大学物理实验分光计的调整和三棱镜折射率的测定

实验二十分光计的调整和三棱镜折射率的测定【实验目的】1了解分光计的结构,掌握调节和使用分光计的方法。2了解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。【实验器材】分光计、钠灯、三棱镜、双面平面镜。【实验原理】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，在几何光学实验中，主要用来测定棱镜角、光束的偏向角等，而在物理光学实验中，加上分光元件（棱镜、光栅）即可作为分光仪器，用来观察、测量光谱线的波长等。下面以学生型分光计（JJY型）为例，说明它的结构、工作原理和调节方法。一、分光计的结构分光计主要由底座、望远镜、平行光管、载物平台和刻度圆盘等几部分组成，动木（一）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平行光管水平调节螺钉25-平行光管仰角调节螺钉26-狭缝宽度调节手轮每部分均有特定的调节螺钉，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。在底座的中央固定着中心轴，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，狭缝的宽度根据需要可在0.022mm范围内调节。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，它是用来观察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，为了调节和测135量，物镜和目镜之间还装有分划板，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450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，照明小灯发出的光线从小棱镜的另一直角边入射，从450反射面反射到分划板上，透光部分在分划板上便形成一个明亮的十字窗。4分光计上控制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，具体如下：（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控制机构，图5-11-1中的23、22；（3）望远镜和刻度盘的离合控制机构，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。要改变刻度盘和望远镜的相对位置时，应先松开它们间的离合控制螺钉，调整后再拧紧。一般是将刻度盘的00线置于望远镜下，可以避免在测角度时，00线通过游标引起的计算上的不方便。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，套在游标内内盘）一）下有三个6.望:3600的圆:两个游标:读数方法-消除刻度数。安置2度盘00线记录与计算角度时，左右游标分别进行，防止混淆算错角度。二、分光计的调节分光计是在平行光中观察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5-11-4所示。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。对每一具体的分光计，读值平面都是固定的，且和中心主轴垂直。观察平面：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，观察面才是一个平面，否则，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。调节载物平台下方的三个调节螺钉，可以将待测光路平面调节到所需方位。按调节要求，应将此三个平面调节成相互平行，否则，测得角度将与实际角度有些差异，即引入系统误差。1调节望远镜和载物平台（1）目镜调焦这是为了使眼睛通过目镜能清楚地看到图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，直到分划板刻线清晰为止。（2）调节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，为了调节方便，平面境与载物台下三个调节螺钉的相对位置如图5-11-5所示。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。3）观察与调节镜面反射像固定望远镜，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，在目镜中应看到这就是亮十字的反射像。如果像有些模糊，只要无视差，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1800后，如果另一镜面的反射像也落在此处，这表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。在调整过程中出现的某些现象是何原因？调整什么？应如何调整，这是要分析清楚的。例如，是调载物台？还是调望远镜？调到什么程度？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。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。显然，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，最后使镜面A和B的像落在分划板上同一咼度。2）望远镜光轴没调好的表现及调整假设载物台已调好，但望远镜光轴不垂直仪器主轴，如图5-11-7所示。在图（a）中，无论平面镜A面还是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。显然，调整方法是只要调整即可，如图（c）。3）载物台和望远镜光轴都没表现是两镜面反射像一上一像点没落在上十字线上），然后，镜面瓜Bfr镜面止、E刖线上。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，在目镜中观察狭缝的像，沿轴向移动狭缝套筒，直到像清晰。这表明光管已发出平行光。再将狭缝转向横向（水平），调节螺钉（25），将狭缝的像调到中心横线上，如图5-11-8(a)所示。这表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。最后，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5T1-9,束单色光以i角入射到AB面上，经棱镜两次折射后，从AC1面折射出来，出射角为i。入射光和出射光的夹角8称为偏向角。当棱镜顶角A2一定时，偏向角8的大小随入射角i的变化而变化。而当i=i时，8为最小(证112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8A由图5-11-9中可以看到，此时i，有128A5-11-1)min，ii，i21112i，8+A)12min设棱镜折射率为n，由折射定律得minsini，nsini=nsinii2.8+Asin-2sin2必须测出其顶sinin，1-，Asin2由此可知，要求得棱镜的折射率n，【实验内容】1. 调整分光计，使其处于工作状态。调整方法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互相垂直，如图5-11-10所示，这样，调节一个螺钉可以调节棱镜光学表面的倾斜度。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。分别记下左、右游标的读数和。再转12动游标盘，再使棱镜AB面正对望远镜，再分别记下左、右游标的读数和。同12一游标两次读数之差或2-，即是载物台转过的角度，所以=_+|_）2，而是A角的补角，即11122A二兀一反复测量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（改变入射角-），望远镜中将看到光线跟着移动。改变ii，使光线往S减小的方向移动光线开光线以最小（即向顶角A方向移动）。望远镜跟着光线移；反向移动（即偏向角反而变大）为止。这个反向移动偏向角射出的方向。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）测量记下此时两游标的读数和。取下三棱镜（载物台保持不动），转动望远镜12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，再记下两游标的读数和。此时该光线的最小偏向角为12+，1122min2反复进行三次，将数据填入表5-11-2中。将，值和测得的棱镜A角平均min值代入式（5-11-2）计算n。并计算出折射率的不确定度。【数据表格及处理】測gl.n2.!3.!4.!5.ELib.3.-Ib.nEl.ib.nEl.ib.El.ife.n出射ST刀罠J?2QL.43.2QL.44.201.44.2QL.44.SQL.44.A射方应帝T曲.Wl?亦1?50.3Q.24Q.3l.J5Q.3Q.24O!3l.，J6Q.32.24Q.33.J实验结38.5Q.辛果计算38.43.r38.43.J38.48.J38.48.38.47.38.49.38.47.38.5Q.報49,38.5Q.三棱镜的顶角弱49,A60038.47.n38.48.38.5Q.1(2) 最小偏向角,min38o49_1 _A1(3) 棱镜玻璃的折射率nsin(,+A)/sinsin(38o49+6Oo)/sin3Oo2 min22n1.5187(4) 不确定度的计算求U-A三棱镜的顶角直接取A60。,因此只要取A的B类不确定度分U-U-AB丄A丄0.00017rad3yi3求UminU=S=Aminmin(i)mJ54)=0=収013说二丄二0.00017rad3U-=:U2+U2=0.000214rad.VAB求U-nU-=1csc-n22mina+A(sin皿esc)2U2+cos2minU2=0.0002122a2.min结果表达式n=n，U=1.5187，0.0003n【注意事项】1、分光计在调整好后，整个实验过程中望远镜和平行光管的水平调节螺钉不可再作调节。2、望远镜、平行光管及三棱镜的光学表面不可用手摸及用纸擦，手拿三棱镜应拿不透光面。3、在锁紧螺钉紧锁后不可硬性转动相关的部件，各锁紧螺钉不可用力过大。