分光计的调节和三棱镜的测量(指导书)Word版

1、传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！上 海 电 力 学 院物理实验指导书 所属课程： 大学物理实验 实验名称： 分光计的调节和三棱镜的测量 面向专业： 全院理工科 实验室名称：物理实验室 2006年 2 月传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！一、实验目的：1. 了解分光计的原理和构造，学会调节分光计。2. 测定三棱镜的顶角和折射率。二、实验仪器：分光计，汞灯，三棱镜，光学平行板。三、分光计的结构和调节原理：1、分光计的结构光线入射到光学元件(如平面镜、三棱镜、光栅)上，会发生反射、折射或衍射。分光计是用来精确测量入射光和出射光之间偏转角度的一种仪器。要测准入

2、射光与出射光之间的偏转角，分光计在结构原理上心须满足两个条件：(1)入射光与出射光均为平行光束；(2)入射光和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。为此，分光计上装有能产生平行光的平行光管，能接受平行光的望远镜，以及能承载光学元件的小平台，这三者的方位都能利用各自的调节螺钉作适当的调整。为了测出角度，还配有可与望远镜联结在一起的刻度盘。分光计的结构如图1-1所示，下面介绍各主要部件。图1-1 分光计的结构1-狭缝 2-狭缝锁紧螺钉 3-平行光管 4-制动架(二) 5-载物台 6-载物台调平螺钉7-载物台锁紧螺钉 8-望远镜 9-目镜锁紧螺钉 10-阿贝式自准目镜 11-目

3、镜调焦手轮12-望远镜俯仰调节螺钉 13-望远镜水平调节螺钉 14-装望远镜的支臂 15-望远镜微调螺钉16-转座与度盘止动螺钉 17-望远镜与主轴止动螺钉 18-制动架(一) 19-平行光管准直镜20-压片 21-刻度盘 22-游标盘 23-装平行光管的立柱 24-游标盘微调螺钉25-游标盘止动螺钉 26-平行光管水平调节螺钉 27-平行光管俯仰调节螺钉 28-狭缝调节手轮11、平行光管它由一个宽度可以调节的狭缝1和一个正透镜19组成。当狭缝位于透镜的焦平面上时，从狭缝进入准直管的某一波长的光，通过透镜后即成为平行光。整个平行光管安装在与底座相联结的立柱23上。平行光管光轴的水平方位可以通过

4、立柱上的调节螺钉26进行微调，其垂直倾斜度可用螺钉27来调节。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！12、望远镜其详细结构如图1-2所示。它由物镜E和阿贝目镜系统AB组成。阿贝目镜系统内装有玻璃分划板T和一个具有与光轴成45反光面的玻璃棱镜D。在图1-2 望远镜的结构其一端装有目镜C。目镜可在镜筒内移动以改变分划板与目镜的相对位置，达到调焦(看清十字叉丝)的目的。整个目镜系统又可在望远镜筒内移动，以调整物镜和目镜系统的相对位置，使被观测对象准确地成像于分划板面上。在照明器内装有小灯泡S，由S发出的光经毛玻璃散射均匀后再经棱镜D反射以照亮十字叉丝。阿贝式自准望远镜安装在支臂上，支

5、臂与转座固定在一起，套在刻度盘21的轴上。当松开止动螺钉16时，望远镜与刻度盘可以相对转动；拧紧16时，两者即一起转动。望远镜光轴方位可以用水平调节螺钉13和竖直调节螺钉12来调节。望远镜的作用是把从平行光管发出的平行光束聚焦在物镜的焦平面上以形成狭缝的像，再通过目镜进行观察。13、读数系统和载物台游标盘22及可随望远镜一起转动的刻度盘21组成读数系统。刻度盘上有720条等分刻线，每格为 图1-3 读数系统30。游标盘的对径方向刻有两个圆游标尺，利用游标可以准确读到1(见图1-3)。测量时，读出两个游标所对应的数值，取其平均，可以消除偏心误差(证明见“附录A”)。为使测量准确，还设有望远镜制动

6、架微调装置(亦即刻度盘微调装置)。它由制动架(一)18与主轴间的止动螺钉17和调节螺钉15组成。拧紧止动螺钉，转动调节螺钉，即可对望远镜进行微调，使测量目标对准分划板上的中心竖线。载物台5套在游标盘的主轴上，可绕轴旋转。拧紧制动架(二)4与游标盘的止动螺钉25，再转动螺钉24，即可对游标盘(连同载物台)进行微调。载物台的作用是放置被测物体或色散元件，它由下面三个小螺栓6调节其水平。用螺钉7可把载物台固定在中心轴的不同高度上。载物台上附有压片20可以固定被载物体。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！二、分光计的调节:为了精确测量，分光计必须进行调节。调节分光计的要求是：(1)平

