实验讲义分光计的调节与使用（物理专业）.doc

分光计的调节和使用分光计是精确测定光线偏转角的仪器，也称测角仪，精确度可达到1 ，光学中的许多基本量如波长，折射率等都可以直接或间接地表现为光线的偏转角，因而利用它可测量波长、折射率，此外还能精确的测量光学平面间的夹角。许多光学仪器(棱镜光谱仪、仪栅光谱仪、分光光度计、单色仪等)的基本结构也是以它为基础的，所以分光计是光学实验中的基本仪器之一。使用分光计时必须经过一系列的精细的调整才能得到准确的结果，它的调整技术是光学实验中的基本技术之一，必须正确掌握。分光计装置精密，结构复杂，调节难度也较大，对初学者来说有一定的困难，请同学们认真做好预习，注意了解其基本结构和测量光路，严格按调节要求和步骤耐心调节，就会掌握分光计的使用方法。【实验目的】1.了解分光计的结构及各组成部分的作用，掌握调整分光计的要求和方法；2.掌握利用分光计测量三棱镜顶角的方法，观察三棱镜对汞灯的色散现象；3.测量三棱镜对单色光的折射现象。【实验原理】1.分光计图(一) 分光计结构示意图望远镜：8.望远镜9.紧固螺钉 10.分划板 11.目镜（带调焦手轮） 12.望远镜倾斜度调节螺钉 13.望远镜光轴水平调节螺钉14.支臂 15.游标圆盘微调螺钉 17.制动架 18.望远镜制动螺钉载物台：5.载物台 6.载物台调平螺钉（3只） 7.载物台紧固螺钉圆刻度盘： 16. 读数刻度盘制动螺钉 21读数刻度盘22.游标盘 24.游标盘微调螺钉 25.游标盘制动螺钉平行光管： 1.狭缝 2.紧固螺钉 3.平行光管 26. 平行光管光轴水平调节螺钉 27. 平行光管倾斜度调节螺钉 28.狭缝宽度调节手轮其它：4.制动架 19.底座 20.转座 23.立柱（1）结构分光计的型号很多，结构基本相同，主要都是由4个部分组成：自准直望远镜、平行光管、载物小平台和读数装置。以下以JJY-1型分光计来说明。(1) 分光计底座的中心有一沿铅直方向的转轴，称为分光计的中心轴。在中心轴上套有一个读数刻度盘和一个游标盘，这两个盘可以绕它旋转。(2) 阿贝式自准直望远镜望远镜安装在支臂上，支臂与转轴相连。在支臂与转轴连接处有螺丝18，拧松时，望远镜(和读数刻度盘一起)可绕轴自由转动；旋紧时，不得强制望远镜绕轴转动，否则会损坏仪器。螺丝15是它的微调螺丝，当螺丝18拧紧后，望远镜不能绕轴转动时，用它可以使望远镜绕轴作微小转动。螺丝9是目镜镜筒的制动螺钉，旋松它可拉动望远镜套筒，调节分划板与物镜之间距离。 望远镜是用来观察和确定光束的行进方向，它是由物镜、目镜及分划板组成的一个圆管。常用的目镜有高斯目镜和阿贝目镜两种，都属于自准目镜，JJY-1型分光计使用的是阿贝式自准目镜，所以其望远镜称之为阿贝式自准直望远镜，结构如图（二）所示。望远镜光轴的倾斜度由螺丝12调节。从图中可见，目镜装在筒A中，分划板装在筒B中，物镜装在C筒中，并处在C筒的端部。其中分划板（见图（三）上刻划的是“”形的准线（不同型号准线不相同），其中分划板中心的十字交叉点是作测量用的，中心偏上的十字交叉点是作调整分光计用的。边上粘有一块45全反射小棱镜，其表面上涂了不透明薄膜，薄膜上刻了一个空心十字窗口，小电珠光从管侧射入后，调节目镜前后位置，可在望远镜目镜视场中看到图（二）中右侧所示的镜象。若在物镜前放一平面镜，前后调节目镜（连同分划板）与物镜的间距，使分划板位于物镜焦平面上时，小灯泡所发出的光透过空心十字窗口经物镜后成平行光射于平面镜，反射光经物镜后在分划板上形成十字窗口的像。