大學(xué)物理實(shí)驗-分光計的調(diào)整和三棱鏡折射率的測定

1、高校物理試驗 - 分光計的調(diào)整和 三棱鏡折射率的測定試驗二十 分光計的調(diào)整和三棱鏡折射率的測定【試驗?zāi)康摹?明白分光計的結(jié)構(gòu) , 把握調(diào)劑和使用 分光計的方法；2明白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；【試驗器材】分光計、鈉燈、三棱鏡、雙面平面鏡；【試驗原理】分光計是一種常用的光學(xué)儀器, 實(shí)際上 就是一種精密的測角儀,在幾何光學(xué)試驗 中,主要用來測定棱鏡角、 光束的偏向角等,而在物理光學(xué)試驗中, 加上分光元件（棱鏡、光柵）即可作為分光儀器, 用來觀看、 測量 光譜線的波長等；下面以同學(xué)型分光計（JJY 型）為例,說明它的結(jié)構(gòu)、工作原理 和調(diào)劑方法；一、分光計的結(jié)構(gòu)分光計

2、主要由底座、 望遠(yuǎn)鏡、平行光管、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- 載物臺調(diào)劑螺釘（3 只）7- 載物臺鎖緊螺釘 8- 望遠(yuǎn)鏡 9- 目鏡鎖緊螺釘 10- 分劃板 11- 目鏡調(diào)劑手輪 12- 望遠(yuǎn)鏡仰角調(diào)劑螺釘13- 望遠(yuǎn)鏡水平調(diào)劑螺釘 14- 望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺釘 15- 轉(zhuǎn)座與刻度盤制動螺釘 16- 望遠(yuǎn)鏡制動螺釘 17- 制動架（二） 18- 底座 19- 轉(zhuǎn)座 20- 刻度盤 21- 游標(biāo)盤 22- 游標(biāo)盤微調(diào)螺釘 23- 游標(biāo)盤制動螺釘 24- 平行光管水平調(diào)劑螺釘 25- 平行光管仰角調(diào)劑螺釘 26-

3、狹縫寬度調(diào)劑手輪載物平臺和刻度圓盤等幾部分組成,每部分均有特定的調(diào)劑螺釘,圖 5-11-1 為 JJY 型分光計的結(jié)構(gòu)外型圖；1分光計的底座要求平穩(wěn)而堅實(shí)；在底座的中心固定著中心軸, 望遠(yuǎn)鏡、刻度盤和游標(biāo)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匯聚透鏡, 另一端裝有狹縫的圓筒, 狹縫的寬度依據(jù)需要可在 0.02 2范疇內(nèi)調(diào)節(jié)；3望遠(yuǎn)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, 它是用來觀看圖 5-11-2 望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)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-

4、內(nèi)管 7- 小燈 1-鏡面反射像 2- 上 十字線 3- 十字窗目標(biāo)和確定光線的傳播方向； 望遠(yuǎn)鏡由目鏡 系統(tǒng)和物鏡組成, 為了調(diào)劑和測量, 物鏡和 目鏡之間仍裝有分劃板,它們分別置于內(nèi) 管、外管和中管內(nèi), 三個管彼此可以相對移 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 45 0全反射小 棱鏡,棱鏡與分劃板的粘貼部分涂成黑色,僅留一個綠色的小十字窗口, 照明小燈發(fā)出 0 的光線從小棱鏡的另始終角邊入射,從 45 反射面反射到分劃板上, 透光部分在分劃板 上便形成一個光明的十字窗；4分光計上掌握望遠(yuǎn)鏡和刻度盤轉(zhuǎn)動 的有三套結(jié)構(gòu),正確運(yùn)用它們對于測量很重 要,詳

