大学物理实验分光计的调整和三棱镜折射率的测定.docx

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1、实验二十分光计的调整和三棱镜折射率的测定【实验目的】1. 了解分光计的构造，掌握调节和使用分光计的方法。2. 了解测定棱镜顶角的方法。3. 用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率。【实验器材】分光计、钠灯、三棱镜、双面平面镜。【实验原理】分光计是一种常用的光学仪器，实际上就是一种精细的测角仪，在几何光学实 验中，主要用来测定棱镜角、光束的偏向角等，而在物理光学实验中，加上分光元 件棱镜、光栅即可作为分光仪器，用来观察、测量光谱线的波长等。下面以学 生型分光计JJY型为例，说明它的构造、工作原理和调节方法。一、分光计的构造分光计主要由底座、望远镜、平行光管、载物平台和刻度圆盘等几局部组成，图5-11

2、-1分光计1-狭缝装置2-狭缝装置锁紧螺钉3-平行光管4-制动架一5-载物台6-载物台调节螺钉3只7-载物台锁紧螺钉8-望远镜9-目镜锁紧螺钉10-分划板11-目镜调节手轮12-望远镜仰角调节螺钉 13-望远镜水平调节螺钉14-望远镜微调螺钉15-转座与刻度盘制动螺钉16-望远镜制动螺钉17-制 动架二18-底座19-转座20-刻度盘21-游标盘22-游标盘微调螺钉23-游标盘制动螺钉24-平 行光管水平调节螺钉25-平行光管仰角调节螺钉26-狭缝宽度调节手轮每局部均有特定的调节螺钉，图5-11-1为JJY型分光计的构造外型图。1分光计的底座要求平稳而坚实。在底座的中央固定着中心轴，望远镜、刻

3、 度盘和游标内盘套在中心轴上，可以绕中心轴旋转。2. 平行光管固定在底座的立柱上，它是用来产生平行光的。其一端装有消色 差的会聚透镜，另一端装有狭缝的圆筒，狭缝的宽度根据需要可在0.022mm范 围内调节。3. 望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起，套在主刻度盘上，它是用 来观察目标和确定光线的传播方向。望远镜由目镜系统和物镜组成，为了调节和测图5-11-2望远镜构造图5-11-3分划板1-物镜2-外管3-分划板4-中管5-目镜系统6-内管7-小灯1-镜面反射像2-上十字线3-十字窗口量，物镜和目镜之间还装有分划板，它们分别置于内管、外管和中管内，三个管彼 此可以才目对移动，也可以用螺钉固

4、定，如图5-11-2所示，在中管的分划板下方紧贴 一块45o全反射小棱镜，棱镜与分划板的粘贴局部涂成黑色，仅留一个绿色的小十 字窗口，照明小灯发出的光线从小棱镜的另一直角边入射，从45。反射面反射到分 划板上，透光局部在分划板上便形成一个明亮的十字窗。4. 分光计上控制望远镜和刻度盘转动的有三套构造，正确运用它们对于测量 很重要，具体如下：1望远镜制动和微动机构，图5-11-1中的16、14;2分光计游标盘制动和微动控制机构，图5-11-1中的23、22;3望远镜和刻度盘的离合控制机构，图5-11-1中的15。转动望远镜或移动游标位置时，都要先松开相应的制动螺钉；微调望远镜及游 标位置时要先拧

5、紧制动螺钉。要改变刻度盘和望远镜的相对位置时，应先松开它们间的离合控制螺钉，调整 后再拧紧。一般是将刻度盘的Oo线置于望远镜下，可以防止在测角度时，Oo线通 过游标引起的计算上的不方便。图5-11-4分光计的观测系统5. 载物平台是一个用以放置平面镜、棱镜、光栅等光学元件的圆形平台，套 在游标内盘上，可以绕通过平台中心的铅直轴转动和升降。当平台和游标盘刻度 内盘一起转动时，控制其转动的方式与望远镜一样，也是粗调和微调两种。平台 下有三个调节螺钉，可以改变平台台面与铅直轴的倾斜度。6. 望远镜和载物平台的才目对方位可由刻度盘上的读数确定。主刻度盘上有Oo 36Oo的圆刻度，分度值为30。为了提高

6、角度测量精细度，在内盘上相隔18Oo设有 两个游标，游标上有30个分格，它和主刻度盘上29个分格相当，因此分度值为1。 读数方法与游标卡尺的游标原理一样该处称为角游标。记录测量数据时，为了 消除刻度盘的刻度中心和仪器转动轴之间的偏心差，必须同时读取两个游标的读 数。安置游标位置要考虑具体实验情况，主要注意读数方便，且尽可能在测量中刻 度盘Oo线不通过游标。记录与计算角度时，左右游标分别进展，防止混淆算错角度。二、分光计的调节分光计是在平行光中观察有关现象和测量角度，因此应到达以下三个要求：平 行光管发出平行光；望远镜能承受平行光；望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共 轴。用分光计进展观测时，其观

