物理实验 分光计的调节和色散曲线的测定.doc

大学物理实验报告分光计的调节和色散曲线的测定工业工程系 工32姓名：林懋恺学号：2003010855分光计的调节和色散曲线的测定【实验目的】（1）了解分光计的原理与构造，学会调节分光计；（2）用最小偏向角法测定玻璃折射率；（3）掌握三棱镜顶角的两种测量方法。【实验原理】一、 分光计的结构及调节原理1、要测准入射光与出射光之间的偏转角必须满足的两个条件（1）入射光与出射光均为平行光束；（2）入射光与出射光的方向以及反射面或折射面的法线都与分光计的刻度盘平行。2、分光计的主要部件（1）望远镜分光计中采用自准望远镜，它由物镜，叉丝分划板与目镜组成，调节望远镜应先调节目镜使3剖面的形叉丝清晰可见，然后再调叉丝套筒使 5 剖面的形亮线经平面镜的反射像也清晰可见，且与形叉丝无视差。（2）平行光管 平行光管由狭缝与透镜组成，其结构如上图。若将狭缝调到透镜的焦平面上，则可得平行光，这时可在望远镜视场中看见清晰的狭缝像，且与形叉丝无视差，然后再调节缝宽约mm即可。（3）刻度盘度盘垂直于分光计的主轴且可绕主轴转动，为消除偏心差，采用了两个位置相差180的游标读数。刻度盘的分度值为0.5，0.5以下则用游标来读数。游标的最小分度值为1。刻度盘与游标二、 最小偏向角法测玻璃折射率当入射角 i 等于出射角 i 时，入射光和出射光之间的夹角最小。由折射定律可得棱镜玻璃的折射率为：三、 色散及色散曲线的拟合 当入射光不是单色光时，虽然入射角对各种波长的光都相同，但出射角并不相同，即折射率不相同。对于一般的透明材料，折射率随波长的减小而增大。折射率n随波长变化的现象称为色散。 一般可采用平均色散或色散本领来表示某种玻璃色散的程度。 用经验公式来表示可见光范围内玻璃材料的折射率与波长之间的关系时，可用以下公式：四、 三棱镜顶角的测量原理1、自准法测三棱镜顶角用自准法测定三棱镜顶角。由图可知，只要测出三棱镜两个光学面的法线之间的夹角，即可求得顶角。2、平行光管法测三棱镜顶角用平行光法测定三棱镜顶角。一束平 行光被三棱镜的两个光学面反射后，只要测出两束反射光之间的夹角，即可求得顶角【实验任务】一、分光计的调节1、粗调分光计调节望远镜和平行光管的光轴尽量使它们与刻度盘平行；调节小平台尽量使它与刻度盘平行（即与分光计主轴垂直）。 2、调节望远镜（1）调节望远镜适合于观测平行光点亮小灯，照亮视场调目镜看清形叉丝放置平面镜于小平台上转动望远镜或小平台找到反射光斑调节叉丝套筒看清像，并消视差（2）调节望远镜光轴分光计主轴当平面镜法线与望远镜光轴平行时， 形反射像与 形叉丝的上交点完全重合，将小平台旋转180之后，如果仍然完全重合，则说明望远镜光轴已垂直于分光计主轴了。调节方法是采用渐近法 即先调小平台下的螺钉使形反射像与 形叉丝的上交点之间的距离减小一半，再调望远镜的调水平螺钉使它们重合，然后转动小平台180，重复以上步骤。3、调节平行光管（1）调节平行光管发出平行光狭缝像应是一条轮廓清楚的窄长条，而不是边缘模糊的亮条。 狭缝像应与叉丝无视差。 狭缝宽度应合适，实验中缝像约mm宽即可。（2）调节平行光管光轴分光计主轴调节平行光管的调水平螺钉，使狭缝像被 叉丝中心线平分，平行光管也就垂直于分光计主轴了。4、细调三棱镜两光学面法线垂直于分光计主轴在分光计已调好的情况下，只需调整三棱镜两光学面的法线垂直于分光计的主轴。二、测量氦光管谱线的最小偏向角1、观察谱线并对照氦光谱图认谱。放好三棱镜，先直接透过三棱镜用眼睛找到自己的平行光管及其中的彩色光谱出射的方向，然后将望远镜转到眼睛所观察的方位，就能从望远镜里看到谱线。再进一步调节到最佳状态使望远镜视场里的谱线清晰明亮、线宽合适。应有九条谱线。