大学物理实验分光计实验报告

1、分光计法测光栅常数3.7分光计的调节及光栅常数的测定分光计又称光学测角仪，是一种分光测角光学实验仪器。它常用来测量折射率、色散 率、光波波长、光栅常数和观测光谱等。分光计是一种具有代表性的基本光学仪器，学好 分光计的调整和使用，可为今后使用其他精密光学仪器打下良好基础。3.7.1分光计的调节【实验目的】了解分光计的结构和基本原理，学习调整和使用方法。【分光计的结构和原理】分光计主要由五个部分构成：底座、平行光管、自准直望远镜、载物台和读数装置。 不同型号分光计的光学原理基本相同。JJY型分光计如图3-7-1所示。31 291120121916171314 1518(back)图3-7-1 JJ

2、Y型分光计1 狭缝装置 2 狭缝装置锁紧螺钉 3 平行光管 4元件夹 5 望远镜 6 .目镜锁紧螺钉 7 阿贝 式自准直目镜 8狭缝宽度调节旋钮9平行光管光轴高低调节螺钉10.平行光管光轴水平调节螺钉11.游标盘止动螺钉 12.游标盘微调螺钉 13.载物台调平螺钉（3只）14.度盘15.游标盘 16.度 盘止动螺钉 17.底座 18.望远镜止动螺钉 19.载物台止动螺钉 20.望远镜微调螺钉 21 .望远镜 光轴水平调节螺钉 22 望远镜光轴高低调节螺钉 23 .目镜视度调节手轮1. 底座分光计底座（17）中心固定有一中心轴，望远镜、度盘和游标盘套在中心轴上，可绕中心轴旋转。2. 平行光管平行

3、光管安装在固定立柱上，它的作用是产生平行光。平行光管由狭缝和透镜组成，如图3-7-2。狭缝宽度可调（范围 0.022mm）,透镜与狭缝间距可以通过伸缩狭缝筒进行调节。当狭缝位于透镜焦平面上时，由狭缝经过透镜出射的光为平行光。3 .自准直望远镜阿贝式自准直望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起并套装在度盘上。它用来 观察和确定光线行进方向。自准直望远镜由物镜、目镜、分划板等组成（如图3-7-3）,三者间距可调。其中，分划板上刻有“”形叉丝；分划板下方与一块450全反射小棱镜的直角面相贴，直角面上涂有不透明薄膜，薄膜上划有一个“十”形透光的窗口，当小电珠光 从管侧经另一直角面入射到棱镜上，即照亮

4、“十”字窗口。调节目镜，使目镜视场中出现 清晰的“ 一卜”形叉丝。在物镜前方放置一平面镜，然后调节物镜，使分划板位于物境焦平 面上，那么从棱镜“十”字口发出的绿光经物镜后成为平行光射向前方平面境，其反射光 又经物镜成像于分划板上。这时，从目镜中可以看到清晰的“：”形叉丝和绿色“十”字像。此时望远镜已调焦至无穷远，适合观察平行光了。如果平面境的法线与望远镜光轴方 向一致，则绿色“十”字像位于分划板“：”形叉丝的上横线上，如图3-7-3中的视场。2图3-7-3阿贝式自准直望远镜的构造1.平面镜 2 .物镜 3.分化板4.小电珠 5 .小棱镜 6.目镜7.目镜视场 8 绿十字反射镜4.载物台载物台套

5、装在游标盘上，可以绕中心轴转动，它用来放置光学元件。载物台的高低、水平状态可调。5.读数装置读数装置由度盘和游标盘组成。度盘圆周被分为720份，分度值为30, 30以下需用游标来读数。游标盘采用相隔180o的双窗口读数；游标上的30格与度盘上的29格角度相等, 故游标的最小分度值为 1,图3-7-4所示的位置应读作113045。图3-7-4角游标的读法采用双游标读数，是为了消除度盘中心与仪器中心轴不重合而引起的偏心差。测量时 记录下两个窗口读数然后取平均值即可。如图3-7-5所示，当度盘中心O与分光计中心轴O不重合时，转过角度 所对应游标数PO 和PQ均不等于OO重合时转过:角所对应正确读数M

6、 N 和MN(M N： =MN),但根据平面几何知识很容易证明：1(PQ PQ) =M N#MN，采用双游标可使偏心差得以消除。图3-7-5偏心差图示【实验步骤】在进行分光计的调节前，首先应明确对分光计的调节要求：望远镜适合观察平行光， 或称望远镜聚焦于无穷远；平行光管能发射平行光；望远镜和平行光管的光轴均与分 光计中心轴正交。然后对照仪器熟悉结构和各调节螺钉的作用。一、目测粗调用眼睛直接观察，调节望远镜和平行光管的光轴高低调节螺钉(22和9)，使两者的光轴尽量呈水平状态；调节载物台下三只调平螺钉 13,使载物台呈水平状态。粗调完成得好， 可以减少后面细调的盲目性，使实验顺利进行。二、细调1

7、调节望远镜合适观察平行光(1) 目镜的调焦。调节目镜视度调节手轮23,使视场中能看到分划板上清晰的-形叉丝像。(2 )接通望远镜灯源，把平面镜按图3-7-6所示位置放在载物台上，缓慢转动载物台，从望远镜中可见一光斑，若找不到说明粗调未调好，这时可用眼睛观察平面镜，找到反射 光束，调节载物台和望远镜光轴位置，使望远镜能接收到反射光束，从目镜视场中看到光 斑。(3)望远镜的调焦。松开目镜锁紧螺钉 6,前后移动目镜筒，当光斑变为清晰的绿 十” 字像，并且与分划板“ ”形叉丝无视差时，望远镜已调焦至无穷远，适合观察平行光了。2.调节望远镜光轴垂直于分光计中心轴转动载物台180 0,观察视场中有无绿“十