7、行光管发出平行光；(2)望远镜接收平行光(即聚焦无限远)；(3)平行光管和望远镜的光轴与仪器的转轴垂直。下面我们就如何达到以上三点要求来介绍分光计的调节。1粗调为了达到上述要求，可先用目视法进行粗调，使望远镜和平行光管的光轴及载物台面大致垂直于中心转轴。2光学平行板的放置在载物台上放上光学平行板，为了便于调节，使光学平行板放置于载物台任意两螺钉(如螺钉b和c)的中垂线上，如图1-4所示。3望远镜的调焦首先点亮目镜中的小灯(把从专用变压器输出的63V望远镜调焦电源插头插到底座的插座上，把目镜照明器上的插头插到转座的插座上)，调节目镜(即转动目镜调焦手轮11)与分划板上叉丝的距离，使图1-4 光学

8、平行板的放置从目镜中能清晰地看到叉丝，这时叉丝就位于目镜的焦平面上，但并不一定位于物镜的焦平面上，我们的目的就是要通过对阿贝目镜的调节，使叉丝同时位于目镜和物镜的焦平面上。为此，目镜中的光源照亮反射小三棱镜，光线经小三棱镜将叉丝下半部照亮 (由目镜望去，在目镜的下半部有一绿色亮方块，中间有一小的黑十字叉丝)，这时此小的黑十字叉丝就成了新的光源。如果叉丝位于物镜的焦平面上，则从它发出的光经物镜后将平行入射到光学平行板，再经平行板反射回到物镜的光仍为平行光，所以它们又在其焦平面上会聚，从而产生传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！“绿色十字叉丝”清晰的像。但在实际上，往往叉丝并不恰

9、好位于物镜的焦平面上，这时通过目镜只能清楚看到叉丝本身，而它的像是模糊的。此模糊的像对初学者是不易辨认的，所以在此提出鉴别的方法。当望远镜光轴平行于光学平行板法线时(目测)，将望远镜左右作微小的缓慢移动，如果发现有随望远镜转动而作相反方向转动的模糊绿色亮团，该亮团就是叉丝像。找到此模糊像以后，旋松目镜锁紧螺钉9，前后移动目镜套筒，以便同时清晰地看到叉丝本身及其像，并注意叉丝与其像之间有无视差。若有视差，则需反复调节，予以消除。将螺钉9再旋紧。至此望远镜已调焦完毕，望无镜聚焦于无限远，接受平行光便能聚焦于叉丝平面上。4使望远镜光轴与分光计的中心轴垂直在上面虽然清晰地看到叉丝和它的像，但一般地说，

10、绿色亮十字叉丝并不与分划板上方的十字叉丝(调整用叉丝)重合，这一情况说明望远镜光轴与分光计中心轴并不垂直。为此需作进一步调节。我们采用各半调节的方法来调节。若从望远镜中看到绿色叉丝的交点与分划板上方的十字叉丝交点在高低方向相差一段距离，则调节望远镜的倾斜度，即调节螺钉12使差距减少一半，再调节载物台下螺钉，如图1-4所示放置的光学平行板，可以调节载物台下螺钉c或b(只需调节其中之一，能否调节a?)消除另一半差距，使分划板上方的十字的交点和绿色叉丝的像的交点重合。然后将载物台旋转180，使望远镜对准光学平行板的另一面，用同样方法调节。如此重复调节数次，直至转动载物台时，从光学平行板两个表面反射回

11、来的像(绿色叉丝)与分划板上方十字叉丝完全重合为止。至此望远镜已全部调整完毕。在实验中，不可再动望远镜。当然，上述的调节只能保证望远镜的光轴垂直于分光计的转轴，而不能保证望远镜的光轴与载物平台的法线方向垂直。为此只需将光学平行板旋转90，使光学平行板与螺钉c和b的连线平行，再对螺钉a进行调节(注意：螺钉b和c不要再动了!)。传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！经过上面的调节，只适合望远镜不动的实验。但在我们的实验中，望远镜是要转动的，必须使望远镜的光轴和分光计中心轴处处垂直。为此在上述的基础上将载物平台与望远镜由原位转动90，再重复上述调节。实际上，由于机械加工的精度有限，很

