分光儀實驗研究性實驗報告

1、分光儀研究性實驗報告北京航空航天大學基礎物理實驗研究性報告實驗題目：分光儀的調整及三棱鏡頂角的測量實驗地點：實3-216Experimental topics: adjustment of the spectrometer and the measuring Prism corner指導老師：彭金鵬第一作者：第二作者：學院：班級： 1 / 6目錄內容摘要：2A summary content:2關鍵詞：2引言2一、實驗儀器：3分光儀介紹3二、實驗原理：41、分光儀的調整原理42、三棱鏡頂角的測量原理5三、主要步驟：51、分光儀的調整52、三棱鏡頂角的測量6四、數(shù)據(jù)記錄及處理：6五、討論71.誤

2、差分析7附：82.經(jīng)驗教訓83.教學建議9六、實驗感想9七、建議及改進10八、參考文獻10內容摘要：利用分光儀的調整原理以及三棱鏡頂角測量原理測量三棱鏡的頂角，在此過程中掌握分光儀的使用，學會用反射法測量三棱鏡頂角。并且對實驗數(shù)據(jù)進行分析，處理。最后總結實驗中的收獲與感想。A summary content: Using the principle of spectrometer adjusting measuring Prism and Prism measuring principle the top corners of the top corners, grasp the spectr

3、ometer used in this process, learn to use reflection method for measuring Prism corner. And the analysis and deal with the experimental data. Finally summarize the experimental harvests and thoughts.關鍵詞：分光儀、三棱鏡、頂角、上叉絲、鈉光燈引言：分光儀是分光測角儀的簡稱，它能精確地測量平行光線的偏轉角度。借助它并利用反射、折射、衍射等物理現(xiàn)象，可完成全偏轉角、晶體折射率，光波波長等物理量的測量，

4、其用途十分廣泛。一、實驗儀器： 分光儀，平面反射鏡，三棱鏡，鈉光燈及電源分光儀介紹1分光儀的結構分光儀外型如圖5.1-1所示，它主要由望遠鏡（自準直望遠鏡），平行光管，載物臺，游標刻度圓盤等幾部分組成。（1）分光儀底座中心處有一沿鉛直方向的轉軸，稱為分光儀的中心轉軸。在轉軸上套有游標刻度圓盤（包括度盤和游標盤），兩個盤可繞中心轉軸轉動。（2）自準直望遠鏡（3）平行光管（4）載物臺載物臺可繞儀器轉軸轉動，它是為放置棱鏡、光柵等被測光學元件而設置的，臺下有三個調節(jié)螺絲，可調節(jié)載物臺的傾斜度。松開 “游標盤止動螺絲”、鎖緊“載物臺鎖緊螺絲”，載物臺可以和游標盤一起繞分光儀游標盤的轉軸轉動。（5）游標

5、刻度圓盤游標刻度圓盤與分光儀的中心轉軸垂直（分光儀出廠時已調整好）。由于刻度圓盤的中心與中心轉軸的中心制作時不能完全重合，因此在讀數(shù)時會產(chǎn)生偏心差. 游標刻度圓盤由度盤和游標盤組成，度盤最小分度值為，游標盤最小分度值為，讀數(shù)方法與游標卡尺的讀數(shù)方法相同（度盤上的刻度值+游標上的刻度值）。如圖讀數(shù)為：。二、實驗原理：1、分光儀的調整原理若望遠鏡光軸垂直于平面反射鏡鏡面，且平面鏡鏡面平行于儀器主軸，則望遠鏡光軸必垂直于儀器主軸。此時若將載物臺繞儀器主軸轉180，使平面鏡另一面對準望遠鏡，望遠鏡光軸仍將垂直于平面鏡。若望遠鏡光軸開始時垂直平面鏡但不垂直主軸，即平面鏡鏡面不平行于主軸，則將平面鏡反轉1