5、細(xì)如下：（1）望遠(yuǎn)鏡制動和微動機(jī)構(gòu),圖 5-11-1 中的 16、14；（2）分光計游標(biāo)盤制動和微動掌握機(jī)構(gòu),圖 5-11-1 中的 23、22；（3）望遠(yuǎn)鏡和刻度盤的離合掌握機(jī)構(gòu),圖 5-11-1 中的 15；轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡或移動游標(biāo)位置時, 都要先 松開相應(yīng)的制動螺釘； 微調(diào)望遠(yuǎn)鏡及游標(biāo)位置時要先擰緊制動螺釘；要轉(zhuǎn)變刻度盤和望遠(yuǎn)鏡的相對位置時,應(yīng)先松開它們間的離合掌握螺釘, 調(diào)整后再 擰緊； 一般是將刻度盤的 0 0線置于望遠(yuǎn)鏡 下,可以防止在測角度時, 0 0線通過游標(biāo)引 起的運(yùn)算上的不便利；5載物平臺是一個用以放置平面鏡、棱鏡、光柵等光學(xué)元件的圓形平臺, 套在游圖 5-11-4 分光計的觀

6、測系統(tǒng)標(biāo)內(nèi)盤上,可以繞通過平臺中心的鉛直軸轉(zhuǎn) 動和升降； 當(dāng)平臺和游標(biāo)盤 （刻度內(nèi)盤） 一 起轉(zhuǎn)動時,掌握其轉(zhuǎn)動的方式與望遠(yuǎn)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,可以轉(zhuǎn)變平臺臺面與鉛直軸的傾斜 度；6望遠(yuǎn)鏡和載物平臺的相對方位可由刻 0 度盤上的讀數(shù)確定； 主刻度盤上有 0 0360 的圓刻度, 分度值為30 ；為了提高角度測量 精密度,在內(nèi)盤上相隔 180 0 設(shè)有兩個游標(biāo),29 游標(biāo)上有 30 個分格,它和主刻度盤上 個分格相當(dāng),因此分度值為 1 ；讀數(shù)方法與 游標(biāo)卡尺的游標(biāo)原理相同（該處稱為角游 標(biāo)）；記錄測量數(shù)據(jù)時,為了排除刻度盤的刻度中心和儀器轉(zhuǎn)動軸之間的偏心差,必

7、需 同時讀取兩個游標(biāo)的讀數(shù)； 安置游標(biāo)位置要 考慮詳細(xì)試驗情形, 主要留意讀數(shù)便利, 且 盡可能在測量中刻度盤 0 0 線不通過游標(biāo)；記錄與運(yùn)算角度時,左右游標(biāo)分別進(jìn) 行,防止混淆算錯角度；二、分光計的調(diào)劑 分光計是在平行光中觀看有關(guān)現(xiàn)象和 測量角度, 因此應(yīng)達(dá)到以下三個要求： 平行 光管發(fā)出平行光； 望遠(yuǎn)鏡能接受平行光； 望 遠(yuǎn)鏡、平行光管的光軸垂直儀器公共軸；用分光計進(jìn)行觀測時, 其觀測系統(tǒng)基本上應(yīng)由以下三個平面構(gòu)成,如圖 示；5-11-4 所讀值平面： 這是讀取數(shù)據(jù)的平面, 由主 刻度盤和游標(biāo)盤繞中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時形成的；對每一詳細(xì)的分光計,讀值平面都是固定 的,且和中心主軸垂直；觀看平面：

8、由望遠(yuǎn)鏡光軸繞儀器中心轉(zhuǎn) 軸旋轉(zhuǎn)時所形成的； 只有當(dāng)望遠(yuǎn)鏡光軸與轉(zhuǎn) 軸垂直時, 觀看面才是一個平面, 否就,將 形成一個以望遠(yuǎn)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(xué)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)劑載物平臺下方的三個調(diào)劑螺釘,可以將待測光路平面調(diào)劑到所需方位；按調(diào)劑要求,應(yīng)將此三個平面調(diào)劑成相互平行,否就,測得角度將與實(shí)際角度有些差異,即引入系統(tǒng)誤差；1調(diào)劑望遠(yuǎn)鏡和載物平臺（1）目鏡調(diào)焦 這是為了使眼睛通過目鏡能清晰地看 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(jìn),從 目鏡中觀看,直到分劃

