大学物理实验-分光计的调整和三棱镜折射率的测定

1、高校物理试验 - 分光计的调整和 三棱镜折射率的测定试验二十 分光计的调整和三棱镜折射率的测定【试验目的】1明白分光计的结构 , 把握调剂和使用 分光计的方法；2明白测定棱镜顶角的方法；3用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折 射率；【试验器材】分光计、钠灯、三棱镜、双面平面镜；【试验原理】分光计是一种常用的光学仪器, 实际上 就是一种精密的测角仪,在几何光学试验 中,主要用来测定棱镜角、 光束的偏向角等,而在物理光学试验中, 加上分光元件（棱镜、光栅）即可作为分光仪器, 用来观看、 测量 光谱线的波长等；下面以同学型分光计（JJY 型）为例,说明它的结构、工作原理 和调剂方法；一、分光计的结构分光计

2、主要由底座、 望远镜、平行光管、图 5-11-1 分光计1- 狭缝装置 2- 狭缝装置锁紧螺钉 3- 平行光管 4- 制动架（一） 5- 载物台 6- 载物台调剂螺钉（3 只）7- 载物台锁紧螺钉 8- 望远镜 9- 目镜锁紧螺钉 10- 分划板 11- 目镜调剂手轮 12- 望远镜仰角调剂螺钉13- 望远镜水平调剂螺钉 14- 望远镜微调螺钉 15- 转座与刻度盘制动螺钉 16- 望远镜制动螺钉 17- 制动架（二） 18- 底座 19- 转座 20- 刻度盘 21- 游标盘 22- 游标盘微调螺钉 23- 游标盘制动螺钉 24- 平行光管水平调剂螺钉 25- 平行光管仰角调剂螺钉 26-

3、狭缝宽度调剂手轮载物平台和刻度圆盘等几部分组成,每部分均有特定的调剂螺钉,图 5-11-1 为 JJY 型分光计的结构外型图；1分光计的底座要求平稳而坚实；在底座的中心固定着中心轴, 望远镜、刻度盘和游标内盘套在中心轴上, 可以绕中心轴旋转；2平行光管固定在底座的立柱上,它是用来产生平行光的； 其一端装有消色差的汇聚透镜, 另一端装有狭缝的圆筒, 狭缝的宽度依据需要可在 0.02 2范畴内调节；3望远镜安装在支臂上,支臂与转座固 定在一起, 套在主刻度盘上, 它是用来观看图 5-11-2 望远镜结构图 5-11-3 分划板1- 物镜 2- 外管 3- 分划板 4- 中管 5- 目镜系统 6-

4、内管 7- 小灯 1-镜面反射像 2- 上 十字线 3- 十字窗目标和确定光线的传播方向； 望远镜由目镜 系统和物镜组成, 为了调剂和测量, 物镜和 目镜之间仍装有分划板,它们分别置于内 管、外管和中管内, 三个管彼此可以相对移 动,也可以用螺钉固定, 如图 5-11-2 所示,在中管的分划板下方紧贴一块 45 0全反射小 棱镜,棱镜与分划板的粘贴部分涂成黑色,仅留一个绿色的小十字窗口, 照明小灯发出 0 的光线从小棱镜的另始终角边入射,从 45 反射面反射到分划板上, 透光部分在分划板 上便形成一个光明的十字窗；4分光计上掌握望远镜和刻度盘转动 的有三套结构,正确运用它们对于测量很重 要,详

5、细如下：（1）望远镜制动和微动机构,图 5-11-1 中的 16、14；（2）分光计游标盘制动和微动掌握机构,图 5-11-1 中的 23、22；（3）望远镜和刻度盘的离合掌握机构,图 5-11-1 中的 15；转动望远镜或移动游标位置时, 都要先 松开相应的制动螺钉； 微调望远镜及游标位置时要先拧紧制动螺钉；要转变刻度盘和望远镜的相对位置时,应先松开它们间的离合掌握螺钉, 调整后再 拧紧； 一般是将刻度盘的 0 0线置于望远镜 下,可以防止在测角度时, 0 0线通过游标引 起的运算上的不便利；5载物平台是一个用以放置平面镜、棱镜、光栅等光学元件的圆形平台, 套在游图 5-11-4 分光计的观

6、测系统标内盘上,可以绕通过平台中心的铅直轴转 动和升降； 当平台和游标盘 （刻度内盘） 一 起转动时,掌握其转动的方式与望远镜一 样,也是粗调和微调两种； 平台下有三个调 节螺钉,可以转变平台台面与铅直轴的倾斜 度；6望远镜和载物平台的相对方位可由刻 0 度盘上的读数确定； 主刻度盘上有 0 0360 的圆刻度, 分度值为30 ；为了提高角度测量 精密度,在内盘上相隔 180 0 设有两个游标,29 游标上有 30 个分格,它和主刻度盘上 个分格相当,因此分度值为 1 ；读数方法与 游标卡尺的游标原理相同（该处称为角游 标）；记录测量数据时,为了排除刻度盘的刻度中心和仪器转动轴之间的偏心差,必

