分光计的调节和掠入射法测量折射率.doc

1200017630韩博伦分光计的调节和掠入射法测量折射率实验目的1. 了解分光计的结构、作用和工作原理。2. 掌握分光计的调节要求、方法和使用规范。3. 用分光计测定三棱镜的定焦。4. 用掠入射法测定三棱镜的折射率。5. 用最小偏向角法测定物质的折射率。6. 测定玻璃材料的色散曲线。实验仪器分光计，玻璃三棱镜，钠灯，水银灯，He-Ne激光器，平面镜，毛玻璃，放大镜。实验原理掠入射法测折射率用波长的单色扩展光源照射到顶角A的玻璃三棱镜的AB面上，以角i入射的光线经过三棱镜的两次折射后，从AC面以角射出，则由折射定律得：n0sini=nsinrnsinr=n0sin其中n0和n分别是空气和玻璃的折射率，一般取n0=1。由几何关系可得r+r=A因此n=1sinAsin2isin2A+sinicosA+sin2当光线以90角入射的时候，则有sini=1，此时的出射角最小，称之为极限角，因此上述公式简化为n=1+cosA+sinsinA2测量极限角的时候使用的是拓展光源，实验时在光源和棱镜之间放置一块毛玻璃，调整玻璃三棱镜AB面和光源的相对位置，使大于90的角i入射的光线不能进入玻璃三棱镜，在AC面形成暗纹；小于90的入射光线则可以从玻璃三棱镜AC面出射，形成亮纹。其交接处就是极限角的位置.最小偏向角法测定折射率一束平行单色光a以入射角i1投射到棱镜的AB面上，经过棱镜两次折射后以角i4从另一面AC射出来，成为光线t。经过棱镜两次折射，光线传播方向总的变化可用入射光线和出射光线延长线的夹角来表示，叫做偏向角。=i1+i4-A通过微分计算可以证明，当入射光线和出射光线对称的在棱镜两侧时，偏向叫有最小值，叫做最小偏向角，用m表示。此时又i2=A2,i1=A+m2，故n=sinA+m2sinA2测定玻璃材料的色散曲线由于折射率n是光波波长的函数，所以在不同波长的单色光波下，测定玻璃三棱镜对应改单色光波的最小偏向角，计算对应的折射率n值，可以得到表示折射率n与波长的关系的色散曲线。通常用色散率表征材料折射率随波长变化的程度。当广播波长增加时材料折射率n和色散率都减小时，这样的色散现象称为正常色散现象，反之称为反常色散现象。根据经典的电子论，即经典电偶振子受迫震动模型能够解释实验观测的色散现象，依据这种模型可以推导出描述正常色散现象的柯西经验公式n=A+B2+C4其中A，B和C是表征材料的特性的常量，而对应的色散率=dnd=-2B3-4C5实验内容调节分光镜1. 粗调:用肉眼估计，调节望远镜、平行光管的水平方向或垂直方向的调节螺钉，使望远镜、平行光管的光轴通过转轴中心共轴，并处于水平状态。调节载物平台下的三个调节螺钉，使小平台大致称为水平面，然后固定在舞台紧缩螺钉，使游标盘与载物台固连。扭紧螺钉，使刻度盘与望远镜固连。2. 自准直法：旋转调节望远镜目镜，使分划板上的刻线最清晰。 把平面镜放在载物台上，通过缓慢转动游标盘，在望远镜视野内找到量的十字反射像，前后移动望远镜套管，直到亮十字反射像看清楚，调节这个反射像与分划板上刻线之间无视差。这时望远镜已经聚焦于无穷远。3. 调节望远镜光轴垂直于仪器转轴：调节的目的是使望远镜光轴与圆刻度盘平行，从而可从刻度盘准确读出望远镜光轴的角坐标。借助平面镜调节将十字反射像调到刻线的上刻线MN上。调节时采用“逐步逼近法”，即先调节小平台的调节螺钉，把亮十字像移动到离MN线近一些，然后再调节望远镜的仰角螺丝，使得亮十字像移动到MN线上。转动游标圆盘使平面转过180，再按照上述方法调节，反复多次，逐渐逼近，直到平面镜转动180前后都垂直，这样平面镜平行于仪器转轴，望远镜光轴垂直于一起转轴。此后不再变动望远镜的仰角调节螺钉。4. 调节平行光管产生平行光：整体移动分光计，使平行光管狭缝正对钠光灯，再把已聚焦无穷远的望远镜正对平行光管，在目镜视场内看到狭缝像。使狭缝套管沿光轴移动即调焦，直到狭缝平面位于平行光管透镜的焦面上，这时平行光管产生平行光，在望远镜目镜中能看到清晰狭缝像，再使它与分划板的刻线之间无视差，把狭缝像调到和刻线PP平行。调节狭缝宽度，使像大小合适。调节平行光管的仰角，在望远镜目镜视场中，看到狭缝像在刻线的中央横线上上下对称。此时平行光管光轴与望远镜光轴平行，即平行光管光轴与一起转轴垂直。测定玻璃三棱镜顶角转动望远镜，先使望远镜光轴与棱镜AB面垂直，记下此时左右游标的度数11。然后转动望远镜，使其光轴与AC面垂直，记下两边游标对数22。两次度数相减便得到了A的补角=122+2-1-1A=180-重复调节AB和AC表面反射像与MN线重合，测量3次A的平均值，数据如下测量次数1231233533100347351203391510416740232334305947302143402105822739A600059565957A=5958误差分析：随机误差A=i=1nAi-A26=15加入允差后总误差A=A2+1432=135A=5958135用掠入射发测定三棱镜的折射率1. 