9、板刻線清晰為止；（2）調(diào)劑望遠(yuǎn)鏡對平行光聚焦 實(shí)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)劑便利, 平面 境與載物臺下三個調(diào)劑 螺 釘 的 相 對 位 置 如 圖 5-11-5 所示；圖 5-11-5 載物臺上雙面鏡放置的俯視 2）粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸 與鏡面垂直 目測將望遠(yuǎn)鏡調(diào)成水平、 載物 臺水平,使鏡面大致與望遠(yuǎn)鏡垂直；固定望遠(yuǎn) 3）觀看與調(diào)劑鏡面反射像 鏡,轉(zhuǎn)動游標(biāo)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(yuǎn)鏡時,在目鏡 中應(yīng)看到一個綠色十字隨著鏡面轉(zhuǎn)動而動,這就是亮十字的反射像；假如像有些模糊,只要沿軸向移動目鏡筒, 直到

10、像清晰、 無視 差,再旋緊螺釘,此時望遠(yuǎn)鏡已聚焦平行光；（3）調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸與儀器主軸垂直 當(dāng)鏡面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直時, 它的反射 像應(yīng)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) 180 0 后,假如 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(dāng)然,此 時與鏡面垂直 的望遠(yuǎn)鏡光軸 也與儀器主軸 垂直；圖 5-11-6 載物臺傾角沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整原理在調(diào)整過程中顯現(xiàn)的某些現(xiàn)象是何原 因 ？ 調(diào) 整 什 么 ？ 應(yīng) 如 何 調(diào) 整,這是要分析 清晰的；例如,是 調(diào) 載 物 臺 ？仍 是 調(diào) 望 遠(yuǎn) 鏡 ？ 調(diào) 到 什 么

11、 程 度 ？ 下 面 簡 述之；1）載物臺 傾 角 沒 調(diào) 好 的 表現(xiàn)及調(diào)整 假 設(shè) 望 遠(yuǎn)圖 5-11-7 望遠(yuǎn)鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整原理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) 180 0 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；明顯,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(diǎn)距離的 一半,這一步要反復(fù)進(jìn)行,最終使鏡面 A 和 B 的像落在分劃板上同一高度；2）望遠(yuǎn)鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整 假設(shè)載物臺已調(diào)好, 但望遠(yuǎn)鏡光軸不垂 所示；在圖 a 直儀器主軸,如圖 5

12、-11-7 中,無論平面鏡 A 面仍是 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 在分劃板上十字線的下方； 明顯,調(diào)整方法 是只要調(diào)整望遠(yuǎn)鏡仰角調(diào)劑螺釘（12）,把 像調(diào)到上十字線上即可,如圖（c）；3）載物臺和望遠(yuǎn)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(diǎn)等高 （但像 點(diǎn)沒落在上十字線上） ,然后,調(diào)整望遠(yuǎn)鏡 仰角調(diào)劑螺釘 （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(shí)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

13、鏡, 關(guān)掉目鏡照 明光源,狹縫對準(zhǔn)照明光源, 使望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向 平行光管方向, 在目鏡中觀看狹縫的像, 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；再 將 狹 縫 轉(zhuǎn) 向 橫 向（ 水 平 ）, 調(diào) 節(jié) 螺 釘圖 5-11-8 平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸共線（25）,將狹縫的像調(diào)到中心橫線上,如圖 5-11-8 （a）所示；這說明平行光管光軸已 于望遠(yuǎn)鏡光軸共線,所以也垂直儀器主軸；螺釘（ 25）不能再動；最終,將狹縫調(diào)成豎直, 鎖緊螺釘（2）；如圖 5-11-8 （b）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 1i 角入射到 AB面上,經(jīng)棱鏡

14、兩次折射后,從 AC面折射 出來,出射角為 2i ；入射光和出射光的夾角 稱為偏向角； 當(dāng)棱鏡頂角 A肯定時,偏向角的大小隨入射角 1i 的變化而變化；而當(dāng) 1i = 2i 時, 為最?。ㄗC明可參閱光學(xué)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 min ；由圖 5-11-9 中可以看到,此時 i 1 A2,有min i 1 i 1 i 1 A2 2（5-11-1 ）得i1minA設(shè)棱鏡折射率為n,由折射定律得sini1nsini1nsinA2n sin i 1 sin min2 Asin A sin A2 2（5-11-2 ）由此可知,要求得棱鏡的折射率 n,必需測 出其頂角 A 和