8、”字像，若没有则应适当调节载物台水平和 望远镜光轴的高低，直至任意转动载物台1800均能在望远镜中看到经平面镜正、反两面反射的绿“十”字像。从前面分光计的调节原理知道，当望远镜光轴垂直于分光计中心轴时，经平面镜正、反两面反射的“十”字像均应重合在分划板“4-”叉丝的上的横丝上（如图 3-7-7所示）。在一般情况下，视场中看到两面绿“十”字像并不重合，需要继续仔细配合调节载物台和 望远镜。可先调载物台调平螺钉（a2或a3）使绿“十”字像到“”形叉丝上横丝距离减少一半；再调望远镜光轴的俯仰调节螺钉使绿“十”字像与上横丝重合。然后转动载物台 1800，重复上面调节步骤，反复几次即可调好。此后望远镜光

9、轴高低调节螺钉不可再动。3. 调节载物平台法线与分光计中心轴平行将平面镜相对载物台转动 900,然后转动载物台900,调平台调平螺钉$使平面镜反射 的绿“十”字像与“：”形叉丝上横形重合。4. 调节平行光管能发射平行光关闭望远镜灯源，点燃光源使光照亮平行光管狭缝。用已调好的望远镜对准平行光管 观察，松开狭缝装置锁紧螺钉2,前后移动狭缝套筒，使望远镜中看到清晰的狭缝像，并且与叉丝无视差，此时平行光管发出平行光；调节狭缝宽度调节手轮8,从望远镜中观察到缝宽约1mm左右。5. 调节平行光管光轴垂直于分光计中心轴松开狭缝装置锁紧螺钉 2,转动狭缝成水平状态，调节平行光管光轴高低调节螺钉9,使望远镜中看

10、到狭缝像的缝宽被分划板中央横丝上下平分（如图3-7-8所示），再转动狭缝90o成竖直状态，狭缝被中央横丝上下平分。此时，平行光管光轴与分光计中心轴垂直。在 调节过程中应始终保持狭缝像清晰。图 3-7-83.7.2光栅常数的测定衍射光栅是由大量平行、等宽、等距的狭缝（或刻痕）构成，常分为透射光栅和反射 光栅，是一种精密的分光元件。【实验目的】（1）观察光栅衍射现象，理解光栅衍射基本规律。（2）学会用分光计测光栅常数。【实验原理】设透射光栅的缝宽为 a，不透光部分宽度为 b，（a bd称为光栅常数。当单色平 行光垂直入射到衍射光栅上，通过每个缝的光都将发生衍射，不同缝的光彼此干涉，当衍 射角满足光

11、栅方程d sin 二k k=0,_1,_2,（3-7 -1）时，光波加强，产生主极大。若在光栅后加一会聚透镜，则在其焦平面上形成分隔开的对 称分布的细锐明条纹（见图 *-9 ）。6(a)(b)1 光栅2 透镜3 光强分布图光栅衍射条纹图 3-7-9光栅衍射原理图在式（3-7-1 ）中，为单色光波长，k是明条纹级数。如果光源是包含有不冋波长光波的复色光，经光栅衍射后，对不同波长的光,除零级外，由于同一级主极大有不同的衍射角:，因此在零级主极大两边出现对称分布、按波长次序排列的谱线，称为光栅光谱。根据光栅方程，若以已知波长的单色平行光垂直入射，只要测出对应级次条纹的衍射角，即可求出光栅常数 d。同

12、样，若d已知，即可求得入射光波长 o【实验仪器】分光计（JJY型），衍射光栅，光源（钠光灯）【实验内容】（1）按练习一的要求调节好分光计。（2）将衍射光栅放在载物台上（按图 3-7-6中平面镜位置）。（3）调节光栅平面与望远镜光轴垂直。接通望远镜灯源，仔细观察被光栅平面反射的“十”字像，调节载物台调平螺钉 a2或a3，使“十”字像与分划板“ ”形叉形上横丝重 合。（4）调节光栅的刻痕线平行于分光计中心轴。转动望远镜，观察衍射条纹，仔细调节载物台调平螺钉a1，使视场中见到的各级亮纹都被分化板中央横丝上下等分。（5）测量衍射角 （本实验中测量左右 k级条纹的夹角即2歸），固定游标盘和载物台，推动支

13、臂使望远镜和度盘一起转动，将望远镜分划板竖直线移至左边第三级条纹外，然后向右推动支臂使分划板竖直线靠近第三级明纹的左边缘（或右边缘），利用望远镜微调螺钉（20）使条纹边缘与分划板竖线严格对准，记录此时游标盘左、右窗读数a3和-3，继续向右移动望远镜依次记录左边第二级、第一级明纹读数:-k和-k以及右边一、二、三级明纹读数k和各级条纹都以对准左边缘（或右边缘）时读数。【数据处理】（1） 按下式计算第k级衍射角 匚： =-（a -k）43 _厂dk（2）按式（3-7-1）计算：dkd =sin 屮k3(3)计算光栅常数d的标准不确定度u(d):简化处理，以k=1时的u(dj近似表示。衍射角测量的仪器误差限：=仪-1 - 2.908 10，弧度，u( )1.679 弧度V3忽略的不确定度COS小u(di)2 .u(-i)sin粘di的扩展不确定度U =2u(dJ(4)写出结果表达式：d_U谱线 d1D2(内测线九小=588.996nmD 2D1 (外侧线)九 d =589.593nm级K1212游标标记日Di 土左游标日D2 土右游标左游标1日f七D?厶右游标左游标& Dd右游标左游标& D32右游标右侧明纹日丄Di*244 1264 00218 5038 46244 1164 02218 4638 41左侧明纹285 39105 08309 15129 1