12、可能在两个方向上不能同时得到满意的结果，在此情况下，我们只能调节到一个认为比较满意的结果为止。5平行光管的调节用已调节好的望远镜(聚焦于无限远)作为标准，若平行光管出射的是平行光，则平行光管上狭缝将成像在望远镜的焦平面上，这时狭缝的像与分划板上十字叉丝之间无视差。平行光管的调节方法是：首先用目测估计平行光管光轴大致与望远镜光轴一致，然后调节手轮28使狭缝打开，从望远镜中观察，同时旋松螺钉2，调节狭缝在平行光管中的前后位置，直到看见清楚的狭缝像为止。调节狭缝像宽度在1mm左右(在调节狭缝时，要注意不能将狭缝闭合，以免损坏刀口)，并将螺钉2旋紧。调节螺钉27来调整平行光管轴的上下位置，使狭缝的像与

13、目镜视场的中心对称，这时说明平行光管光轴与望远镜光轴平行，并与分光计中心轴垂直，至此分光计已基本调好。练习一 测定三棱镜的顶角A一、实验内容和步骤：1、调节三棱镜：要求三棱镜的主截面垂直于分光计的中心转轴。为了便于调节，将三棱镜如图1-4放置，使三棱镜的三个边分别和载物台下三个螺钉a、b、c组成的三角形的三条边垂直。然后转动载物台(不动望远镜)，使AB面对正望远镜，调节a使AB面与望远镜光轴垂直。然后使AC面对正望远镜，调节c来使AC面与望远镜光轴垂直，直到由两侧面(AB和AC，注意BC面是毛面)反射回来的像与分划板上调整用叉丝重合为止，这样三棱镜的主截面与仪器中心转轴已垂直。 2、测量三棱镜

14、的顶角A：方法一：自准法传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！如图1-5，利用望远镜自身产生的平行光，转动望远镜或载物台，使AB面反射的像与分划板上调整用叉丝重合，记下刻度盘上两边的读数和，再转动望远镜或载物台，使AC面反射的像与分划板上调整用叉丝重合，记下读数和，两次读数相减就得顶角A的补角，由此得： (1-1) （1-2）方法二：反射法将三棱镜的顶角A对准平行光管，并使棱镜稍稍后退(不必放在载物台中心，为什么?)。如图1-6，用平行光管射出的平行光照在棱镜的两个折射面上。将望远镜转至AB面，使AB面反射回来的狭缝像与分划板上叉丝重合，记下读数，。然后将望远镜转至AC面，使A

15、C面反射回来的狭缝像与分划板上叉丝也重合，记下读数，则棱镜的顶角 (1-3) 图1-5 游标位置望远镜位置 左游标 右游标1左右2左右3左右传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！二、预习思考题：1、用分光计测量角度之前，需要调节它符合什么要求?答：要求是：(1)平行光管发出平行光；(2)望远镜接收平行光(即聚焦无限远)；(3)平行光管和望远镜的光轴与仪器的转轴垂直。2、 为什么分光计要用两个游标读数?答：测量时，读出两个游标所对应的数值，取其平均，可以消除偏心误差（见附录A）。3、怎样准确找到最小偏向角的位置?答：观察偏向角的变化：用汞灯照亮狭缝，入射到棱镜AB面，按折射定律判

16、断出射光线的出射方向。然后缓慢转动载物台，同时仔细观察谱线的移动情况及偏向角的变化。选择偏向角减小的方向，再缓慢转动载物台，使偏向角逐渐变小。继续沿此方向转动载物台，可以看到诸线移至某一位置后将反向移动，这说明偏向角存在一个最小值，谱线移动方向发生逆转时的偏向角就是最小偏向角min。附录A 圆刻度盘的偏心差用圆刻度盘测量角度时，为了消除圆刻度盘的偏心差，必须由相差为180的两个游标分别读数。我们知道，圆刻度盘是绕仪器主轴转动的，由于仪器制造时不容易做到圆刻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。圆刻度盘上的刻度均匀地刻在圆周上，当圆刻度盘中心与主轴重合时，由相差180的两个游标读出的转角刻度数值相等。而当圆刻度盘偏心时，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1-8所示，用弧AB的刻度读数，则偏大；用弧AB的刻度读数又偏小。由平面几何很容易证明传播优秀Word版文档 ，希望对您有帮助，可双击去除！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刻