7、测系统根本上应由以下三个平面构成，如图5-11-4 所示。读值平面：这是读取数据的平面，由主刻度盘和游标盘绕中心转轴旋转时形成 的。对每一具体的分光计，读值平面都是固定的，且和中心主轴垂直。观察平面：由望远镜光轴绕仪器中心转轴旋转时所形成的。只有当望远镜光轴 与转轴垂直时，观察面才是一个平面，否那么，将形成一个以望远镜光轴为母线的 圆锥面。待测光路平面：由平行光管的光轴和经过待测光学元件棱镜、光栅等作用 后，所反射、折射和衍射的光线所共同确定的。调节载物平台下方的三个调节螺钉， 可以将待测光路平面调节到所需方位。按调节要求，应将此三个平面调节成相互平行，否那么，测得角度将与实际角 度有些差异，

8、即引入系统误差。1. 调节望远镜和载物平台1目镜调焦这是为了使眼睛通过目镜能清楚地看到图5-11-3所示分划板上的刻线。调接方 法是把目镜调焦手轮轻轻旋出，或旋进，从目镜中观看，直到分划板刻线清晰为止。2调节望远镜对平行光聚焦实质是将分划板调到物镜焦平面上，调整 方法如下：1把目镜照明，将双面平面镜放到载物台 上，为了调节方便，平面境与载物台下三个调 节螺钉的才目对位置如图5-11-5所示。2粗调望远镜光轴与镜面垂直 目测将望远镜 调成水平、载物台水平，使镜面大致与望远镜 垂直。图5-11-5载物台上双面镜放置的俯视时，在目镜中应看到一个绿 色十字随着镜面转动而动， 这就是亮十字的反射像。如

9、果像有些模糊，只要沿轴向 移动目镜筒，直到像清晰、3观察与调节镜面反射像 固定望远镜， 转动游标盘，于是载物台跟着一起转动。转动 平面镜使其正好对着望远镜无视差，再旋紧螺钉，此时 望远镜已聚焦平行光。3调整望远镜光轴与 仪器主轴垂直当镜面与望远镜光轴垂 直时，它的反射像应落在目 镜分划板上与下方十字窗对 称的十字线中心，如图5-11-3所示。平面镜绕轴转1800后，如果另一镜面的反射像也落在此处，这说明镜面平行 仪器主轴。当然，此时与镜面垂直的望远镜光轴也与仪器主轴垂直。在调整过程中出现的某些现象是何原因？调整什么？应如何调整，这是要分析 清楚的。例如，是调载物台？还是调望远镜？调到什么程度？

10、下面简述之。1载物台倾角没调好的表现及调整假设望远镜光轴已垂直仪器主轴，但载物台倾角没调好，如图5-11-6所示。平 面镜A面反射光偏上，载物台转1800后，B面反射光偏下，在目镜中看到的现象 是A面反射像在B面反射像的 上方。显然，调整方法是把B 面像或A面像向上或向 下调到两像点距离的一半， 这一步要反复进展，最后使镜 面A和B的像落在分划板上同 一高度。2望远镜光轴没调好的表 现及调整假设载物台已调好，但望 远镜光轴不垂直仪器主轴，如 图5-11-7所示。在图(a)中，无 论平面镜A面还是B面，反射 光都偏上，反射像落在分划板 上十字线的上方。在图(b)中， 镜面反射光都偏下，反射像都

11、落在分划板上十字线的下方。图5-11-7望远镜光轴没调好的表现及调整原理显然，调整方法是只要调整望远镜仰角调节螺钉12，把像调到上十字线上即可， 如图c。3载物台和望远镜光轴都没调好的表现及调整表现是两镜面反射像一上一下。先调载物台螺钉，使两镜面反射像像点等高但 像点没落在上十字线上，然后，调整望远镜仰角调节螺钉12，把像调到上十字 线上。2. 调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴实质是将被照明的狭缝调到平行光管物镜焦平面上，物镜将出射平行光。调整方法是：取下平面镜，关掉目镜照明光源，狭缝对准照明光源，使望远镜 转向平行光管方向，在目镜中观察狭缝的像，沿轴向移动狭缝套筒，直到像清晰。这说明光管

12、已发出平行光。再将狭缝转向横向水平，调节螺钉25，将狭缝的像调到中心横线上，如 图5-11-8a所示。这说明平行光管光轴已于望远镜光轴共线，所以也垂直仪器 主轴。螺钉25不能再动。最后，将狭缝调成竖直，锁紧螺钉2。如图5-11-8b所示。三、用最小偏向角法测定三棱镜的折射 率(a)(b)8的大小随入射角*的变化而变化。而当i1 = i；时，8为最小证明可参阅光学教材中图5-11-8平行光管光轴与望远镜光轴共线的相关内容。此时的偏向角称为最小偏向角，记为8由图5-11-9中可以看到，min = i i = i 一2 iii25-11-1设棱镜折射率为n，由折射定律得min图5-ii-9三棱镜最小