若望远镜光轴垂直于平面镜镜面，此像将落在“”准线上部的交叉点（调整用十字叉丝）上，如图(四)所示。(3)载物台是用来放置平面镜、棱镜等光学元件的，它与游标盘通过螺钉7相互锁定，拧紧螺丝7后，载物台可和游标盘一起绕分光计的转轴转动。螺丝25是游标盘的止动螺钉，拧紧时不能再强制转动游标盘，否则亦会损坏仪器。螺丝24是游标盘的微调螺丝。当螺丝拧紧后，游标盘不能绕轴转动，用它可以使游标盘绕轴作微小转动。载物台下有三只调节螺丝6，可调节台面的倾斜度。 反射镜物镜全反射棱镜镜分化板目镜筒B筒A目镜视场准线十字透光窗图（二） 望远镜结构 筒C 小灯泡 十字叉像 准线 调整用十字叉丝 测量用十字叉丝 透光十字窗口 图（三）分划板 图（四）反射十字叉像 (4)刻度圆盘在分光计出厂时已将它调到与分光计的中心轴垂直。由于圆刻度盘中心和分光计的中心轴在制造和装配时，不可能完全重合，因此在读数时会产生偏心差。刻度圆盘上的刻度均匀地刻在圆周上，当圆刻度盘中心O与转轴重合时，由相差180的两个游标读出的转角刻度数值相等。而当圆刻度盘偏心时，由两个游标盘读出的转角刻度值就不相等，所以如果只用一个游标读数就会产生系统误差。通过在转轴直径上安置两个对称的游标来读数，可大大减小这种系统误差。分光计的读数系统由刻度盘和游标盘组成，读数方法和游标原理相同。最小分度为0.5度（即30分），小于0.5度的读数利用游标读出。游标上有30格，把0.5度（即30分）分为30等份，故而游标上的读数单位为1分，如图（五）所示位置，其读数为：23313T1 T2 B C A图（六）自准法测量三棱镜顶角图（五）（2）调整 为了准确测量角度，测量前应了解分光计上每个零件的作用以便调节。调节的主线是一台调好的分光计必须具备的三个条件：a望远镜聚焦于无穷远,或称适合于观察平行光；b平行光管发射出的光是平行光，即狭缝口正好位于平行光管透镜（凸透镜）的焦平面上；c望远镜和平行光管的光轴一定要与分光计的中心轴垂直。2. 自准法测量三棱镜顶角的原理如图（六）所示，当望远镜中射出的光线垂直入射AB面而沿原路反射回来时，记下此时光线入射方位T1,然后旋转望远镜到另一面，使光线垂直入射AC面，记下此时光线入射方位T2,则只要测量三棱镜两个光学面的法线之间的夹角，即可求得顶角。3. 测量三棱镜材料的折射率的原理见图（七），一束单色光以角入射到面上，经棱镜两次折射后，从面射出来，出射角为。入射光和出射光之间的夹角称为偏向角。当棱镜顶角一定时，偏向角的大小随入射角的变化而变化。而当时，为最小(证明略)。这时的偏向角称为最小偏向角，记为。由图8中可以看出，这时 (1)设棱镜材料折射率为，则 故 (2)由此可知，要求得棱镜材料的折射率，必须测出其顶角和最小偏向角。 图（七） 利用最小偏向角法测三棱镜材料的折射率【实验仪器】分光计、三棱镜、双面反射平面镜、钠光灯。 【实验步骤及实验内容】321平面镜图（八）平面镜在小平台上的位置1.分光计的调节(1) 目测粗调目测粗调即是凭眼睛判断，这一步是整个调节成功的关键。这一步调整的目的是要使望远镜和平行光管的中心光轴基本平行于刻度盘（也即垂直于分光计的中心轴）尽量使望远镜和平行光管的光轴与刻度盘平行。调节载物台下方的三个小螺钉，尽量使载物台与刻度盘平行(粗调是后面进行细调的前提和细调成功的保证)。(2) 调节望远镜聚焦于无穷远，适合观察平行光 接上照明小灯电源，打开开关，在目镜视场中观察是否能够看到“准线”和带有绿色小十字的窗口，若看不到，可通过调节目镜调焦手轮，直到能清楚地看到分划板准线为止。 