分光计的调整和使用.docx

实验七分光计的调整和使用分光计是一种精密测量角度和分光的仪器，利用分光计可以间接测量 折射率、光波波长、色散率，还可以用来进行光谱定性分析，验证里德堡 常数等。分光计是光学实验的基本仪器，它的调整（如望远镜、平行光管的调 整等）方法在光学仪器调整中颇具代表性。我们实验课中也将多次用到分 光计。了解它的结构、掌握它的调节和使用方法，是本课程的基本要求。实验目的和学习要求1. 了解分光计的结构，掌握分光计的调整方法和理解调整的原理。2. 学会使用分光计测量角度。3. 学会用分光计测折射率的方法和原理。4. 了解光的色散现象。实验原理如图7-1所示，三角形ABC表示三棱镜的横截面，BC为底面，AB、AC 为光学面，两个光学面的夹角A称为三棱镜的顶角。入射光LD经三棱镜 两次折射后，沿FR方向出射。入射线LD与出射线FR所成的角凯称为偏达到极小值，这时的偏向角称为最小图7-1三棱镜的折射向角，可以证明，如果入射光线和出射 光线处在三棱镜对称位置上，偏向角 偏向角5.。棱镜玻璃的折射率n与 棱镜顶角，最小偏向角5min有如下关系。 A + 5 一 一sin min2. Asin2用分光计测出三棱镜的顶角A和最小偏向角5min，就可以算出棱镜材 料的折射率。仪器介绍分光计的结构如图7-2,它主要由平行光管、望远镜、载物台和读数 装置组成。图7-2分光计的结构1狭缝装置2狭缝套筒琐紧螺钉3平行光管4载物台5载物台调平螺钉6载 物台琐紧螺钉7望远镜8目镜套筒琐紧螺钉9自准目镜10目镜套筒11望远镜光 轴俯仰调节螺钉12望远镜光轴水平方向调节螺钉13望远镜转动微调螺钉14度盘 止动螺钉15望远镜止动螺钉（在背面）16度盘17游标盘18游标盘微调螺钉19游 标盘止动螺钉20平行光轴水平方向调节螺钉21平行光管光轴俯仰调节螺钉22狭 缝宽度调节螺钉1. 平行光管平行光管是由狭缝和透镜组成。拧开螺丝2,可前后移动狭缝套筒1， 使狭缝位于透镜焦平面上，则平行光管射出平行光。狭缝的刀口是经过精 密研磨制成的，为避免损伤狭缝，只有在望远镜中看到狭缝像的情况下才 能调节狭缝的宽度。调节手轮22,可以改变狭缝的宽度。2. 望远镜望远镜是由目镜、分划板、物镜组成，如图7-3,望远镜和分化板它 们分别装在三个套筒中，彼此可以相对移动。图7-3 分光计的望远镜分划板上刻有土形叉丝，分划板下方小棱镜的直角面上有一个十字形 透光孔，小灯泡发出的光经小棱镜改变光路90。方向后从十字透射孔出射， 当分划板处在物镜的焦平面上时，十字透光孔出射光经物镜后成为平行 光，若用一垂直于望远镜光轴的平面镜将此平行光反射回来，则成像在分 划板上方十字叉丝上，如图7-7 (c)。望远镜可以单独绕中心轴转，也可以与刻度盘固定一起绕中心轴转。3. 载物台载物台用来放置待测件或分光元件，台面下方三个螺丝B 1 B2 B3 (如 图7-9)，用来调节台面倾斜度。松开螺丝6,可以升降载物台。拧紧螺 丝6可将载物台与游标盘17固定在一起，此时松开螺丝19,载物台随游 标盘转动，并可以通过游标读数装置读出载物台转过的角度。4. 读数装置这是一种测量角度的游标读数装置称为角游标或圆游标，由刻度盘与 游标盘组成。刻度盘是主尺分为360。，JJY型分光计主尺的最小刻度为 30'，游标有30个分度，分度值为1'。读数时，从游标零线所对的刻度盘 读出0.5。以上的“度”数，再从与刻度盘某刻度对齐的游标刻线读出“分” 数。两数相加为角度读数。图7-4读数为116。12'。为了消除刻度盘中心与 转轴中心之间的偏心差，在 游标盘同一直径的两端各装 一游标。测量时，两个游标 都应读数，然后算出每个游 标始、末两次的读数的差， 再取平均值。这个平均值才 是转动的角度。图7-4角游标实验内容及调整步骤分光计的调整要求是:1. 望远镜调焦于无穷远，即望远镜能将平行光会聚成像于焦平面上;2. 望远镜光轴垂直于分光计主轴；3. 平行光管发出平行光；4. 平行光管光轴垂直于分光计主轴，并与望远镜光轴在同一平面内。