7、需 同时读取两个游标的读数； 安置游标位置要 考虑详细试验情形, 主要留意读数便利, 且 尽可能在测量中刻度盘 0 0 线不通过游标；记录与运算角度时,左右游标分别进 行,防止混淆算错角度；二、分光计的调剂 分光计是在平行光中观看有关现象和 测量角度, 因此应达到以下三个要求： 平行 光管发出平行光； 望远镜能接受平行光； 望 远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴；用分光计进行观测时, 其观测系统基本上应由以下三个平面构成,如图 示；5-11-4 所读值平面： 这是读取数据的平面, 由主 刻度盘和游标盘绕中心转轴旋转时形成的；对每一详细的分光计,读值平面都是固定 的,且和中心主轴垂直；观看平面：

8、由望远镜光轴绕仪器中心转 轴旋转时所形成的； 只有当望远镜光轴与转 轴垂直时, 观看面才是一个平面, 否就,将 形成一个以望远镜光轴为母线的圆锥面；待测光路平面：由平行光管的光轴和经 过待测光学元件（棱镜、光栅等）作用后,所反射、折射和衍射的光线所共同确定的；调剂载物平台下方的三个调剂螺钉,可以将待测光路平面调剂到所需方位；按调剂要求,应将此三个平面调剂成相互平行,否就,测得角度将与实际角度有些差异,即引入系统误差；1调剂望远镜和载物平台（1）目镜调焦 这是为了使眼睛通过目镜能清晰地看 到图 5-11-3 所示分划板上的刻线；调接方 法是把目镜调焦手轮轻轻旋出,或旋进,从 目镜中观看,直到分划

9、板刻线清晰为止；（2）调剂望远镜对平行光聚焦 实质是将分划板调到 物镜焦平面上,调整方法 如下：1）把目镜照明,将 双面平面镜放到载物台 上,为了调剂便利, 平面 境与载物台下三个调剂 螺 钉 的 相 对 位 置 如 图 5-11-5 所示；图 5-11-5 载物台上双面镜放置的俯视 2）粗调望远镜光轴 与镜面垂直 目测将望远镜调成水平、 载物 台水平,使镜面大致与望远镜垂直；固定望远 3）观看与调剂镜面反射像 镜,转动游标盘,于是载物台跟着一起转动；转动平面镜使其正好对着望远镜时,在目镜 中应看到一个绿色十字随着镜面转动而动,这就是亮十字的反射像；假如像有些模糊,只要沿轴向移动目镜筒, 直到

10、像清晰、 无视 差,再旋紧螺钉,此时望远镜已聚焦平行光；（3）调整望远镜光轴与仪器主轴垂直 当镜面与望远镜光轴垂直时, 它的反射 像应落在目镜 分划板上与下 方十字窗对称 的 十 字 线 中 心,如 图 5-11-3 所示；平面镜绕轴转 180 0 后,假如 另一镜面的反 射像也落在此 处,这说明镜 面平行仪器主 轴；当然,此 时与镜面垂直 的望远镜光轴 也与仪器主轴 垂直；图 5-11-6 载物台倾角没调好的表现及调整原理在调整过程中显现的某些现象是何原 因 ？ 调 整 什 么 ？ 应 如 何 调 整,这是要分析 清晰的；例如,是 调 载 物 台 ？仍 是 调 望 远 镜 ？ 调 到 什 么

11、 程 度 ？ 下 面 简 述之；1）载物台 倾 角 没 调 好 的 表现及调整 假 设 望 远图 5-11-7 望远镜光轴没调好的表现及调整原理镜光轴已垂直仪器主轴, 但载物台倾角没调 好,如图 5-11-6 所示；平面镜 A 面反射光 偏上,载物台转 180 0 后,B 面反射光偏下,在目镜中看到的现象是 A面反射像在 B面反 射像的上方；明显,调整方法是把 B 面像（或 A面像）向上（或向下）调到两像点距离的 一半,这一步要反复进行,最终使镜面 A 和 B 的像落在分划板上同一高度；2）望远镜光轴没调好的表现及调整 假设载物台已调好, 但望远镜光轴不垂 所示；在图 a 直仪器主轴,如图 5

12、-11-7 中,无论平面镜 A 面仍是 B面,反射光都偏 上,反射像落在分划板上十字线的上方；在 图b 中,镜面反射光都偏下,反射像都落 在分划板上十字线的下方； 明显,调整方法 是只要调整望远镜仰角调剂螺钉（12）,把 像调到上十字线上即可,如图（c）；3）载物台和望远镜光轴都没调好的表 现及调整 表现是两镜面反射像一上一下； 先调载 物台螺钉, 使两镜面反射像像点等高 （但像 点没落在上十字线上） ,然后,调整望远镜 仰角调剂螺钉 （12）,把像调到上十字线上；2调整平行光管发出平行光并垂直仪 器主轴 实质是将被照明的狭缝调到平行光管 物镜焦平面上,物镜将出射平行光；调整方法是： 取下平面