2、确定最小偏向角。 转动小平台，当棱镜转到某个位置时，谱线不再移动，继续使棱镜沿原方向转动时，谱线反而向相反方向移动，即偏向角反而变大，这个转折位置就是最小偏向角位置。检查确认后，测出此时出射光的方位，与入射光方位相减得到该谱线的最小偏向角。三、测量三棱镜顶角（选做）利用自准法、平行光法测量三棱镜的顶角。【实验仪器】实验仪器有分光计，平面反射镜，玻璃三棱镜，氦光谱管及其电源。氦光谱管是将稀薄的氦气封闭在玻璃管内制成。管得两端各装一个电极，两电极间加高电压后产生放电并且发光，通过三棱镜分光可得到氦的线光谱。波长 447.1 471.3 492.2 501.6 587.6 667.8 706.6颜色 蓝紫 蓝 蓝绿 浅绿 黄 大红 暗红【实验数据与数据处理】1、推导折射率n的不确定度n的表达式，并根据仪器的测量精度估计出A和代入并估计出n的大小，据此决定n应取几位有效数字。解：（1）计算：（2）计算由取实验中一组数据=1 5225 A=60代入，有=0.031再取n=1.66 得=0.0514故n可取5位有效数字2、计算棱镜材料对各波长的折射率，画出色散曲线，并从所画色散曲线查处nC、nD和nF，求出平均色散和色散本领。3、用实验室给的数据处理程序进行多元线性回归，求出实验材料折射率与波长的经验公式。4、最小偏向角测三棱镜折射率数据表格。分光计编号 00008011 ； 三棱镜编号 7 ； A= 5959 ； = 1 ；入射光方位= 32720 ；= 14716 氦谱线波长/nm447.127125912055555556555657581.6963471.32720915755205519552057401.6908492.227230922654505450545057251.6861501.627242923754385439543857191.6842587.627358935053225326532456421.6725667.827440943452405242524156201.6654706.627456945052245226522556121.6628表中脚标1、2分别表示左、右游标读数由计算机程序计算得平均色散：色散本领：5、测量三棱镜顶角数据记录表格（使用平行光法）测量序号123游标游标游标游标游标游标第一位置269789326978942698894第二位置292209229220922922093119551195911955119581195411959119571195611956计算若望远镜由位置到经过了刻度盘零点，则应按下式计算 对三次的取平均，得=11956，因此三棱镜顶角A=5958【思考题】1、当转动小平台180反复调节使望远镜主轴垂直于分光计主轴时，小平台是否也同时调好到垂直于主轴了？为什么？答：不一定。反复调节到望远镜光轴垂直于分光计主轴时，望远镜光轴将垂直于分光计主轴与小平台法线形成的平面。但这并不能保证小平台是处于水平状态的，所以也就不一定和主轴垂直。2、根据折射定律，请结合图4.3.13定性分析入射光的方位应处于何种情况时才可能找到最小偏向角？答：在（c）情况下才能找到最小偏向角。在(a)(b)情况下，光线沿PQ入射后会折射到三棱镜的非光学面上，从而发生散射或反射，没有测量意义。只有(c)情况中光线可能发生两次折射后射出，这样才可能找到最小偏向角。3、根据本实验的原理怎样测量光波波长？答：用已知色散曲线和顶角的三棱镜，由本实验测出未知光的最小偏向角，即可由算出三棱镜对该波长光的折射率，进而由色散曲线查出光的波长。4、试根据光路图分析，为什么望远镜光轴与平面镜法线平行时，在目镜内内应看到型反射像与形叉丝的上方交点相重合？由望远镜内部结构，分划板上形叉丝的下