大学物理实验_分光仪调节及三棱镜顶角测定

分光仪的调节及三棱镜顶角的测定 实验简介 分光仪是一种能精确测量角度的典型光学仪器 常用来测量折射率 光波波长 色散率和观测光谱等 由于该装置比较精密 操纵控制部件较多而复杂 故使用时必须按一定的规则严格调整 方能获得较高精度的测量结果 对于初学者来说 往往会遇到一些困难 但只要在调整 实验过程中 明确调整要求 注意观察现象 并努力运用已有的理论知识去分析 指导操作 一般是能够掌握的 实验目的 1 了解光学测角仪的主要构造 正确掌握调整光学测角仪的要求和方法 2 测定三棱镜的顶角 观察三棱镜对汞灯的色散现象 实验原理 三棱镜如右图所示 AB和AC是透光的光学表面 又称折射面 其夹角称为三棱镜的顶角 BC为毛玻璃面 称为三棱镜的底面 1 自准法测量三棱镜的顶角 右图是自准法测量三棱镜顶角的示意图 利用望远镜自身产生平行光 固定望远镜 转动小平台 先使棱镜AB面反射的十字像落在分划板上 准线上部的交点上 即望远镜光轴与三棱镜AB面垂直 记下刻度盘对称游标的方位角读数 1 2 然后再转动小平台使AC面反射的十字像与 准线的上交点重合 即望远镜光轴与AC面垂直 记下读数 注意 与为同一游标读得的望远镜方位角 而 2与 则为另一游标上读得的方位角 两次读数相减即得顶角的补角 180 可以证明 2 反射法测量三棱镜的顶角 右图是反射法测量三棱镜顶角的示意图 将三棱镜放在截物台上 使平行光管射出的光束投射到棱镜的两个折射面上 从棱镜左面反射的光可将望远镜转至处观察 使用望远镜微调螺丝使 准线的中心垂直线对准反射狭缝像 从两个游标上读出方位角读数和 再将望远镜转至处观测从棱镜右面反射的狭缝像 又可分别读得方位角和 由图可以证明三棱镜的顶角 实验仪器 分光仪双面镜低压汞灯 连镇流器 三棱镜照明小灯等 光学测角仪简介 载物台 平行光管 望远镜 读数装置 准线 目视镜场 透光窗 目镜 分划板 小棱镜 小电珠 物镜 1 自准直望远镜 阿贝式 部分 阿贝式自准望远镜由目镜 分划板及物镜三部份组成 分划板上刻的是 形准线 在边上粘有一块45 全反射小棱镜 其表面上涂有一层不透明薄膜 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中所示的景象 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 使分划板位于物镜的焦平面上时 小电珠发出透过空心十字窗的光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 若平面镜面与望远镜光轴垂直 此象将落在 准线上部的交叉点上 如下图所示 反射像 平面镜 自准直望远镜光路图 2 平行光管部份 平行光管的一端装有会聚透镜 另一端内插入一套筒 其末端为一宽度可调的狭缝 如下图所示 当狭缝位于透镜的焦平面上时 能使照在狭缝上的光经过透镜后成为平行光 3 载物小平台部份 载物小平台用以放置待测物体 台下有三个调平螺钉a1 a2 a3 可调整平台的水平位置 如下图所示 载物小平台 4 读数装置部份 读数装置由刻度圆盘和沿园盘边相隔180 对称安置的两个游标T T 组成 如右图所示 刻度圆盘分成360 最小分度为半度 30 小于半度的读数利用游标读出 游标上有30格 故游标上的读数单位为1 角游标读数方法与一般游标相同 如下图所示的位置 先读出游标0刻线左边所指刻度盘的度数 必须注意是否超过半刻度线 再读出游标上第几根线与刻度盘刻线对准 然后将二次所读的数相加即可 上图中先读出87 30 再读出15 两者相加即 87 30 15 87 45 两个游标对称放置是为了消除刻度盘中心与分光计中心轴线之间的偏心差 测量时要同时记下两游标所示的读数 实验内容 一 分光仪的调节1 目测粗调为了准确测出角度 根据分光仪的工作条件 