整体移动分光镜或刻度圆盘，使钠光灯大体处于AB光学面的延长线上，并在B点略垂直于AB面的方位置一片毛玻璃作为拓展光源。这时用眼睛在出射光方向AC面找到一条明暗分界线，再将望远镜转至该方向，从望远镜中找到这条明暗分界线。2. 将望远镜PP线对准明暗分界线，记下左右游标度数33。3. 转动望远镜至AC面的法线方向，记下游标度数44，从而可得光线掠入射时的出射极限角从而计算得到折射率nx=123+3-4-44. 重复3次上述步骤，求出nx的平均值nx数据如下实验次数1233636435640318629184421864441450714316145164325023231432512412341244128n1.67341.67351.6744=4125,n=1.6738误差分析：的误差:随机误差=i=1ni-26=135加入仪器允差后的误差=2+1432=158n的误差：n=nAA2+n26=-1.4243*0.0004622+0.69469*0.0005722=0.00031综上，n=1.67380.00031最小偏向角法测量折射率1. 用水银灯通过平行光管狭缝照射三棱镜AB光学面，用肉眼找到出射方向的狭缝像，在将望远镜移动到眼睛所在位置，找到水印光谱。2. 稍稍转动游标盘以改变入射角i1，使得谱线向减小偏向角的方向移动，并转动望远镜跟踪谱线，直到谱线不在向前移动而向相反方向移动时停止。对应的转折点就是该谱线的最小偏向角。3. 将望远镜中的竖直线移动到最小偏向角的位置上与该谱线重合，微调游标盘，使得棱镜微小转动，准确找出绿色谱线反方向移动的确切位置。记录左右游标读数55。4. 转动望远镜对着入射光，使其PP线与白色狭缝重合，记下左右游标度数66m=126+6-5-55. 重复三次，求出的平均值再由公式计算n值数据如下：实验次数123516300255657305342572055923733628859151553246108403314918329m549546545n1.67931.67881.6787m=547,n=1.6789误差分析：m的误差：随机误差m=i=1nmi-m26=115加入测量允差后m=m2+1432=142n的误差:n=nAA2+nmm26=-0.910660.0004622+0.544410.000496826=0.000204n=1.67890.00020测定玻璃材料的色散曲线在上述实验的基础上，分别测定不同波长下的最小偏向角，计算相对应的折射率，数据如下实验次数123/nm 404.68546.07576.965590657305711523906237332371363243243246183291832918329m554054055346n1.69351.67871.6756其方程为n=-1.1310274+1.6010-142+1.64对应的色散率为=4.5210273-4.8010-142思考题1. 如果目镜中的十字反射像的轨迹不与MN线平行，则说明载物盘并没有水平放置，这对于后续测量将会造成影响。调节方式是，如果轨迹的斜率为正，则载物台前段向上倾斜，应该降低前段的高度；反之如果斜率为负，则应该提升前段的高度。2. 调节望远镜和转轴垂直后，望远镜的仰角应该不再改变，望远镜固连的螺钉不再动。载物台的螺钉可以改变。平行光管上的螺钉可以动3. 合适指的是既能够将望远镜中的十字像反射回来，又不会将平行光管的平行光完全挡住。这样可以在不改变棱镜的位置的情况下测量平行光管对应的角度。4. 可以，如果AB面和AC面都已经垂直，说明载物盘已经和PP线垂直，将三棱镜移动后，理论上AB面和AC面仍然可以和望远镜保持垂直关系。5. 望远镜和平行光管的微调螺钉分别用来调节使望远镜和平行光管的光轴通过载物台转轴。在望远镜和平行光管正对的时候，如果平行光管狭缝所成的像不能够落在PP线上，则通过调节微调螺钉使得像回到PP线上。保护微调旋钮可以同时使用两个微调旋钮来分担调节量。6. 如果误动了仰角螺丝，在垂直的时候十字像将不会回到MN线上，但仍然能够在PP线上，所以仍然可以继续测量；如果误动的小平台下的螺钉，则需要重新调节平台，重新测量数据。7. 如果十字的像和物在同一平面上，则十字像将会最清晰。即前后调节望远镜，十字相都会变模糊的位置就是十字的像和物在同一平面上时望远镜的位置。如果十字线在观察者的前方，则需要将望远镜向前移动，直到十字像清晰的出现在刻画板上。8. 将BC面与一条中心连向螺钉的线平行放置。9. a) 平面镜并不平行于转轴b) 望远镜也不平行于转轴。c) 调节方法：先调节平面镜与转轴平行，平面镜与望远镜垂直时，将十字像的位置记下，将平面镜转动180后，调节载物托盘，将像移动到原来的位置，这是平面镜与转轴平行。此时再移动望远镜仰角旋钮，将反射像移动到MN线上，此时望远镜与转轴平行。10. 条件：拓展光源作为入射光