手持双面反射平面镜，置于望远镜管口处，尽量使望远镜的中心光轴垂直镜面，这时前后拉动望远镜套筒，调节分划板与物镜之间距离，将能够看到反射回来的清楚的十字叉像，看到最清楚的时候（没有视差），锁紧望远镜紧固螺钉9。 将双面反射平面镜放置在载物台上（如图（八）。这样放置是出于这样的考虑：若要调节平面镜的俯仰，只需要调节载物台下的螺丝1或2即可，而螺丝3的调节与平面镜的俯仰无关。 沿望远镜外侧观察可看到平面镜内有一亮十字（即从望远镜中照射出来的光线照射到平面镜而被反射的反射光），轻缓地转动载物台，亮十字也随之转动。当望远镜对准平面镜时，通过望远镜目镜观察， 如果看不到此亮十字，这说明从望远镜射出的光没有被平面镜反射回到望远镜中。此时应重新粗调，重复上述过程，直到由透明十字发出的光经过物镜后，再经平面镜反射，由物镜再次聚焦，在分划板上形成亮十字像（注意：调节是否顺利，以上步骤是关键）。 注意使准线与亮十字的反射像之间无视差，如有视差，则需反复调节，予以消除。如果没有视差，说明望远镜已聚焦于无穷远。(3) 调节望远镜的光轴与分光计的中心轴垂直（利用逐次逼近各半调整法）。这一步是细调的过程，细调的目的是调节望远镜的光轴与分光计的中心轴垂直，也就是要看到从望远镜中射出的光被双面反射平面镜的两面反射所产生的两面反射像与分划板上的调整用十字叉丝重合。先调节平面镜的倾斜度(如图（八）中，调节螺丝1或2)。若目镜中看到的亮十字叉像（反射像）在十字窗口的对称位置上，如图（九）中(c)所示，说明望远镜中心光轴与镜面垂直。然后使平面镜跟随载物台和游标盘绕转轴转过180，如果目镜中看到的亮十字叉像也与调整用十字叉丝重合，这说明望远镜的中心光轴已垂直于分光计的中心轴。一般情况下，这二面反射像并不同时与调整用十字叉丝重合，如十字叉像处在如图（九）中(a)所示位置上，这时只要调节螺丝1或2，使二者的水平线间距缩小一半，如图（九）中(b)所示，再调节望远镜的倾斜螺丝1或2，使二者水平线重合，如图（九）中(c)所示，然后再使平面镜绕轴旋转180，观察亮十字线像与黑准线是否仍然重合。如重合了，说明望远镜光轴已垂直于分光计转轴。若不重合，则重复以上方法进行调节，直到平面镜旋转到任意一面，其镜面都能与望远镜中心光轴垂直。图（九） 逐次逼近各半调整法(4) 调节平行光管射出的光是平行光，并且使其中心光轴与分光计的中心轴垂直调节平行光管主要是利用前面已经调节好的望远镜来进行的。当平行光管发射出平行光时，狭缝可以成像于望远镜物镜的焦平面上，这时就可以在望远镜中清楚地看到狭缝的像，并与准线无视差。 调节平行光管使其能产生平行光。取下载物台上的平面镜，点亮钠灯，使光束射入平行光管。从望远镜中观察狭缝像，同时调节平行光管的狭缝与透镜之间的距离，则从望远镜中观察的狭缝亮线最清晰时，平行光管发射的光即为平行光了。然后调节狭缝宽度，使望远镜视场中的缝宽约为1mm。图（十） 平行光管与分光计中心轴垂直调节 调节平行光管的中心光轴与分光计的中心轴相垂直。转动狭缝，使狭缝像呈水平状态，再调节平行光管下面的倾斜螺钉，改变平行光管的俯仰，使狭缝像被望远镜分划板的中央叉丝线的水平线上下平分（见图（十）中的(a)图）。这时平行光管的光轴与望远镜的光轴再一条直线上，因而也就垂直分光计中心轴了。再把狭缝转至竖直位置并保持狭缝像最清晰而且无视差（见图（十）中的(b)图）。至此，分光计完全调好。在测量过程中，必须注意：望远镜、平行光管、载物台的状态不能再改变，否则整个调节要重新进行。2.