分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用

1、分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解分光汁的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)正確調(diào)節(jié)和使用分光計(jì)的方法。2. 用分光計(jì)測(cè)定三棱鏡的頂角。二. 實(shí)驗(yàn)儀器分光計(jì)、平面反射鏡、三棱鏡、汞燈等。三.實(shí)驗(yàn)原理分光計(jì)是一種能精確測(cè)量角度的光學(xué)儀器。用它可以測(cè)定光線偏轉(zhuǎn)角度，如反射角、折射角、衍射角等等，而不少光學(xué)量（如光波波長(zhǎng)、折射率、光柵常數(shù)等）可通過測(cè)量相關(guān)角度來確定。了解分光計(jì)的結(jié)構(gòu)，正確調(diào)節(jié)分光計(jì)，對(duì)減小測(cè)量誤差、提高測(cè)量精度是十分重要的。1. 分光計(jì)的結(jié)構(gòu)分光計(jì)主要由平行光管、望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)和讀數(shù)裝置四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖（3-8-1）所示。平行光管用來發(fā)射平行光，望遠(yuǎn)鏡用來接收平行光，載物臺(tái)用來放置三棱鏡、平

2、面鏡、光柵等物體，讀數(shù)裝置用來測(cè)量角度。分光計(jì)上有許多調(diào)節(jié)螺絲，它們的代號(hào)、名稱和功能見下表:代號(hào)名稱功能1平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)平行光管光軸的水平方位（水平面上方位調(diào)節(jié)）2平行光管光軸高低調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)平行光管光軸的傾斜度（鉛直面上方位調(diào)節(jié)）3狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪調(diào)節(jié)狹縫寬度（0.022.00mm）4狹縫裝置固定螺絲松開時(shí)，調(diào)平行光；調(diào)好后鎖緊，以固定狹縫裝置5載物臺(tái)調(diào)平螺絲（3只）臺(tái)面水平調(diào)節(jié)（本實(shí)驗(yàn)中，用來調(diào)平面鏡和三棱鏡折射面平行于中心軸。）6載物臺(tái)固定螺絲松開時(shí)，載物臺(tái)可單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)、升降，鎖緊后，使載物臺(tái)與游標(biāo)盤固聯(lián)7叉絲套筒固定螺絲松開時(shí)，叉絲套筒可自由伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)（物鏡調(diào)焦）；調(diào)好后

3、鎖緊，以固定叉絲套筒8目鏡調(diào)焦輪目鏡調(diào)焦用（調(diào)節(jié)8，可使視場(chǎng)中叉絲清晰）9望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸的傾斜度（鉛直面上方位調(diào)節(jié)）10望遠(yuǎn)鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺絲（在圖后側(cè)）調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸的水平方位（水平面上方位調(diào)節(jié)）11望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲（在圖后側(cè)）在鎖緊13后，調(diào)11可使望遠(yuǎn)鏡繞中心軸微動(dòng)12刻度盤與望遠(yuǎn)鏡固聯(lián)螺絲松開l2，兩者可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；鎖緊12，兩者固聯(lián)，才能一起轉(zhuǎn)動(dòng)13望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺絲（在圖后側(cè)）松開13，可用手大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡；鎖緊13，微調(diào)螺絲11才起作用14游標(biāo)盤微調(diào)螺絲鎖緊l5后，調(diào)l4可使游標(biāo)盤作小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)15游標(biāo)盤止動(dòng)螺絲松開15，游標(biāo)盤能單獨(dú)作大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)；鎖緊15，微調(diào)螺絲

4、14才起作用分光計(jì)的讀數(shù)裝置由刻度盤和游標(biāo)盤兩部分組成?？潭缺P分為360°，最小分度為半度（30´），半度以下的角度可借助游標(biāo)準(zhǔn)確讀出。游標(biāo)等分為30格，游標(biāo)的這30小格正好跟刻度盤上的29小格對(duì)齊，因此知道游標(biāo)上1小格為29´，游標(biāo)上1小格與刻度盤上1小格兩者之差為1´，即分光計(jì)最小分度為1´。由此可知游標(biāo)上n小格與刻度盤上n小格相差n´。角游標(biāo)的讀法與直游標(biāo)（如游標(biāo)卡尺）相似，以游標(biāo)零線為基準(zhǔn)，先讀出大數(shù)（大于30´的部分），再利用游標(biāo)讀出小數(shù)（小于30´的部分），大數(shù)跟小數(shù)之和即為測(cè)量結(jié)果?，F(xiàn)舉二例見圖3-8

