大学物理实验分光计

3.17分光计的调节和使用【实验简介】分光计是一种精确测量角度的典型光学仪器，常用来测量光学材料的折射率、光波波长、 光学元件的色散率及观测光源的光谱等。分光计的调节思想、方法与技巧，在光学仪器中有 一定的代表性，学会对它的调节和使用，有助于操作更复杂的光学仪器。【实验目的】1. 了解分光计的结构和工作原理。2. 掌握分光计的调节要求和调节方法。3. 学会用分光计测量玻璃三棱镜的折射率。【预习思考题】1. 分光计在测量角度之前应处于什么状态？为什么要处于该状态？2. 自准直法调节望远镜接受平行光的主要步骤是什么？判断望远镜已调节到可以接受 平行光的标准是什么？3. 利用双面镜调节望远镜光轴与中心轴垂直时，为什么要转动载物台180 0使双面镜两 个面反射的十字像均与分划板上方叉丝重合？只调一面行吗？4. 如何调节和判断平行光管出射平行光、平行光管的光轴与中心轴垂直？【实验仪器】分光计、汞灯、双面反射镜、三棱镜。【实验原理】1分光计的结构分光计由望远镜、平行光管、载物台、读数装置和三角底座五部分组成。图3.17.1是 它的全貌。LO1狭缝装置2狭缝套筒锁紧螺钉3平行光管4载物台5载物台调平螺钉6载物台锁紧螺钉 7望远镜8分划板套筒锁紧螺钉 9自准目镜10目镜视度调节手轮11.望远镜光轴俯仰调节螺钉 12.望远镜光轴水平方向调节螺钉13.望远镜微调螺钉14.刻度盘与望远镜固连螺钉15.望远镜止动螺 钉（在背面）16.刻度盘17.游标盘18.游标盘微调螺钉19.游标盘止动螺钉20.平行光管光轴水平 方向调节螺钉21.平行光管光轴俯仰调节螺钉22.狭缝宽度调节手轮图 3.17.11.1三角底座三角底座中心有竖轴，称为分光计的中心轴。轴上装有可绕中心轴转动的望远镜和载物 台。1.2平行光管平行光管的作用是产生平行光。平行光管由物镜和狭缝装置组成。松开螺钉2,可前后 移动狭缝装置，使狭缝位于物镜的焦平面上，则平行光管产生平行光。调节手轮22可改变 狭缝的宽度。调节平行光管俯仰螺钉21,可使平行光管光轴水平。1.3望远镜望远镜的作用是确定光线传播的方向。它由目镜、分划板和物镜组成，如图3.17.2， 它们分别装在三个套筒中，彼此可以相对移动。分划板上刻有丰形分化线，下方小棱镜的直角面上有一个透光十字，小电珠发出的光 经小棱镜改变90 0方向后从透光十字出射。转动目镜视度调节手轮10,可在目镜视场中看到 图3.17.2a所示情景。若在物镜前放一平面镜，松开螺钉8,前后移动分划板套筒使分划板 落在物镜的焦平面上，则透光十字出射的光经物镜后成为平行光入射到平面镜上，经平面镜反射光再经物镜汇聚在分划板平面上形成透光十字的像。若平面镜与望远镜光轴垂直，则此像落在分划板牛分化线上方叉丝上，如图3.17.2b所示。曰需视场1图 3.17. 2 P1.4载物台用于放置待测样品或光学元件。载物台下方三个螺钉、b2、b3）用来调节台面水平。 松开螺钉6,可以升降载物台。拧紧螺钉6可将载物台与游标盘17固连在一起，此时松开 螺钉19,载物台可随游标盘转动，并可通过读数装置读出载物台转过的角度。1.5读数装置由刻度盘与游标盘组成。分光计出厂时已将刻度盘、游标盘调到与中心轴垂直。拧紧止 动螺钉14,刻度盘和望远镜固连在一起。游标盘上相隔180处有两个角游标。拧紧止动螺0钉19时，游标盘与中心轴的相对位置固定；松开螺钉19，游标盘可绕中心轴转动。若固定 游标盘，刻度盘和望远镜固连，望远镜转动时，可由刻度盘、游标盘读出望远镜转过的角度。2分光计的调节分光计使用时必须满足下列要求：（1）望远镜聚焦无穷远（即接受平行光）；望远镜光轴与中心轴垂直；（2）平行光管出射平行光；平行光管光轴与中心轴垂直。调节前应先对照实物和结构图熟悉仪器，了解各个调节螺钉的作用。调节时应先粗调后 细调。粗调（凭眼睛观察）从分光计侧面观察，分别调节望远镜俯仰调节螺钉11和平行光管俯仰调节螺钉21,使 望远镜和平行光管的光轴尽量与刻度盘平行，调节载物台调平螺钉使载物台尽量与刻度盘平行（即与主轴垂直）。