6、80之后，望遠鏡光軸不再垂直于平面鏡鏡面。由光路成像原理可知，當望遠鏡光軸垂直于平面鏡鏡面的時候，反射像綠十字與上叉絲重合，若同時有平面鏡平行于儀器主軸，則望遠鏡反轉180后，仍然有望遠鏡與平面鏡垂直，綠十字依然與上叉絲重合，此時也必有望遠鏡光軸垂直于主軸。若平面鏡鏡面不平行于儀器主軸，則平面鏡反轉180后，綠十字與上叉絲將不再重合。2、三棱鏡頂角的測量原理反射法：旋轉載物臺至三棱鏡頂角A對準平行光管，使部分平行光由AB面反射；另一部分光由AC面反射（如圖1）。當望遠鏡在位置觀察到AB面反射的狹縫像，在為之觀察到AC面反射的狹縫像時，望遠鏡轉過了。由圖2可知A+i+i 又因為 A=i+i 故有

7、 A=/2 A A i i B C B C 圖2圖1 三、主要步驟：1、分光儀的調整 粗調。調節(jié)水平螺釘，使望遠鏡居于支架中央，并目測調節(jié)望遠鏡俯仰螺釘，使光軸大致與主軸垂直，調節(jié)載物平臺下方3個螺釘外伸部分等長，實在無平臺大致與主軸垂直。 調節(jié)望遠鏡。望遠鏡調焦于無窮遠處。然后調整望遠鏡與儀器主軸垂直。最后調整叉絲分劃板的縱絲與主軸平行。 平行光管的調整。先使平行光管產(chǎn)生平行光，然后調整平行光管光軸與儀器主軸垂直。2、三棱鏡頂角的測量 調整三棱鏡使望遠鏡分別對準AB面和AC面的時候，均有綠十字與上叉絲重合。 調節(jié)入射光線的方向，使之成為圖2中位置。并使望遠鏡對準光線和光線，記錄左右兩邊游標的

8、數(shù)據(jù)。 松開主刻度盤與望遠鏡的固緊螺釘單獨旋轉主刻度盤5060，重復測量5次。四、數(shù)據(jù)記錄及處理： 原始數(shù)據(jù)列表如下： 第一組8346323522434312345第二組1355515433355819550第三組190017003304127043第四組2705915045795131941第五組3253120535150283036 由公式=1/2得：51195612010119581201211954因為A=2，故有：AAAAA5A595860055959600659576001不確定度的計算： Ua(A)=0.03119 Ub (A)0.004811U(A)0.03156故完整的結果表

9、述為：AU(A) 60.020.03五、討論1.誤差分析計算角時，我們采用了=1/2，從而消除了分光儀一起偏心差帶來的系統(tǒng)誤差；加之，前面做分光儀的調整時已經(jīng)嚴格讓分光儀望遠鏡聚焦于無窮遠，望遠鏡光軸與一起主軸垂直及叉絲分劃板的縱絲與主軸平行，之后又讓平行光管光軸與一起主軸垂直等已經(jīng)讓儀器處于一種很精密的狀態(tài)下。最后，我們通過每次測量時改變初始值的辦法，消除了主刻度不均勻所造成的系統(tǒng)誤差。所以，分光儀正確調整后是一種非常精確的儀器，從而，我們最后算出的不確定度只有0.03，是一個相對很小的數(shù)值了。附：1)偏心差的消除在分光儀生產(chǎn)過程中，主刻度盤和游標盤不可能完全同心，讀數(shù)時不可避免的將產(chǎn)生偏差

10、，稱為偏心差，這是儀器本身的系統(tǒng)誤差。消除系統(tǒng)誤差的辦法是采用對徑讀數(shù)法。設開始時，左邊游標的讀數(shù)為1，右邊游標的讀數(shù)為1，當望遠鏡或載物平臺轉過某一角度后，左邊游標的讀數(shù)為2，右邊游標的讀數(shù)為2，可以由左邊的讀數(shù)得到其轉角 1 = 2 1，由右邊讀數(shù)得到 2 = 2 1 ，然后取其平均值： = 1/2（ 1 + 2 ）= 1/2 ( 2 1 ) + ( 2 1 ) 這就可以消除偏心差，得到準確的結果。2)減小主刻度盤刻度不均勻造成的系統(tǒng)誤差如果主刻度盤不均勻，測量時將產(chǎn)生一定的系統(tǒng)誤差。為了減少此誤差，需在刻度盤不同部位進行多次測量，然后取其平均值。測量方法：每次測量時應改變初始值，即開刻度

