分光计的调节和使用

分光计的调节和使用一. 实验目的1. 了解分光汁的结构，学习正确调节和使用分光计的方法。2. 用分光计测定三棱镜的顶角。二. 实验仪器分光计、平面反射镜、三棱镜、汞灯等。三.实验原理分光计是一种能精确测量角度的光学仪器。用它可以测定光线偏转角度，如反射角、折射角、衍射角等等，而不少光学量（如光波波长、折射率、光栅常数等）可通过测量相关角度来确定。了解分光计的结构，正确调节分光计，对减小测量误差、提高测量精度是十分重要的。1. 分光计的结构分光计主要由平行光管、望远镜、载物台和读数装置四部分组成，其结构如图（3-8-1）所示。平行光管用来发射平行光，望远镜用来接收平行光，载物台用来放置三棱镜、平面镜、光栅等物体，读数装置用来测量角度。分光计上有许多调节螺丝，它们的代号、名称和功能见下表:代号 名称 功能1 平行光管光轴水平调节螺丝 调节平行光管光轴的水平方位（水平面上方位调节）2 平行光管光轴高低调节螺丝 调节平行光管光轴的倾斜度（铅直面上方位调节）3 狭缝宽度调节手轮 调节狭缝宽度（0.022.00mm）4 狭缝装置固定螺丝 松开时，调平行光；调好后锁紧，以固定狭缝装置5 载物台调平螺丝（3只）台面水平调节（本实验中，用来调平面镜和三棱镜折射面平行于中心轴。 ）6 载物台固定螺丝松开时，载物台可单独转动、升降，锁紧后，使载物台与游标盘固联7 叉丝套筒固定螺丝松开时，叉丝套筒可自由伸缩、转动（物镜调焦） ；调好后锁紧，以固定叉丝套筒8 目镜调焦轮 目镜调焦用（调节8，可使视场中叉丝清晰）9 望远镜光轴高低调节螺丝 调节望远镜光轴的倾斜度（铅直面上方位调节）10望远镜光轴水平调节螺丝（在图后侧） 调节望远镜光轴的水平方位（水平面上方位调节）11 望远镜微调螺丝（在图后侧） 在锁紧13后，调11可使望远镜绕中心轴微动12 刻度盘与望远镜固联螺丝松开 l2，两者可相对转动；锁紧12，两者固联，才能一起转动13 望远镜止动螺丝（在图后侧）松开13，可用手大幅度转动望远镜；锁紧13，微调螺丝11才起作用14 游标盘微调螺丝 锁紧 l5后，调 l4可使游标盘作小幅度转动15 游标盘止动螺丝松开15，游标盘能单独作大幅度转动；锁紧15，微调螺丝14才起作用分光计的读数装置由刻度盘和游标盘两部分组成。刻度盘分为360，最小分度为半度（30） ，半度以下的角度可借助游标准确读出。游标等分为30格，游标的这30小格正好跟刻度盘上的29小格对齐，因此知道游标上1小格为29，游标上1小格与刻度盘上1小格两者之差为1，即分光计最小分度为1。由此可知游标上 n 小格与刻度盘上 n 小格相差 n。角游标的读法与直游标（如游标卡尺）相似，以游标零线为基准，先读出大数（大于30的部分） ，再利用游标读出小数（小于30的部分） ，大数跟小数之和即为测量结果。现举二例见图3-8-2。在生产分光计时，难以做到使望远镜、刻度盘的旋转轴线与分光计中心轴完全重合。为消除刻度盘与分光计中心轴偏心而引起的误差，在游标盘同一条直径的两端各装一个读数游标。测量时两个游标都应读数，然后分别算出每个游标两次读数之差，取其平均值作为测量结果。用双游标消除偏心误差的原理详见附注。2. 分光计的调节概括地说，分光计的调整要求是：使平行光管出射平行光；望远镜适合于接收平行光；平行光管和望远镜的光轴等高并与分光计中心轴垂直。在正式调整前，先目测粗调：使望远镜和平行光管对准；将载物台、望远镜和平行光管大致调水平，使它们大致垂至于分光计中心轴。这一步很重要，只有做好粗调，才能按下列步骤进一步细调（否则细调难以进行）：调整望远镜使其达到下面两条要求（望远镜是由物镜镜筒、叉丝套筒和目镜镜筒三部分组成。叉丝到目镜和物镜的距离皆可调节。常用的阿贝目镜式望远镜的结构和视场如图3-8-3所示）：用自准法调节望远镜，使之适合于接收平行光：点亮望远镜侧窗的照明灯将叉丝照亮，旋转移动目镜使叉丝位于目镜焦平面上，此时叉丝看得很清楚。再按图3-8-4所示位置，将平面反射镜置于载物台上（镜面朝望远镜） 。然后缓慢转动载物台，同时调节叉丝套筒（改变叉丝与物镜间距） ，从望远镜中找到由平面镜反射回来的模糊光斑（如果找不到，则粗调没有达到要求，应重调） 。找到光斑后进一步细调叉丝套筒，光斑逐渐变变成清晰的绿色小亮“十”字（它是叉丝平面上小黑十字的反射像，为绿色小亮十字） 。当叉丝位于物镜焦平面上时，叉丝发出的光经过物镜后成为平行光，平行光经平面镜反射再次通过物镜后仍成像于叉丝平面。此时，从目镜中可同时看清叉丝与绿色小亮“十”字，且两者无视差。至此，叉丝既落在目镜焦平面上又落在物镜焦平面上，望远镜已适合于接收平行光。