13、偏向角原理图sin i = n sin i = n sin i i 2如图5-11-9，一束单色光以i角入射到 AB面上，经棱镜两次折射后，从AC面折射 出来，出射角为i；。入射光和出射光的夹角8 称为偏向角。当棱镜顶角A定时，偏向角sin i n =.A sin 2sin 8 min + A5-11-22sin 2由此可知，要求得棱镜的折射率n，必须测出其顶角A和最小偏向角8 .。【实验内容】mn1. 调整分光计，使其处于工作状态。调整方法见以上所述。2. 使三棱镜的光学外表垂直望远镜光轴1调载物台的上下台面大致平行，将棱镜放到载物平台上，使棱镜三边与 台下三个螺钉的连线所成三边互才目垂直，

14、如图5-11-10所示，这样，调节一个螺钉可以调节棱镜光学外表的倾斜度。图5-11-10三棱镜在载物台上的正确方法图5-11-11测棱镜顶角2接通目镜照明光源，遮住从平行光管射来的光。转动载物平台，在望远 镜中观察从三棱镜的两个光学外表AC和AB反射回来的十字像，只调台下三个螺 钉，使其反射像都落到上十字线处，如图5-11-11所示。调节时，切莫动螺钉12。注意：每个螺钉调节的动作要轻，并同时观察它对各侧面反射像的影响。棱镜 调好后，其位置不能再动。3. 测棱镜顶角对两游标作一适当标记，分别称左游标和右游标，在记录数据时，且勿颠倒。扭紧刻度盘下螺钉15、16，望远镜和刻度盘固定不动。转动游标盘

15、，使棱镜AC面正对望远镜，如图5-11-11所示。分别记下左、右游标的读数。和0。再转 动游标盘，再使棱镜AB面正对望远镜，再分别记下左、右游标的读数0和0 同一游标两次读数之差0】0或02 0;l，即是载物台转过的角度，所以 中=(I0 _0| +020j)/ 2，而中是A角的补角，即A =兀一中反复测量3次，数据填入表5-11-1中。4. 测三棱镜的最小偏向角1使平行光管狭缝对准钠光灯 光源。2松开望远镜制动螺钉16 和游标盘制动螺钉23，把载物台及 望远镜转至如图5-11-12中所示的位置 1处，再左右微微转动望远镜，找 出棱镜折射出的光线。3轻轻转动载物台改变入射 改变，使光线往5减小

16、的方向移动即向顶角A方向移动。望远镜跟着光线移 动，直到棱镜继续转动，而光线开场反向移动即偏向角反而变大为止。这个反 向移动的转折位置，就是光线以最小偏向角射出的方向。固定载物台锁紧螺钉 23，微动望远镜，使其分划板上的中心竖线对准谱线。角，望远镜中将看到光线跟着移动。图5-11-12测量最小偏向角4测量记下此时两游标的读数七和气。取下三棱镜载物台保持不动，转动望远镜 对准平行光管，即图5-11-12中2的位置，以确定入射光的位置，再记下两游标 的读数。和。此时该光线的最小偏向角为125=札一。+修一叩min2反复进展三次，将数据填入表5-11-2中。将5 min值和测得的棱镜A角平均 值代入

17、式5-11-2计算。并计算出折射率的不确定度。1 41n = sin (5+ 4)/sin = sin (38049 + 600)/sin3002 min22【数据表格及处理】测屋1.,2.,3.,牝A3.1b,a.】bnElib.n11b.,11b,出射 有位南T.12他广即版J2A42.J颁时次41?颁时3他2.,2Q1.44.1A射 有位南T.，2弑亥如钮如J240.31?钮.迎疝广2钮.矛：实验结果计算3抑：游.48、3$.浙澎.疚38.4队3$.疚38.3*3 阳 9.”阳己棱镜的最小偏a顶角4向角5 .=6屈.49.84938.47.38.4S.-n38.5Q.-hmin3棱镜玻璃

18、的折射率n = 1.51874不确定度的计算三棱镜的顶角直接取A = 600,因此只要取A的B类不确定度分U- = Ub11 ,= -j3A . =-3 = 0.00017rad求uo min25 (0-0 )2/(5X4) = 0.45= 0.00013radmin(/)min.=11U = = = 0.00017 radU -=Ur 2 + UB2 = 0.000214湖求U-nU- = csc A n 22(sincscd* U 2 + cos2 min + U2= 0.0002122 a2omin结果表达式n = n 土 Un = 1.5187 土 0.0003【考前须知】1、分光计在调整好后，整个实验过程中望远镜和平行光管的水平调节螺钉不可再 作调节。2、望远镜、平行光管及三棱镜的光学外表不可用手摸及用纸擦，手拿三棱镜应拿 不透光面。3、在锁紧螺钉紧锁后不可硬性转动相关的部件，各锁紧螺钉不可用力过大。