5、-2。在生產(chǎn)分光計(jì)時(shí)，難以做到使望遠(yuǎn)鏡、刻度盤的旋轉(zhuǎn)軸線與分光計(jì)中心軸完全重合。為消除刻度盤與分光計(jì)中心軸偏心而引起的誤差，在游標(biāo)盤同一條直徑的兩端各裝一個(gè)讀數(shù)游標(biāo)。測(cè)量時(shí)兩個(gè)游標(biāo)都應(yīng)讀數(shù)，然后分別算出每個(gè)游標(biāo)兩次讀數(shù)之差，取其平均值作為測(cè)量結(jié)果。用雙游標(biāo)消除偏心誤差的原理詳見附注。2. 分光計(jì)的調(diào)節(jié)概括地說，分光計(jì)的調(diào)整要求是：使平行光管出射平行光；望遠(yuǎn)鏡適合于接收平行光；平行光管和望遠(yuǎn)鏡的光軸等高并與分光計(jì)中心軸垂直。在正式調(diào)整前，先目測(cè)粗調(diào)：使望遠(yuǎn)鏡和平行光管對(duì)準(zhǔn)；將載物臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡和平行光管大致調(diào)水平，使它們大致垂至于分光計(jì)中心軸。這一步很重要，只有做好粗調(diào)，才能按下列步驟進(jìn)一步細(xì)調(diào)（否

6、則細(xì)調(diào)難以進(jìn)行）：調(diào)整望遠(yuǎn)鏡使其達(dá)到下面兩條要求（望遠(yuǎn)鏡是由物鏡鏡筒、叉絲套筒和目鏡鏡筒三部分組成。叉絲到目鏡和物鏡的距離皆可調(diào)節(jié)。常用的阿貝目鏡式望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和視場(chǎng)如圖3-8-3所示）：用自準(zhǔn)法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡，使之適合于接收平行光：點(diǎn)亮望遠(yuǎn)鏡側(cè)窗的照明燈將叉絲照亮，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)目鏡使叉絲位于目鏡焦平面上，此時(shí)叉絲看得很清楚。再按圖3-8-4所示位置，將平面反射鏡置于載物臺(tái)上（鏡面朝望遠(yuǎn)鏡）。然后緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，同時(shí)調(diào)節(jié)叉絲套筒（改變叉絲與物鏡間距），從望遠(yuǎn)鏡中找到由平面鏡反射回來的模糊光斑（如果找不到，則粗調(diào)沒有達(dá)到要求，應(yīng)重調(diào)）。找到光斑后進(jìn)一步細(xì)調(diào)叉絲套筒，光斑逐漸變變成清晰的綠色小亮“十”字（

7、它是叉絲平面上小黑十字的反射像，為綠色小亮十字）。當(dāng)叉絲位于物鏡焦平面上時(shí)，叉絲發(fā)出的光經(jīng)過物鏡后成為平行光，平行光經(jīng)平面鏡反射再次通過物鏡后仍成像于叉絲平面。此時(shí)，從目鏡中可同時(shí)看清叉絲與綠色小亮“十”字，且兩者無視差。至此，叉絲既落在目鏡焦平面上又落在物鏡焦平面上，望遠(yuǎn)鏡已適合于接收平行光。各鏡筒間的相對(duì)位置就不應(yīng)改變了。要補(bǔ)充說明的是，叉絲套筒在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)做適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使豎直叉絲平行于分光計(jì)中心軸（怎樣鑒別是否已達(dá)到了這一要求？）。使望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)中心軸： 望遠(yuǎn)鏡調(diào)好焦后，從目鏡中能同時(shí)看清叉絲和綠色小亮“十”字，且兩者無視差。但綠色小亮“十”字一般不處于小黑十字的對(duì)稱位置（aa

8、線）上。其原因可能是望遠(yuǎn)鏡光軸未垂直中心軸，也可能是平面鏡鏡面與中心軸不平行，或者兩者兼有。為使望遠(yuǎn)鏡光軸垂直中心軸，調(diào)整方法如下：首先檢查平面鏡正反兩面分別正對(duì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，視場(chǎng)中是否都能找到綠色小亮“十”字（如果找不到或只找到一個(gè)，說明粗調(diào)不合格，應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整）。然后用螺絲9調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸傾斜度，使綠色小亮“十”字到aa線的距離減小一半，再調(diào)載物臺(tái)螺絲G1（或G3）使兩者重合。把載物臺(tái)轉(zhuǎn)l80°，使平面鏡的反面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，再次用“各半調(diào)節(jié)法”同樣調(diào)節(jié)。如此反復(fù)調(diào)節(jié)，直到平面鏡任一面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，視場(chǎng)中的綠色小亮“十”字都落在調(diào)整叉絲aa上時(shí)為止。此時(shí)，望遠(yuǎn)鏡光軸就與中心軸垂直了。調(diào)節(jié)

9、過程中，不必刻板地運(yùn)用“各半調(diào)節(jié)法”。若發(fā)現(xiàn)正反兩面的反射像縱向位移較大，說明平面鏡鏡面與中心軸明顯不平行，就應(yīng)側(cè)重調(diào)節(jié)螺絲G1或G3。如果縱向位移不大，但反射像都遠(yuǎn)離aa線，這表明望遠(yuǎn)鏡光軸與中心軸明顯不垂直，就該側(cè)重調(diào)節(jié)螺絲9了。（2）調(diào)整平行光管。調(diào)整平行光管使之出射平行光：平行光管是由兩個(gè)可以相對(duì)滑動(dòng)的套簡(jiǎn)組成的，外筒上裝有一組消色差透鏡，內(nèi)筒外端裝有一個(gè)寬度可調(diào)的狹縫。調(diào)節(jié)時(shí)先取下載物臺(tái)上的平面鏡，點(diǎn)亮汞燈使之正照狹縫。然后一邊調(diào)節(jié)平行光管上狹縫和透鏡的間距，一邊用調(diào)好焦的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)平行光管觀察。當(dāng)狹縫正好調(diào)到透鏡焦平面上時(shí)，平行光管就出射平行光。由于望遠(yuǎn)鏡已適合于接收平行光，因此平

