分光計(jì)的調(diào)整與使用

分光計(jì)的調(diào)整與使用實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1?測(cè)定棱鏡頂角、最小偏向角。2?測(cè)定棱鏡材料的折射率。教學(xué)要求了解分光計(jì)的結(jié)構(gòu)及各組成部件的作用。熟悉分光計(jì)的調(diào)整要求，掌握其調(diào)整技術(shù)。實(shí)驗(yàn)器材分光計(jì)，雙面鏡，鈉光燈，三棱鏡。光線在傳播過(guò)程中，遇到不同介質(zhì)的分界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射和折射，光線將改變傳播的方向，結(jié)果在入射光與反射光或折射光之間就存在一定的夾角。通過(guò)對(duì)某些角度的測(cè)量，可以測(cè)定折射率、光柵常數(shù)、光波波長(zhǎng)、色散率等許多物理量。因而精確測(cè)量這些角度，在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中顯得十分重要。?分光計(jì)是一種能精確測(cè)量上述要求角度的典型光學(xué)儀器，經(jīng)常用來(lái)測(cè)量材料的折射率、色散率、光波波長(zhǎng)和進(jìn)行光譜觀測(cè)等。由于該裝置比較精密，控制部件較多而且操作復(fù)雜，所以使用時(shí)必須嚴(yán)格按照一定的規(guī)則和程序進(jìn)行調(diào)整，方能獲得較高精度的測(cè)量結(jié)果。分光計(jì)的調(diào)整思想、方法與技巧，在光學(xué)儀器中有一定的代表性，學(xué)會(huì)對(duì)它的調(diào)節(jié)和使用方法，有助于掌握操作更為復(fù)雜的光學(xué)儀器。對(duì)于初次使用者來(lái)說(shuō)，往往會(huì)遇到一些困難。但只要在實(shí)驗(yàn)調(diào)整觀察中，弄清調(diào)整要求，注意觀察出現(xiàn)的現(xiàn)象，并努力運(yùn)用已有的理論知識(shí)去分析、指導(dǎo)操作，在反復(fù)練習(xí)之后才開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn)，一般也能掌握分光計(jì)的使用方法，并順利地完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。?實(shí)驗(yàn)原理三棱鏡如圖24-1所示，AB和AC是透光的光學(xué)表面，又稱折射面，其夾角稱為三棱鏡的頂角；BC為毛玻璃面，稱為三棱鏡的底面。A圖24-1三棱鏡示意圖

反射法測(cè)三棱鏡頂角a如圖24-2所示，一束平行光入射于三棱鏡，經(jīng)過(guò)AB面和AC面反射的光線分別沿T3和T方位射出，T和T方向的夾角記為0，由幾何學(xué)關(guān)系可知:4 3 401.a=-=-T-T2 24 31圖24-2反射法測(cè)頂角2?最小偏向角法測(cè)三棱鏡玻璃的折射率假設(shè)有一束單色平行光LD入射到棱鏡上，經(jīng)過(guò)兩次折射后沿ER方向射出，則入射光線LD與出射光線ER間的夾角5稱為偏向角，如圖24-3所示。圖24-3最小偏向角的測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡，改變?nèi)肷涔鈱?duì)光學(xué)面AC的入射角，出射光線的方向ER也隨之改變，即偏向角8發(fā)生變化。沿偏向角減小的方向繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)三棱鏡，使偏向角逐漸減小；當(dāng)轉(zhuǎn)到某個(gè)位置時(shí)，若再繼續(xù)沿此方向轉(zhuǎn)動(dòng)，偏向角又將逐漸增大，此位置時(shí)偏向角達(dá)到最小值，測(cè)出最小偏向角8 ?？梢宰C明棱鏡材料的折射率n與頂角a及最小偏向角min的關(guān)系式為sin—（8 +a）2minn=—.asm2實(shí)驗(yàn)中，利用分光鏡測(cè)出三棱鏡的頂角a及最小偏向角8 ，即可由上式算出棱鏡min材料的折射率n。操作步驟分光計(jì)的調(diào)整在進(jìn)行調(diào)整前，應(yīng)先熟悉所使用的分光計(jì)中下列螺絲的位置：目鏡調(diào)焦（看清分劃板準(zhǔn)線）手輪；②望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦（看清物體）調(diào)節(jié)手輪（或螺絲）；③調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡高低傾斜度的螺絲；④控制望遠(yuǎn)鏡（連同刻度盤(pán)）轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)螺絲；⑤調(diào)整載物臺(tái)水平狀態(tài)的螺絲；⑥控制載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)螺絲；⑦調(diào)整平行光管上狹縫寬度的螺絲；⑧調(diào)整平行光管高低傾斜度的螺絲；⑨平行光管調(diào)焦的狹縫套筒制動(dòng)螺絲。