倍。 則最小偏向角的計(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

10、向角， 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， 即可求得該三棱鏡的折射率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)反射面和透射面不可用手觸碰， 以免留下污漬而影響光學(xué)效果。數(shù)據(jù)記錄與處理：1, 測(cè)量頂角的數(shù)據(jù)123451238°37238°37238°28238°24238°24158°3858°2558°2158°2058°222118°41118°26118

11、°25118°49118°252298°39298°22298°22298°39298°23轉(zhuǎn)化為弧度制， 得到這樣的數(shù)據(jù)：1234514.1654.1654.1624.1614.16111.0231.0201.0181.0181.01922.0712.0672.0672.0742.06725.2125.2075.2075.2125.2082， 測(cè)量最小偏向角min123451229°39229°38229°40229°39229°38149°4849&#

12、176;3949°3949°4749°422127°58127°57127°57127°56127°572307°56307°54307°53307°54307°55轉(zhuǎn)化為弧度制， 得到這樣的數(shù)據(jù)：1234514.0084.0084.0084.0084.00810.8690.8670.8670.8690.86722.2332.2312.2332.2332.23325.3745.3745.3745.3745.374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，

13、 均為弧度制表示結(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：得到、 、 、 的各自平均值如下：4.1631.0202.0695.210下面根據(jù)各組數(shù)據(jù)， 分別計(jì)算、 、 、 的各自A類(lèi)不確定度：的A類(lèi)不確定度：xi-avg0.002 0.002 -0.001 -0.002 -0.002 20.000004156 0.000004156 0.000000336 0.000003058 0.000003058 SUM20.000014764 S0.001280791s'0.000405022t92.26U0.000915349的A類(lèi)不確定度：xi-avg0.004 0.00

14、0 -0.001 -0.002 -0.001 20.000013820 0.000000003 1.49263E-060.000002306 0.000000856 SUM20.000018477 S0.001432824s'0.000453099t92.26U0.001024003的A類(lèi)不確定度：xi-avg0.002 -0.002 -0.002 0.005 -0.002 20.000002703 0.000003740 4.97527E-060.000022570 0.000004975 SUM20.000038963 S0.002080685s'0.00065797t92

15、.26U0.001487013的A類(lèi)不確定度：xi-avg0.003 -0.002 -0.002 0.003 -0.002 20.000008455 0.000004127 4.12725E-060.000008455 0.000003071 SUM20.000028235 S0.001771213s'0.000560107t92.26U0.001265841總的A類(lèi)不確定度為：B類(lèi)不確定度：頂角的合成不確定度：頂角的測(cè)量結(jié)果表達(dá)式為： 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min：得到、 、 、 的各自平均值如下：4.0080.8682.2335.374下面根據(jù)各組數(shù)據(jù)，

16、 分別計(jì)算、 、 、 的各自A類(lèi)不確定度：的A類(lèi)不確定度：xi-avg0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 20.000000004 0.000000056 0.000000127 0.000000004 0.000000056 SUM20.000000246 S0.000165495s'5.2334E-05t92.26U0.000118275的A類(lèi)不確定度：xi-avg0.001 -0.001 -0.001 0.001 0.000 20.000002119 0.000001351 0.000001351 0.000001343 0.000000084 SUM20

17、.000006248 S0.000833205s'0.000263482t92.26U0.00059547的A類(lèi)不確定度：xi-avg0.001 -0.001 0.000 0.000 0.000 20.000000417 0.000001950 0.000000122 0.000000003 0.000000122 SUM20.000002613 S0.000538827s'0.000170392t92.26U0.000385086的A類(lèi)不確定度：xi-avg0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 20.000000216 0.000000012 0.000

18、000167 0.000000012 0.000000028 SUM20.000000435 S0.000219939s'6.95509E-05t92.26U0.000157185總的A類(lèi)不確定度為：B類(lèi)不確定度：最小偏向角的合成不確定度：最小偏向角的測(cè)量結(jié)果表達(dá)式為： rad計(jì)算棱鏡的折射率及其不確定度那么該棱鏡折射率的最終結(jié)果表達(dá)式為： 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)綠色像與上十字叉絲重合時(shí)， 說(shuō)明整個(gè)由綠色亮紋發(fā)出返回分劃板的光路也是上下中心對(duì)稱(chēng)的， 而根據(jù)平行光的特點(diǎn)及平面鏡反射定律， 結(jié)合光路圖可以看到， 要使此時(shí)的光路上下對(duì)稱(chēng)， 必須的條件就是望遠(yuǎn)鏡的光軸與平面鏡的法線(xiàn)相平行。 故