10、行光射入望遠(yuǎn)鏡后將在叉絲平面成像。這時(shí)從望遠(yuǎn)鏡中能看到清晰的與叉絲無視差的狹縫像。這就是說，我們是以調(diào)好焦的望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中，能否產(chǎn)生清晰的、無視差的狹縫像作為判據(jù)，來判別平行光管出射的光是否是平行的。使平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直：調(diào)節(jié)螺絲3使狹縫像寬約1mm多，再轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫使狹縫像平行于豎直叉絲，然后調(diào)節(jié)平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺絲1和高低調(diào)節(jié)螺絲2，把狹縫像精確調(diào)到視場(chǎng)中心且被十字叉絲所等分。至此，平行光管與望遠(yuǎn)鏡的光軸重合且與分光計(jì)中心軸垂直。四.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 調(diào)整分光計(jì)按分光計(jì)的調(diào)整要求和調(diào)節(jié)方法，正確調(diào)節(jié)分光計(jì)至正常工作狀態(tài)。2. 調(diào)節(jié)三棱鏡要使三棱鏡兩折射面與分光計(jì)中心軸平行（即與已調(diào)好

11、的望遠(yuǎn)鏡光軸垂直）。（1）將三棱鏡按圖3-8-5那樣平放在載物臺(tái)上。圖中ABC表示三棱鏡的橫截面，AB、AC、BC是三棱鏡的三個(gè)側(cè)面。其中，AB、AC兩個(gè)側(cè)面是透光的光學(xué)表面（稱為折射面）、側(cè)面BC是毛玻璃面（稱為底面）。三棱鏡兩折射面的夾角稱為頂角。放置三棱鏡時(shí)，頂角要靠近載物臺(tái)中央，折射面要與載物臺(tái)下調(diào)平螺絲的連線垂直。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，使三棱鏡的一個(gè)折射面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡。調(diào)節(jié)載物臺(tái)調(diào)平螺絲，使亮“十”字形反射像落在調(diào)整叉絲aa´上。轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)使另折射面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，再按上述方法重新調(diào)節(jié)。來回反復(fù)調(diào)節(jié)幾次，直到兩個(gè)折射面都垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸為止。注意：調(diào)節(jié)過程中只能調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的調(diào)平螺絲

12、，不能動(dòng)望遠(yuǎn)鏡下的方位調(diào)節(jié)螺絲。3. 用反射法測(cè)三棱鏡頂角轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，使三棱鏡頂角對(duì)準(zhǔn)平行光管，讓平行光管射出的光束照在三棱鏡兩個(gè)折射面上（見圖3-8-6）。將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至I處觀測(cè)反射光，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲（11），使望遠(yuǎn)鏡豎直叉絲對(duì)準(zhǔn)狹縫像中心線。再分別從兩個(gè)游標(biāo)（設(shè)左游標(biāo)為A，右游標(biāo)為B）讀出反射光的方位角、；然后將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至處觀測(cè)反射光，相同方法讀出反射光的方位角、。由圖3-8-6可以證明頂角為：要求測(cè)量3次以上，求平均值和不確定度，數(shù)據(jù)表格自擬。每次測(cè)量完后可以稍微變動(dòng)載物臺(tái)位置，再測(cè)下一次。五. 注意事項(xiàng)（1）三棱鏡要輕拿輕放，要注意保護(hù)光學(xué)表面，不要用手觸摸折射面。（2）用反射法測(cè)頂角時(shí)，三棱鏡頂角應(yīng)靠近載物臺(tái)中央放置（即離平行光管遠(yuǎn)一些）否則反射光不能進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡。（3）在計(jì)算望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)角時(shí)，要注意望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)過程中是否經(jīng)過刻度盤零點(diǎn)，如經(jīng)過零點(diǎn)，應(yīng)在相應(yīng)讀數(shù)加上360°（或減去360°）后再計(jì)算。六. 問題討論（1）在載物臺(tái)上放置三棱鏡時(shí)，為什么要使折射面垂直于載物臺(tái)調(diào)平螺絲的連線？（2）不用汞燈和平行光管，利用望遠(yuǎn)鏡自身產(chǎn)生的平行光來測(cè)三棱鏡頂角的方法稱為自準(zhǔn)法。試用自準(zhǔn)法測(cè)三棱鏡頂角，并說明測(cè)量原理和方法。（3）試?yán)脠D3-8-6，證明反射法測(cè)三棱鏡頂角的測(cè)量公式。七. 附注：雙游標(biāo)消除偏心誤差原理測(cè)量時(shí)，游標(biāo)盤、