（1） 目測(cè)粗調(diào)。將望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)、平行光管用目測(cè)粗調(diào)成水平，并與中心軸垂直（粗調(diào)是后面進(jìn)行細(xì)調(diào)的前提和細(xì)調(diào)成功的保證）。（2） 用自準(zhǔn)法調(diào)整望遠(yuǎn)鏡，使其聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)。調(diào)節(jié)目鏡調(diào)焦手輪，直到能夠清楚地看到分劃板〃準(zhǔn)線〃為止。接上照明小燈電源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，可在目鏡視場(chǎng)中看到如圖24-4所示的“準(zhǔn)線”和帶有綠色小十字的窗口。圖24-4目鏡視場(chǎng)將平面鏡按圖24-5所示方位放置在載物臺(tái)上。這樣放置是出于這樣的考慮：若要調(diào)節(jié)平面鏡的俯仰，只需要調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的螺絲ai或a2即可，而螺絲a3的調(diào)節(jié)與平面鏡的俯仰無(wú)關(guān)。平面橙圖24-5平面鏡的放置沿望遠(yuǎn)鏡外側(cè)觀察可看到平面鏡內(nèi)有一亮十字，輕緩地轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，亮十字也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。但若用望遠(yuǎn)鏡對(duì)著平面鏡看，往往看不到此亮十字，這說(shuō)明從望遠(yuǎn)鏡射出的光沒(méi)有被平面鏡反射到望遠(yuǎn)鏡中。我們?nèi)詫⑼h(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)載物臺(tái)上的平面鏡，調(diào)節(jié)鏡面的俯仰，并轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)讓反射光返回望遠(yuǎn)鏡中，使由透明十字發(fā)出的光經(jīng)過(guò)物鏡后(此時(shí)從物鏡出來(lái)的光還不一定是平行光)，再經(jīng)平面鏡反射，由物鏡再次聚焦，于是在分劃板上形成模糊的像斑(注意：調(diào)節(jié)是否順利，以上步驟是關(guān)鍵)。然后先調(diào)物鏡與分劃板間的距離，再調(diào)分劃板與目鏡的距離使從目鏡中既能看清準(zhǔn)線，又能看清亮十字的反射像。注意使準(zhǔn)線與亮十字的反射像之間無(wú)視差，如有視差，則需反復(fù)調(diào)節(jié)，予以消除。如果沒(méi)有視差，說(shuō)明望遠(yuǎn)鏡已聚焦于無(wú)窮遠(yuǎn)。調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸，使之與分光計(jì)的中心軸垂直。平行光管與望遠(yuǎn)鏡的光軸各代表入射光和出射光的方向。為了測(cè)準(zhǔn)角度，必須分別使它們的光軸與刻度盤(pán)平行?？潭缺P(pán)在制造時(shí)已垂直于分光計(jì)的中心軸。因此，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡與分光計(jì)的中心軸垂直時(shí)，就達(dá)到了與刻度盤(pán)平行的要求。具體調(diào)整方法為：平面鏡仍豎直置于載物臺(tái)上，使望遠(yuǎn)鏡分別對(duì)準(zhǔn)平面鏡前后兩鏡面，利用自準(zhǔn)法可以分別觀察到兩個(gè)亮十字的反射像。如果望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計(jì)的中心軸相垂直，而且平面鏡反射面又與中心軸平行，則轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí)，從望遠(yuǎn)鏡中可以兩次觀察到由平面鏡前后兩個(gè)面反射回來(lái)的亮十字像與分劃板準(zhǔn)線的上部十字線完全重合，如圖24-6(c)所示。若望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心軸不垂直，平面鏡反射面也不與中心軸相平行，則轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí)，從望遠(yuǎn)鏡中觀察到的兩個(gè)亮十字反射像必然不會(huì)同時(shí)與分劃板準(zhǔn)線的上部十字線重合，而是一個(gè)偏低，一個(gè)偏高，甚至只能看到一個(gè)。