测量三棱镜的顶角132III图（十） 三棱镜在小平台上的位置在正式测量之前，请先弄清楚所使用的分光计中下列螺钉的位置： 控制望远镜（连同刻度盘）转动的制动螺钉；控制游标盘（连同载物台）转动的制动螺钉。（1）三棱镜的调整。三棱镜的两个折射面的法线均应与分光计的中心轴垂直。三棱镜的侧面和平面镜一样可以将从望远镜中射出的光反射回来，如果三棱镜的两个折射面的法线均与分光计的中心轴垂直，我们就可以在望远镜中看到反射回来的十字叉像与调整用十字叉丝重合。将三棱镜按图（十）所示的位置放置（注意：切忌用手触摸光学面）。调节螺钉1，可以改变I面的法线方向，不改变II面的法线方向。同理，调节螺钉2，可以改变II面的法线方向，不改变I面的法线方向。调节望远镜使其对准三棱镜的I面，调节螺钉1，使十字叉像与调整用十字叉丝重合（注意，此时望远镜已调好，不可再调），再旋转望远镜，使其对准三棱镜的另一折射面，以同样方法调整成重合。经反复调整，直到I面和II面反射回来的十字叉像均能和调整用十字叉丝重合为止。此时，三棱镜的两个折射面的法线均与分光计的中心轴垂直。（2）顶角的测量。锁紧游标盘制动螺钉。按图（十）将望远镜的中心光轴垂直于I面，由两个游标读出望远镜的角度位置1、2，再将望远镜的中心光轴垂直于II面，相应的读出望远镜的角度位置1、2，则三棱镜的顶角为： A=180-|1-1|+|2-2| 重复测量4次，计算出顶角A的平均值。注意：为处理数据方便，尽量不要使读数经过零刻度，如果经过零刻度应记下这个数据，例如，一个游标处的读数为1=340，望远镜沿顺时针转动到另一面的过程中，这个游标处的读数经过了零刻度且读数为1=52，则望远镜转过的角度在这个游标处的读数为|1-1|=360+52-340=72。3. 测三棱镜的最小偏向角(1)平行光管狭缝对准前方钠灯光源。(2)旋松望远镜制动螺钉和游标盘制动螺钉，把载物台及望远镜转至如图（十一）中所示的位置(1)处，再左右微微转动望远镜，找出棱镜出射的钠灯黄色光谱线(即狭缝像)。调节缝宽，使光谱线细而清晰地成像在望远镜分划板平面上。(3)轻轻转动载物台(改变入射角)，在望远镜中将看到谱线跟着转动。改变（转动载物台连同游标盘），应使谱线往偏向角减小的方向移动(向顶角平行光管中心光轴所在直线方向移动)。望远镜要跟踪光谱线转动，直到棱镜继续绕着原来的方向转动，而谱线开始要反向移动(即偏向角反而变大)为止。这个反向移动的转折点位置，就是光线以最小偏向角射出的方向。固定载物台(连同游标盘)，再使望远镜微动，使其分划板上的中心竖线对准黄色谱线(589.3 nm)。图（十一）测最小偏向角方法(4)测量记下此时两游标处的读数和，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11中(2)的位置，以确定入射光的方向，再记下两游标处的读数和。此时黄色谱线的最小偏向角为将值和测得的棱镜角平均值代入式(2)计算。【数据记录与处理】1.记录所测数据填入下表，计算出三棱镜顶角A的平均值，并计算出不确定度。测量次数望远镜方位I望远镜方位IIA=180-|1-1|+|2-2|121212342. 记录所测数据填入下表，计算出最小偏向角的平均值，并计算出不确定度。钠光波长（nm）测量次数望远镜方位（1）望远镜方位(2)n1212589.31234【注意事项】 1望远镜、平行光管上的镜头，三棱镜、平面镜的镜面不能用手摸、揩。如发现有尘埃时，应该用镜头纸轻轻揩擦。三棱镜、平面镜不准磕碰或跌落，以免损坏。 