调节前，应对照实物和结构图熟悉仪器，了解各个调节螺钉的作用。 调节时要先粗调后再细调。分光计调整的步骤：（一）目测粗调（凭眼睛观察判断）调节望远镜和平行光管光轴尽量使它们与刻度盘平行；调节载物台 尽量使它们与刻度盘平行（即与主轴垂直）（二）细调1. 调节望远镜适合于观察平行光。目镜视度调节：使望远镜适合操作者眼睛的视度。转动目镜视度调 节手轮10，从目镜中看到分划板的黑色叉丝清晰。调好后，整个实验中不 再转动螺钉10。接通望远镜上的小灯，并按图7-5把平面镜放到载物台上，缓慢转 动载物台，从望远镜中仔细寻找平面镜的两个面是否都有绿光团反射回 来。若找不到绿光团，多半原因是粗调还未达到要求，应重新进行粗调。找到绿光团后，松开目镜锁紧螺钉8,前后抽动目镜套筒，使绿色 光团变成清晰的绿十字像。仔细抽动目镜套筒直到绿十字像与黑色叉丝间 无视差。锁定螺钉8,整个实验中不再抽动目镜套筒。则望远镜已适合于 观察平行光。图7-5平面镜的放置图7-6 寻找反射的绿色光斑（或绿十字像）2. 望远镜光轴垂直于分光计主轴转动载物台，使平面镜转动180，从目镜中找到反射回来的绿十 字像（图7-7 a） 调节望远镜俯仰螺钉11，使绿十字像向分划板上方黑十字叉丝移 近一半距离（图7-7 b ）。调节螺钉By使绿十字像与分划板上方黑十字叉丝重合（图7-7 c）。这种各调一半的方法叫做“半调法”。重复。反复调整，直到平面镜两面反射回来的绿十字像都能与分划板上方黑十字叉丝重合。望远镜调整完毕，以下平行光管和载物台上光学元件的调节都将 以此为基准，望远镜光轴的俯仰、望远镜的调焦状态在整个实验中都不要 再改变。（a）绿十字偏离上叉丝中央（b）调节望远镜螺丝11 减少1/2偏离（c）调载物台螺丝B，再减少1/2偏离使绿十字回到上叉丝中央图7-7调节望远镜光轴 望远镜调节中的两个问题及解决办法。 找不到从平面镜反射回来的绿色光团（或十字像）。这是由于反射像太偏上或太偏下，不能落在望远镜的视场内。这时可 旋转载物台，平面镜法线偏离望远镜一个小角度，从望远镜外侧向平面镜 内寻找绿色光团（或绿十字像），如图7-6,使当眼镜与望远镜等高时看 到绿光团位于平面镜的中下部分或平面镜的顶部，这时，用“半调法”调 节螺钉11和旦，把绿光团调到平面镜中上部分，此时再转动载物台，使 平面镜的法线对向望远镜，从目镜中就能看到绿色光斑（或绿十字像）。 左右转动望远镜（或微微转动载物台）时，绿十字像移动方向与水平叉丝成一小角度，如一图7-8。这是由于分划板没有放正，竖直叉丝不平行于分光计主轴。应松开目镜锁盲 J紧螺钉8,转动目镜套筒（分划板随之转动），直到绿十字像始终沿水平叉丝移动。图7-8分划板倾斜导致绿十字像 分划板转正后，应重新消除视差，再锁定移动方向与水平叉丝成一小角度 螺钉8。3. 调整平行光管（1）调光轴：取下平面镜，开亮钠光灯，松开狭缝锁紧螺钉2,将狭 缝1转成水平，从望远镜中看到狭缝的像，若不清晰，可前后抽动狭缝使 像清晰；调节平行光管俯仰螺钉21，使狭缝的像重合于分划板中央的水平叉丝，平行光管光轴即与分光计主轴相垂直。(2) 调出平行光：转动狭缝平行于竖直叉丝，仔细地前后抽动狭缝， 消除狭缝的像与叉丝间的视差。至此平行光管发出平行光。(3) 转动螺钉22调节狭缝宽度，使狭缝的像既细锐又足够明亮。 至此分光计调节完毕。图7-9 三棱镜的放置实验内容1. 测量三棱镜的顶角A现介绍两种测量三棱镜顶角的方法。(1) 用自准法测三棱镜顶角按图7-9把三棱镜放到载物台上，并用 弹簧片压住。螺钉B2、B3连线垂直于三棱 镜的光学平面IICAB2)，调节B1时，载物 台以连线B2 B3为轴转动，平面(AC)的倾斜度改变，而I则在它自己的平面内运动，其法线方向不变。这样放置三 棱镜，使得在调节平面I时，不改变平面I的状态；同理，在调节I时也 不会影响平面I。 松开望远镜转轴止动螺钉，将望远镜对向平面I，只调节螺钉B 1， 使平面I反射的绿十字像与分划板上方十字叉丝重合，记录两游标读数 叩2。