這時(shí)需要認(rèn)真分析，確定調(diào)節(jié)措施，切不可盲目亂調(diào)。重要的是必須先粗調(diào)：即先從望遠(yuǎn)鏡外面目測(cè)，調(diào)節(jié)到從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)能觀察到兩個(gè)亮十字像；然后再細(xì)調(diào)：從望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中觀察，當(dāng)無(wú)論以平面鏡的哪一個(gè)反射面對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，均能觀察到亮十字時(shí)，如從望遠(yuǎn)鏡中看到準(zhǔn)線與亮十字像不重合，它們的交點(diǎn)在高低方面相差一段距離如圖24-6(a)所示。此時(shí)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡高低傾斜螺絲使差距減小為h/2，如圖24-6(b)所示。再調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的水平調(diào)節(jié)螺絲，消除另一半距離，使準(zhǔn)線的上部十字線與亮十字線重合，如圖24-6(c)所示。之后，再將載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)180。，使望遠(yuǎn)鏡對(duì)著平面鏡的另一面，采用同樣的方法調(diào)節(jié)。如此反復(fù)調(diào)整，直至轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí)，從平面鏡前后兩表面反射回來(lái)的亮十字像都能與分劃板準(zhǔn)線的上部十字線重合為止。這時(shí)望遠(yuǎn)鏡光軸和分光計(jì)的中心軸相垂直，常稱這種方法為逐次逼近各半調(diào)整法。圖24-6亮十字像與分劃板準(zhǔn)線的位置關(guān)系調(diào)整平行光管用前面已經(jīng)調(diào)整好的望遠(yuǎn)鏡調(diào)節(jié)平行光管。當(dāng)平行光管射出平行光時(shí)，則狹縫成像于望遠(yuǎn)鏡物鏡的焦平面上，在望遠(yuǎn)鏡中就能清楚地看到狹縫像，并與準(zhǔn)線無(wú)視差。調(diào)整平行光管產(chǎn)生平行光。取下載物臺(tái)上的平面鏡，關(guān)掉望遠(yuǎn)鏡中的照明小燈，用鈉燈照亮狹縫，從望遠(yuǎn)鏡中觀察來(lái)自平行光管的狹縫像，同時(shí)調(diào)節(jié)平行光管狹縫與透鏡間的距離，直至能在望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像為止，然后調(diào)節(jié)縫寬使望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中的縫寬約為1mm。調(diào)節(jié)平行光管的光軸與分光計(jì)中心軸相垂直。望遠(yuǎn)鏡中看到清晰的狹縫像后，轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫(但不能前后移動(dòng))至水平狀態(tài)，調(diào)節(jié)平行光管傾斜螺絲，使狹縫水平像被分劃板的中央十字線上、下平分，如圖24-7(a)所示。這時(shí)平行光管的光軸已與分光計(jì)中心軸相垂直。再把狹縫轉(zhuǎn)至鉛直位置，并需保持狹縫像最清晰而且無(wú)視差，位置如圖24-7(b)所示。圖24-7狹縫像與分劃板位置至此分光計(jì)已全部調(diào)整好，使用時(shí)必須注意分光計(jì)上除刻度圓盤(pán)制動(dòng)螺絲及其微調(diào)螺絲外，其它螺絲不能任意轉(zhuǎn)動(dòng)，否則將破壞分光計(jì)的工作條件，需要重新調(diào)節(jié)。測(cè)量在正式測(cè)量之前，請(qǐng)先弄清你所使用的分光計(jì)中下列各螺絲的位置：①控制望遠(yuǎn)鏡(連同刻度盤(pán))轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)螺絲；②控制望遠(yuǎn)鏡微動(dòng)的螺絲。