2分光计是较精密的光学仪器，要加倍爱护，不应在制动螺丝锁紧时强行转动望远镜，也不要随意拧动狭缝。 3在测量数据前务须检查分光计的几个制动螺丝是否锁紧，若未锁紧，取得的数据会不可靠。 4测量中应正确使用望远镜转动的微调螺丝，以便提高工作效率和测量准确度。 5在游标读数过程中，由于望远镜可能位于任何方位，故应注意望远镜转动过程中是否过了刻度的零点。 6调整时应调整好一个方向，这时已调好部分的螺丝不能再随便拧动，否则会造成前功尽弃。 7望远镜的调整是一个重点。首先转动目镜手轮看清分划板上的十字线，而后伸缩目镜筒看清亮十字。预习检查问题：1在分光计调节使用过程中，要注意什么事项？2一台调好的分光计必须具备的三个条件是什么？3调节望远镜能接收平行光用了什么调节方法？把平面镜反射回来的十字叉像调节到与调整用十字叉丝重合，是用什么调节法？ 4在分光计调整中，小反射镜按图（七）方式放置有什么好处？5在分光计调节好后，把待测三棱镜放在载物台上，调整它的折射面与分光计中心转轴平行时，采用什么调整方法？调整时能否再动望远镜的有关调节螺钉？应调整哪些螺钉？6.望远镜实际转过的角度取两个游标读数的平均值，目的是什么？7.测量望远镜转过的角度时，如果望远镜在转动过程中，越过了刻度的零点，此时从两测角标尺读得的数值中，应如何计算望远镜转过的角度？课后思考题：1假设平面镜反射面已经和分光计的中心轴平行，而望远镜光轴和分光计的中心轴成一定角度，则反射的十字叉像和平面镜转过1800后反射的十字叉像的位置应是怎样的？此时应如何调节？试画出光路图。2.已调好望远镜光轴垂直分光计的中心轴，若将平面镜取下后，又放到载物台上(放的位置与拿下前的位置不同)，发现两镜面又不垂直望远镜中心光轴了，这是为什么?是否说明望远镜中心光轴还没有调好?3分光计为什么要调整为望远镜光轴与分光计中心轴相垂直？如果两者不垂直对测量结果有何影响？4若平面镜两面的绿十字像，一个偏高，在水平线上方距离为；另一个偏下，与水平线距离为5a，应如何调节？附 录（一）圆（刻）度盘的偏心差用圆（刻）度盘测量角度时，为了消除圆度盘的偏心差，必须由相差为180的两个游标分别读数。大家知道，圆度盘是绕仪器主轴转动的，由于仪器制造时不容易做到圆度盘中心准确无误地与主轴重合，这就不可避免地会产生偏心差。圆度盘上的刻度均匀地刻在圆周上，当圆度盘中心与仪器主轴重合时，由相差180的两个游标读出的转角刻度数值相等。而当圆度盘偏心时，由两个游标读出的转角刻度数值就不相等了，所以如果只用一个游标读数就会出现系统误差。如图（十二）所示，用AB的刻度读数，则偏大，用AB的刻度读数又偏小。由平面几何很容易证明。 亦即由两个相差180的游标上读出的转角刻度数值的平均值就是圆盘真正的转角值，从而消除了偏心差。图（十二）因圆刻度盘中心O与主轴O不重合而产生的偏心差附 录（二）测量结果的表示和不确定度的计算不确定度：由于测量误差的存在而对测量值不能肯定的程度，是对被测量的真值所处的量值范围的评定。（1） 直接测量结果的表示和总不确定度的估计（a）单次测量的结果表达式：（b） 多次测量的结果表达：相对不确定度：其中，由统计方法计算得出，我们的实验中约定多次测量时测量次数n取5次，置信概率P=0.683，取=；由其他方法估计得出。一般地，则：单次测量的标准偏差：平均值的标准偏差：（2） 间接测量结果和不确定度的合成。间接测量量与直接测量量的函数关系：直接测量量x,y,z, 的最佳值为，则间接测量量的最佳值为：直接测量量x, y, z,的不确定度分别为：，间接测量量的