13、镜, 关掉目镜照 明光源,狭缝对准照明光源, 使望远镜转向 平行光管方向, 在目镜中观看狭缝的像, 沿 轴向移动狭缝套筒,直 到像清晰；这说明光管 已发出平行光；再 将 狭 缝 转 向 横 向（ 水 平 ）, 调 节 螺 钉图 5-11-8 平行光管光轴与望远镜光轴共线（25）,将狭缝的像调到中心横线上,如图 5-11-8 （a）所示；这说明平行光管光轴已 于望远镜光轴共线,所以也垂直仪器主轴；螺钉（ 25）不能再动；最终,将狭缝调成竖直, 锁紧螺钉（2）；如图 5-11-8 （b）所示；三、用最小偏向角法测定三棱镜的折射率 如图 5-11-9 ,一束单色光以 1i 角入射到 AB面上,经棱镜

14、两次折射后,从 AC面折射 出来,出射角为 2i ；入射光和出射光的夹角 称为偏向角； 当棱镜顶角 A肯定时,偏向角的大小随入射角 1i 的变化而变化；而当 1i = 2i 时, 为最小（证明可参阅光学教材中的相关内容）；此时的偏向角称为最小偏向角,记为 min ；由图 5-11-9 中可以看到,此时 i 1 A2,有min i 1 i 1 i 1 A2 2（5-11-1 ）得i1minA设棱镜折射率为n,由折射定律得sini1nsini1nsinA2n sin i 1 sin min2 Asin A sin A2 2（5-11-2 ）由此可知,要求得棱镜的折射率 n,必需测 出其顶角 A 和

15、最小偏向角 min ；【试验内容】1调整分光计,使其处于工作状态；调整方法见以上所述；2使三棱镜的光学表面垂直望远镜光 轴（1）调载物台的上下台面大致平行,将棱镜放到载物平台上, 使棱镜三边与台下 三个螺钉的连线所成三边相互垂直,如图 5-11-10 所示,这样,调剂一个螺钉可以调 节棱镜光学表面的倾斜度；图 5-11-10 三棱镜在载物台上的正确方 图 5-11-11 测棱镜顶角（2）接通目镜照明光源,遮住从平行光 管射来的光； 转动载物平台, 在望远镜中观 察从三棱镜的两个光学表面 AC和 AB反射回 来的十字像, 只调台下三个螺钉, 使其反射 像都落到上十字线处,如图 5-11-11 所

16、示；调剂时,切莫动螺钉（ 12）；留意：每个螺钉调剂的动作要轻, 并同 时观看它对各侧面反射像的影响； 棱镜调好 后,其位置不能再动；3测棱镜顶角 对两游标作一适当标记, 分别称左游标 和右游标, 在记录数据时, 且勿颠倒； 扭紧 刻度盘下螺钉（ 15）、（16）,望远镜和刻度 盘固定不动；转动游标盘,使棱镜 AC面正 对望远镜,如图 5-11-11 所示；分别登记左、右游标的读数 1和 2；再转动游标盘,再使 棱镜 AB面正对望远镜,再分别登记左、右 游标的读数 1和 2；同一游标两次读数之差1 1 或 2 2,即是载物台转过的角度,所 以 1 1 2 2 2,而 是 A角的补角,即A反复测

17、量 3 次,数据 填入表 5-11-1 中；4测三棱镜的 最小偏向角（1）使平行光 管狭缝对准钠光灯 光源；（2）松开望远 镜制动螺钉 （16）和 游 标 盘 制 动 螺 钉（23）,把载物台及 图 5-11-12 测量最小偏向角 望 远 镜 转 至 如 图 5-11-12 中所示的位置（ 1）处,再左右微 微转动望远镜,找出棱镜折射出的光线；（3）轻轻转动载物台 （转变入射角 1i ）,望远镜中将看到光线跟着移动；转变 1i ,使 光线往 减小的方向移动（即向顶角 A 方向 移动）；望远镜跟着光线移动,直到棱镜继 续转动,而光线开头反向移动 （即偏向角反 而变大）为止；这个反向移动的转折位置

18、,就是光线以最小偏向角射出的方向；固定载 物台（锁紧螺钉 23）,微动望远镜,使其分划板上的中心竖线对准谱线；（4）测量 登记此时两游标的读数 1和 2；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 5-11-12 中（2）的位置,以确定入射光的位置, 再登记两游标的读数1和 2；此时该光线的最小偏向角为1 1 2 2min2反 复 进 行 三 次 , 将 数 据 填 入 表 5-11-2 中；将 min 值和测得的棱镜 A 角平均 值代入式（ 5-11-2 ）运算n；并运算出折射 率的不确定度；【数据表格及处理】试验结果运算（1）三棱镜的顶角A600A / sinAsin10 38 490 60 / sin 300（）最小偏向角 min 38 49 01（）棱镜玻璃的折射率 min22n1.5187（）不确定度的运算求UA三棱镜的顶角直接取A600,因此只A0.00013 rad