1转动望远镜对向平面I，只调节螺钉B2，使平面镜反射的绿十字 像与分划板上方十字叉丝重合，记录两游标读数01 0 2。由图 7-10 可见，A=180。一中，中=(0' 0 ) + ( 0' 0 )/2。1122图7-11用反射法测三棱镜顶角图7-10用自准法测三棱镜顶角(2) 用反射法测量三棱镜顶角按图7-9把三棱镜放到载物台上，松开螺钉19,转动载物台，使三棱 镜的顶角A对向平行光管，然后锁定6,如图7-11。转动望远镜到位置I,从望远镜中看到狭缝的像在分划板中央，锁 定望远镜转轴止动螺钉15,然后用微调螺钉13调节狭缝像与分划板竖直 叉丝重合，记录两游标读数%和。2。转动望远镜到位置II，重复，记录两游标读数%和。2，由图7-11 可以证明，A = ?，中二（' 一 % ） + （ %' % ）/2。211222.测量最小偏向角5min（1）找到谱线：转动载物台，使三棱镜的AC平面与平行光管光轴夹角 大致为30。，然后将望远镜转到出射光方向，就能从望远镜里看到谱线， 如图7-12。（2）找到最小偏向角：转动载物台， 使谱线向入射光方向靠近，即偏向角 减小。当载物台转到某一位置，再继 续按原方向转动载物台，谱线将反向 移动，偏向角变大。谱线反转处即最 小偏向角的位置。（3）对准最小偏向角：在谱线反 转的位置用螺钉19锁定载物台，转 动望远镜将竖直叉丝对向谱线，锁 定望远镜转轴止动螺钉15。用微调 螺钉13和18配合反复调节，确认分划板竖直叉丝对准最小偏向角时的谱线，记下两游标读数%和气。图7-11测量最小偏向角（4）然后使望远镜对准入射光（可从棱镜上方通过）读取入射光角位置 读数和2。注意，此时不可转动载物台（不可转动螺钉18，不可 松开螺钉19），因载物台已与游标盘锁定由图 7-12 可见 5=（ ' % ） + （ %' % ）/2。min1122（5）以同样方法分别测量汞黄（577.0与579.0nm）、绿（546.1nm）、 青光（491.6nm）、蓝紫光（435.8nm）和紫光（404.7nm）的最小偏向角。注意在测量顶角A和最小偏向角5min时，应避免三棱镜相对于载物台 发生移动和转动，更不可转动螺丝BBB。数据处理1 2 31测量三棱镜的顶角A。2 分别测量汞黄（577.0 与 579.0nm）、绿（546.1nm）、青光（491.6nm）、 蓝紫光（435.8nm）和紫光（404.7nm）的最小偏向角5_。根据测得的汞 光谱线各波长下的折射率，作被测棱镜玻璃的色散曲线（即n-久关系曲 线）.操作注意1. 推动望远镜绕主轴转动时，应推望远镜的支臂，切勿直推镜筒， 以免破坏望远镜光轴与分光计主轴的垂直关系，造成角度测量错误。2. 螺钉6通常是拧紧的，将载物台与游标盘锁定。转动载物台时， 应松开游标盘止动螺丝19,转动游标盘来带动载物台转动。只有在升降载 物台或需要改变光学元件（连同载物台）相对于游标的位置时，才松开螺丝 6操作。3. 需要仔细转动载物台或望远镜使待测目标与竖直叉丝对准时，应 当用微调螺丝18或13操作，这样可减小对线误差。4. 光学元件置于载物台上，要用弹簧片压住；取下时应立即放回元 件盒里，元件要轻拿轻放，元件盒要靠近实验台中间放置，以免跌落摔坏。数据处理1. 自拟表格记录和报告测量数据。2. 计算A和5m_n，测量时为消除偏心差用两个游标读数，应取平均，计算折射率n。mm3. 以皿值和5作为直接测量量，其不确定度来自分光计的最大允许 误差仪=1'以及对线误差。计算n的合成不确定度七并表示实验结果。思考题1. 在分光计实验中，怎样判定望远镜适合观察平行光？如何调整？2. 在分光计实验中，怎样判定望远镜光轴与分光计中心轴垂直？如何调 整？3. 在分光计实验中，怎样判定平行光管出射平行光？如何调整？4. 在分光计实验中，怎样判定平行光管光轴与望远镜光轴共线并与分光 计中心轴垂直？如何调整？5. 在分光计实验中，调节分光计时所使用的双平面反射镜起了什麽作 用？能否用三棱镜代替平面镜来调整望远镜？