15、最小偏向角 min ；【試驗內(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(xué)表面垂直望遠(yuǎn)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線所成三邊相互垂直,如圖 5-11-10 所示,這樣,調(diào)劑一個螺釘可以調(diào) 節(jié)棱鏡光學(xué)表面的傾斜度；圖 5-11-10 三棱鏡在載物臺上的正確方 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(yuǎn)鏡中觀 察從三棱鏡的兩個光學(xué)表面 AC和 AB反射回 來的十字像, 只調(diào)臺下三個螺釘, 使其反射 像都落到上十字線處,如圖 5-11-11 所

16、示；調(diào)劑時,切莫動螺釘（ 12）；留意：每個螺釘調(diào)劑的動作要輕, 并同 時觀看它對各側(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(biāo)作一適當(dāng)標(biāo)記, 分別稱左游標(biāo) 和右游標(biāo), 在記錄數(shù)據(jù)時, 且勿顛倒； 扭緊 刻度盤下螺釘（ 15）、（16）,望遠(yuǎn)鏡和刻度 盤固定不動；轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤,使棱鏡 AC面正 對望遠(yuǎn)鏡,如圖 5-11-11 所示；分別登記左、右游標(biāo)的讀數(shù) 1和 2；再轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤,再使 棱鏡 AB面正對望遠(yuǎn)鏡,再分別登記左、右 游標(biāo)的讀數(shù) 1和 2；同一游標(biāo)兩次讀數(shù)之差1 1 或 2 2,即是載物臺轉(zhuǎn)過的角度,所 以 1 1 2 2 2,而 是 A角的補(bǔ)角,即A反復(fù)測

17、量 3 次,數(shù)據(jù) 填入表 5-11-1 中；4測三棱鏡的 最小偏向角（1）使平行光 管狹縫對準(zhǔn)鈉光燈 光源；（2）松開望遠(yuǎn) 鏡制動螺釘 （16）和 游 標(biāo) 盤 制 動 螺 釘（23）,把載物臺及 圖 5-11-12 測量最小偏向角 望 遠(yuǎn) 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(yuǎn)鏡,找出棱鏡折射出的光線；（3）輕輕轉(zhuǎn)動載物臺 （轉(zhuǎn)變?nèi)肷浣?1i ）,望遠(yuǎn)鏡中將看到光線跟著移動；轉(zhuǎn)變 1i ,使 光線往 減小的方向移動（即向頂角 A 方向 移動）；望遠(yuǎn)鏡跟著光線移動,直到棱鏡繼 續(xù)轉(zhuǎn)動,而光線開頭反向移動 （即偏向角反 而變大）為止；這個反向移動的轉(zhuǎn)折位置

18、,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(yuǎn)鏡,使其分劃板上的中心豎線對準(zhǔn)譜線；（4）測量 登記此時兩游標(biāo)的讀數(shù) 1和 2；取下三 棱鏡（載物臺保持不動） ,轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn) 平行光管,即圖 5-11-12 中（2）的位置,以確定入射光的位置, 再登記兩游標(biāo)的讀數(shù)1和 2；此時該光線的最小偏向角為1 1 2 2min2反 復(fù) 進(jìn) 行 三 次 , 將 數(shù) 據(jù) 填 入 表 5-11-2 中；將 min 值和測得的棱鏡 A 角平均 值代入式（ 5-11-2 ）運(yùn)算n；并運(yùn)算出折射 率的不確定度；【數(shù)據(jù)表格及處理】試驗結(jié)果運(yùn)算（1）三棱鏡的頂角A600A / sinAsin10 38 490 60 / sin 300（）最小偏向角 min 38 49 01（）棱鏡玻璃的折射率 min22n1.5187（）不確定度的運(yùn)算求UA三棱鏡的頂角直接取A600,因此只A0.00013 rad