(1)用反射法測(cè)三棱鏡的頂角d??如圖24-2所示，使三棱鏡的頂角對(duì)準(zhǔn)平行光管，開(kāi)啟鈉光燈，使平行光照射在三棱鏡的AC、AB面上，旋緊游標(biāo)盤(pán)制動(dòng)螺絲，固定游標(biāo)盤(pán)位置，放松望遠(yuǎn)鏡制動(dòng)螺絲，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡(連同刻度盤(pán))尋找AB面反射的狹縫像，使分劃板上豎直線與狹縫像基本對(duì)準(zhǔn)后，旋緊望遠(yuǎn)鏡螺絲，用望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲使豎直線與狹縫完全重合，記下此時(shí)兩對(duì)稱游標(biāo)上指示的讀數(shù)T、T'。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡至AC面進(jìn)行同樣的測(cè)量得T、T'?？傻? 3 4 44 4三棱鏡的頂角d為1a=—20二4 4三棱鏡的頂角d為1a=—21-6+o'211重復(fù)測(cè)量三次取平均。(2)最小偏向角的測(cè)量??分別放松游標(biāo)盤(pán)和望遠(yuǎn)鏡的制動(dòng)螺絲，轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤(pán)(連同三棱鏡)使平行光射入三棱鏡的AC面，如圖24-3所示。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡在AB面處尋找平行光管中狹縫的像。然后向一個(gè)方向緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)游標(biāo)盤(pán)(連同三棱鏡)在望遠(yuǎn)鏡中觀察狹縫像的移動(dòng)情況，當(dāng)隨著游標(biāo)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)而向某個(gè)方向移動(dòng)的狹縫像，正要開(kāi)始向相反方向移動(dòng)時(shí)，固定游標(biāo)盤(pán)。輕準(zhǔn)，記下對(duì)稱的兩游標(biāo)指示的讀數(shù)，記為T)6T6'，可得1準(zhǔn)，記下對(duì)稱的兩游標(biāo)指示的讀數(shù)，記為T)6T6'，可得15 =min265重復(fù)測(cè)量三次求平均。列表記錄所有的數(shù)據(jù)，表格自擬。注意事項(xiàng)望遠(yuǎn)鏡、平行光管上的鏡頭，三棱鏡、平面鏡的鏡面不能用手摸、揩。如發(fā)現(xiàn)有塵埃時(shí)，應(yīng)該用鏡頭紙輕輕揩擦。三棱鏡、平面鏡不準(zhǔn)磕碰或跌落，以免損壞。分光計(jì)是較精密的光學(xué)儀器，要加倍愛(ài)護(hù)，不應(yīng)在制動(dòng)螺絲鎖緊時(shí)強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，也不要隨意擰動(dòng)狹縫。在測(cè)量數(shù)據(jù)前務(wù)須檢查分光計(jì)的幾個(gè)制動(dòng)螺絲是否鎖緊，若未鎖緊，取得的數(shù)據(jù)會(huì)不可靠。測(cè)量中應(yīng)正確使用望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)的微調(diào)螺絲，以便提高工作效率和測(cè)量準(zhǔn)確度。在游標(biāo)讀數(shù)過(guò)程中，由于望遠(yuǎn)鏡可能位于任何方位，故應(yīng)注意望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中是否過(guò)了刻度的零點(diǎn)。如越過(guò)刻度零點(diǎn)，則必須按式(3600-0'-0|)來(lái)計(jì)算望遠(yuǎn)鏡的轉(zhuǎn)角。例如當(dāng)望遠(yuǎn)鏡由位置I轉(zhuǎn)到位置II時(shí)，雙游標(biāo)的讀數(shù)分別如下表所示：望遠(yuǎn)鏡位置III左游標(biāo)讀數(shù)175045'295043'右游標(biāo)讀數(shù)355045'115043'由左游標(biāo)讀數(shù)可得望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)角為：役叫￡=119058'由右游標(biāo)讀數(shù)可得望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)角為：P=360?！唷?0 =119058'。右 |口 口—定要認(rèn)清每個(gè)螺絲的作用再調(diào)整分光計(jì)，不能隨便亂擰。掌握各個(gè)螺絲的作用可使分光計(jì)的調(diào)節(jié)與使用事半功倍。??7.調(diào)整時(shí)應(yīng)調(diào)整好一個(gè)方向，這時(shí)已調(diào)好部分的螺絲不能再隨便擰動(dòng)，否則會(huì)造成前功盡棄。??8.望遠(yuǎn)鏡的調(diào)整是一個(gè)重點(diǎn)。首先轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡手輪看清分劃板上的十字線，