11、盤固緊螺釘，單獨旋轉 5060，測量次數(shù)不少于5次。2.經(jīng)驗教訓 必須做好分光儀的粗調，粗調是實驗的基礎或許有人會說，粗調很粗糙，怎么會是實驗的基礎呢。其實不然，光學儀器比較精密，調節(jié)范圍小，粗調做不好的話，會使實驗無法進行下去。分光儀粗調時要使望遠鏡和載物臺大體水平，且螺釘要有上下調整的足夠余量。實驗預習時要把各部分的功能搞明白例如，調節(jié)綠十字和叉絲無視差時，必須明白目鏡筒手輪A是哪個部位，功能是什么；載物臺下方的螺釘a,b或c是什么，作用為何；望遠鏡下方的俯仰螺釘怎么調等等。如果在做實驗前將這些都弄明白了，那實驗就會進行的很順利。注意使用半調法實驗中，我注意到有的同學做的很慢，正面的綠十字

12、調好之后，反面的總合不到一起，看他操作，原來是綠十字的調節(jié)是沒有使用半調法。在望遠鏡聚焦于無窮遠的基礎上我們觀察綠十字一般會發(fā)現(xiàn)它是偏離上叉絲的，調節(jié)螺釘b或c，使綠十字向上叉絲移近1/2的偏離距離，再調節(jié)望遠鏡俯仰螺釘，是綠十字與上叉絲重合，這時望遠鏡光軸與平面鏡鏡面垂直。將平面鏡翻轉180，重復調節(jié)螺釘b或c，并調節(jié)望遠鏡俯仰螺釘，使綠十字每次消除1/2的偏離量，直至綠十字始終都落在上叉絲中心為止，此為半調法。實驗時一定得注意半調法的使用，這是順利調節(jié)的正確方法。3.教學建議老師在講解時可不可以親身操作一臺儀器，這樣的話會讓同學們深入了解實驗儀器及原理，對于實驗操作更熟悉，讓實驗進行得更順

13、利。分光儀實驗室在做實驗時可不可以把PPT的投影儀給關了，因為PPT的亮度太亮，會影響到綠十字和上叉絲重合的調節(jié)。六、實驗感想分光儀是一種能夠精確測量角度的儀器，如平行光線的偏轉角度、借助于平行光線來測量光學元件的角度。本次試驗中，我們選擇了其中的利用平行光線測量三角形光學元件的一個頂角的實驗，我們認為，此為本次實驗組的基礎型試驗。通過實驗，我有以下感受：試驗中分光儀的調整是實驗的關鍵，也是試驗能夠成功的一個底線，只有把分光儀的光軸于載物臺的軸線調到垂直，接下來的實驗才能順利進行。在我看來，調節(jié)重要的是認真和耐心，而這正是科學研究，特別是精細形工作的必要條件。學會了分光儀的使用，明白了個中道理

14、。這個實驗我做了一次，由于當時是以按時完工為目的，所以草草的就做完了，后來一想感覺無法理順，后來又跟著同學旁聽了一次，才弄清個中道理。我也幫助了一些第一次做的同學，通過和他們的討論，能夠給出一些有利的見解開闊了思路，在此之前，對角度的測量僅只有使用量角器測量等數(shù)學方面的思想，通過實驗，明白了平行光線測量頂角的原理，認識到平行光的實際用途，并且發(fā)現(xiàn)平行光測量的方法的精確度很高，正好應和了科學人要求嚴謹?shù)淖黠L，同時，也讓我開闊了思路，轉向于將各個學科之間加以聯(lián)系，不拘泥于一點，多用不同的方法，以至于跨學科來思考問題。七、建議及改進此設想基于學生研究性的實驗。本人在兩次實驗中，都發(fā)現(xiàn)在觀察平行光的反射光時，望遠鏡中的像都有些模糊，即使分光儀調整的很好，也會遇到此情況。作者認為，這和儀器自身有關。待測三角棱鏡的頂角在某種程度上都有或多或少的損壞，平行光在照射棱鏡時，是以一束光的形式進行反射的，在平面上的反射光繼續(xù)以原形式傳播，而在頂角損壞處的反射光則會偏離既定方向，最終在鏡筒中呈現(xiàn)出模糊的光像，頂角損壞的越嚴重，光就越模糊，實驗的偏差就會越大。改進方案：在平行光管的物鏡前面（靠近望遠鏡的一側）加一塊雙縫（大小可調）的遮光片，與平行光管自身的可調狹縫