调整望远镜和平行光管光轴与光学测角仪中心轴严格垂直 一般可以先用目测法进行粗调 首先调整望远镜光轴水平方位调节螺钉使望远镜光轴对准分光仪中心轴 调整平行光管光轴水平方位调节螺钉使平行光管光轴对准分光仪中心轴 接看调整望远镜和平行光管的仰角调节螺钉 使望远镜和平行光管呈水平状态 最后调整载物台三只调平螺钉 使载物台上台面与固定座四周间隙相等 2 用自准法调整望远镜 1 点亮照明小灯 转动目镜并调节目镜与分划板间的距离 直至看清分划板上的 准线 和带有绿色的小十字窗口 2 将双面镜按图示方法置于载物台上 双面镜平面与B1 B3连线垂直 B1 B2 B3是载物台下三只调平螺钉 H是插销 从侧面观察 眼睛与望远镜中心轴等高 如果从双面镜正 反两面均能观察到完整的亮十字反射像 则说明双面镜正 反两面反射的亮十字光线能进入望远镜 3 三棱镜的放置与调整 将三棱镜按右图所示放置 光学面AB与B1 B2螺钉连线垂直 由于三棱镜是等边三角形 而螺钉B1 B2 B3连线也是等边三角形 所以AC光学面与B2 B3螺钉连线垂直 三棱镜是被测量对象 在加工时侧面与底面的垂直度存在误差 所以还需进一步对三棱镜进行调整 从图中可以看出 当望远镜对准AB光学面用自准法调整时 B1 B2螺钉起作用 而调整AC光学面时 则B2 B3螺钉起作用 这时B2是对AB光学面与AC光学面均起作用的调节螺钉 在调整时这个螺钉B2不参与调整 所以用自准法调整三棱镜时 调整AB光学面时调整B1螺钉 使十字反射像中心与 准线上交点重合 而调整AC光学面时则调整B3螺钉 这时望远镜的仰角调节螺钉固定不动 由于三棱镜的光学面反射的十字像较淡 必须仔细观察 同时用照明小灯放在三棱镜的后面作为背景光照亮 准线 注意 4 平行光管的调整 二 反射法测量三棱镜顶角1 三棱镜的放置 在三棱镜放置前 先调整游标盘使左右游标T T 分别在平行光管的两边 然后锁紧游标盘止动螺钉 固定游标盘 如右图所示载物台平面有三条互成120 的等分线a b c 松开载物台锁紧螺钉 使其中一条等分线a对准平行光管轴线 插销H在右上角 拧紧载物台锁紧螺钉 三棱镜顶角A放在载物台中心 棱镜光学面AB AC分别与等分线b c夹角相等 然后转动望远镜对准等分线B C时 即可在此附近找到狭缝的像 同时拧紧左下角分度盘锁紧螺钉 H 2 用反射法在 二个位置测量数据时 一定要使狭缝像与目镜中垂直义丝相平行 当望远镜对准狭缝像时 拧紧望远镜止动螺钉 然后利用望远镜的微调装置使义丝位于狭缝像的中央 从左 右游标上读取数据 望远镜从位置 转到位置 时 所转过的角度是同一游标两次方位角读数之差 3 本实验系多次测量 要求至少测量三组数据 每次测完一组数据后 松开左下角分度盘锁紧螺钉 使分度盘转过一个角度 再拧紧刻度盘锁紧螺钉 然后进行第二次测量 这样可以使每组数据不同 避免一次读错 重复错误 4 在测读过程中 由于望远镜可能处在任何方位 故必须注意望远镜转动过程中是否越过了刻度盘的零点 如越过了刻度零点 则必须按式 360 i i 来计算望远镜转角 5 数据记录表格 注意事项 1 同学进入实验室先不要盲目乱动仪器 要在教师的指导下 有目的的进行分光仪调整 2 平面镜及三棱镜系光学元件 光学表面不能用手触摸 如发现有灰尘或污斑可用擦镜纸揩拭 3 转动望远镜时应用手扶住望远镜托架转动 不能用手直接抓住自准目镜转动望远镜 4 实验桌上每一位同学有一抽屉 书包及其他无关物品均应放在抽屉内 5 在调整过程中 三棱镜如从分光计上拿下来 应放在棱镜盒内 以免不慎碰落地上 敲碎棱镜 如发生棱镜敲碎事件 教师应责成该同学写检查 并酌情赔偿 6 实验完毕 教师安排同学整理仪器和打扫卫生 预习思考题 1 请正确读出下列圆游标所指出的读数 2 三棱镜按下图放置在载物台上 在调整三棱镜光学面AB AC时 请指出载物台下三只调平螺钉B1 B2 B3哪一只螺钉不参与调整 3 分光仪由哪几个主要部件组成 它们的作