各镜筒间的相对位置就不应改变了。要补充说明的是，叉丝套筒在调节过程中应做适当转动，使竖直叉丝平行于分光计中心轴（怎样鉴别是否已达到了这一要求？） 。使望远镜光轴垂直于分光计中心轴： 望远镜调好焦后，从目镜中能同时看清叉丝和绿色小亮“十”字，且两者无视差。但绿色小亮“十”字一般不处于小黑十字的对称位置（aa线）上。其原因可能是望远镜光轴未垂直中心轴，也可能是平面镜镜面与中心轴不平行，或者两者兼有。为使望远镜光轴垂直中心轴，调整方法如下：首先检查平面镜正反两面分别正对望远镜时，视场中是否都能找到绿色小亮“十”字（如果找不到或只找到一个，说明粗调不合格，应进一步调整） 。然后用螺丝9调节望远镜光轴倾斜度，使绿色小亮“十”字到 aa线的距离减小一半，再调载物台螺丝 G1（或 G3）使两者重合。把载物台转 l80，使平面镜的反面正对望远镜，再次用“各半调节法”同样调节。如此反复调节，直到平面镜任一面正对望远镜时，视场中的绿色小亮“十”字都落在调整叉丝 aa上时为止。此时，望远镜光轴就与中心轴垂直了。调节过程中，不必刻板地运用“各半调节法” 。若发现正反两面的反射像纵向位移较大，说明平面镜镜面与中心轴明显不平行，就应侧重调节螺丝 G1或 G3。如果纵向位移不大，但反射像都远离 aa线，这表明望远镜光轴与中心轴明显不垂直，就该侧重调节螺丝9了。（2）调整平行光管。调整平行光管使之出射平行光：平行光管是由两个可以相对滑动的套简组成的，外筒上装有一组消色差透镜，内筒外端装有一个宽度可调的狭缝。调节时先取下载物台上的平面镜，点亮汞灯使之正照狭缝。然后一边调节平行光管上狭缝和透镜的间距，一边用调好焦的望远镜对准平行光管观察。当狭缝正好调到透镜焦平面上时，平行光管就出射平行光。由于望远镜已适合于接收平行光，因此平行光射入望远镜后将在叉丝平面成像。这时从望远镜中能看到清晰的与叉丝无视差的狭缝像。这就是说，我们是以调好焦的望远镜视场中，能否产生清晰的、无视差的狭缝像作为判据，来判别平行光管出射的光是否是平行的。使平行光管光轴与分光计中心轴垂直：调节螺丝3使狭缝像宽约1mm 多，再转动狭缝使狭缝像平行于竖直叉丝，然后调节平行光管光轴水平调节螺丝1和高低调节螺丝2，把狭缝像精确调到视场中心且被十字叉丝所等分。至此，平行光管与望远镜的光轴重合且与分光计中心轴垂直。四.实验内容1. 调整分光计按分光计的调整要求和调节方法，正确调节分光计至正常工作状态。2. 调节三棱镜要使三棱镜两折射面与分光计中心轴平行（即与已调好的望远镜光轴垂直） 。（1）将三棱镜按图3-8-5那样平放在载物台上。图中ABC 表示三棱镜的横截面，AB、AC、BC 是三棱镜的三个侧面。其中，AB、AC 两个侧面是透光的光学表面（称为折射面） 、侧面 BC 是毛玻璃面（称为底面） 。三棱镜两折射面的夹角 称为顶角。放置三棱镜时，顶角要靠近载物台中央，折射面要与载物台下调平螺丝的连线垂直。（2）转动载物台，使三棱镜的一个折射面正对望远镜。调节载物台调平螺丝，使亮“十”字形反射像落在调整叉丝 aa上。转动载物台使另折射面正对望远镜，再按上述方法重新调节。来回反复调节几次，直到两个折射面都垂直于望远镜光轴为止。注意：调节过程中只能调节载物台下的调平螺丝，不能动望远镜下的方位调节螺丝。3. 用反射法测三棱镜顶角转动载物台，使三棱镜顶角对准平行光管，让平行光管射出的光束照在三棱镜两个折射面上（见图3-8-6） 。将望远镜转至 I 处观测反射光，调节望远镜微调螺丝（11） ，使望远镜竖直叉丝对准狭缝像中心线。再分别从两个游标（设左游标为 A，右游标为 B）读出反射光的方位角 、 ；然后将望远镜转至处观测反射光，相同方法读出反射光的方位角 、。由图3-8-6可以证明顶角为：要求测量3次以上，求平均值和不确定度，数据表格自拟。每次测量完后可以稍微变动载物台位置，再测下一次。五. 注意事项（1）三棱镜要轻拿轻放，要注意保护光学表面，不要用手触摸折射面。（2）用反射法测顶角时，三棱镜顶角应靠近载物台中央放置（即离平行光管远一些）否则反射光不能进入望远镜。（3）在计算望远镜转角时，要注意望远镜转动过程中是否经过刻度盘零点，如经过零点，应在相应读数加上360（或减去360）后再计算。六. 问题讨论（1）在载物台上放置三棱镜时，为什么要使折射面垂直于载物台调平螺丝的连线？（2）不用汞灯和平行光管，利用望远镜自身产生的平行光来测三棱镜顶角的方法称为自准法。试用自准法测三棱镜顶角，并说明测量原理和方法。（3）试利用图3-8-6，证明反射法测三棱镜顶角的测量公式 。七. 附注：双游标消除偏心误差原理测量时，游标盘、载物台均