细调2.1望远镜的调节2.1.1自准直法调节望远镜聚焦无穷远（1）转动目镜视度调节手轮10,在目镜视场中看清分划板。（2）接通小电珠电源，并把双面反射镜按图3.17.3放到载物台上。当需要改变镜面倾角时，调节螺钉b1或b2即可。（3）眼睛通过目镜观察，同时转动载物台改变平面镜的方向，当平面镜镜面与望远镜 光轴垂直时可看到一亮斑，松开螺钉8,前后移动分划板套筒，改变分划板与物镜之间的距 离，使亮斑成清晰的绿十字像；左右移动眼睛观察，同时细心移动分划板套筒，使绿十字像 与黑色叉丝间无视差，锁紧螺钉8。2.1.2渐进法调节望远镜光轴垂直于中心转轴（1）调节俯仰调节螺钉11,使绿十字像与分划板上方叉丝重合。（2）将载物台转180 0，从双面镜的另一面找到反射的绿十字像，若十字像与分划板上方叉丝不重合如图3.17.4a,则调节螺钉b1或b2,使绿十字像与分划板上方叉丝位移减少半如图3.17.4b；然后调节俯仰调节螺钉11,使反射回来的绿十字像与分划板上方叉丝重合如图3.17.4c。（3）重复步骤（2）,直到载物台转过180前后，双面镜两个面反射的十字像均与分划0板上方叉丝重合。2.2平行光管的调节2.2.1调节平行光管出射平行光(1) 打开光源照亮狭缝，将望远镜正对平行光管，从目镜中观察狭缝像。(2) 松开螺钉2,前后移动狭缝装置，使狭缝清晰地成像在分划板平面，锁紧螺钉2。2.2.2调节平行光管光轴与望远镜光轴重合调节俯仰螺钉21,使狭缝像被分划板中心水平线均分。3. 刻度盘的读数刻度盘被等间隔的分为720分，分度值为O.5o，游标被分为30格，分度值为1。读数 时，从游标零刻度前读出刻度盘O.5o以上的读数，再从游标上读出与刻度盘某刻度对齐的 分数。两数相加即为角度的读数。图3.17.5读数为116M2。图 3.17.6图 3.17.5为了消除刻度盘刻度中心o与转轴中心o不重合引入的偏心误差，在游标盘直径的两 边各装一游标。测量时，两个游标都要读数，然后算出每个游标始、末两次读数差的平均值, 即为转过的角度。图3.17.6表示分光计存在偏心误差的情形。刻度盘绕中心转轴o转过角 度9，但从读数装置上读取的是91和92，由几何原理知二a+a 二一(9+9 )或9二二(0 -0) + e ”e)2 1 1 2 2 上式说明两游标读数的平均值即为实际转角9。4测量玻璃三棱镜的折射率如图3.17.7所示,三角形ABC表示三棱镜的横截面，BC为底面，AB、AC为光学面，两光学面的夹角A称为三棱镜的顶角。入射光线LD经三棱镜两次折射后，沿ER方向出射。入射光线LD与出射光线ER所成的角5，称为偏向角。偏向角随着入射角的变化而变化，可以证明，如果入射光线和出射光线处于三棱镜对称位置，偏向角最小，称为最小偏向角。棱镜 玻璃的折射率n与棱镜顶角A、最小偏向角5 .有如下关系:mm(3.17.1)A + 5An = sin m /sin22R将待测材料制成三棱镜，用分光计测出棱镜的顶角A、最小偏向角5，由上式可求得 m棱镜的折射率n。【实验内容与步骤】1. 调节分光计按照分光计的调节要求，使其满足使用状态。2. 调节三棱镜的主截面与中心轴垂直按图3.17.8把三棱镜放到载物台上。为下面测量的需要，载物台宜放低些。调节bl， 载物台以连线b2、b3为轴转动，光学面AC的倾斜度改变，而AB则在自己的光学面内运动, 法线方向不变。同理，调节b2,光学面AB的倾斜度改变时，也不影响光学面AC。图 3.17.82.1松开螺钉15,转动望远镜对准AC面，调节螺钉bl,使AC面反射的绿十字像与分划板上方叉丝重合。2.2转动望远镜对准AB面，调节螺钉b2,使AB面反射的绿十字像与分划板上方叉丝重合。2.3重复步骤2.1、2.2，反复调节，直到光学面AC、AB都能达到自准。至此三棱镜主截面已垂直于中心轴.从而保证了反射光、折射光均在与刻度盘相平行的主截面内。注意在测量顶角A和最小偏向角8时，应避免三棱镜相对于载物台发生移动和 m转动，更不可调节螺钉bl、b2、b3。3测量汞灯某条谱线的最小偏向角8m3.1找谱线：松开螺钉19,转动载物台，使三棱镜AC面与平行光管光轴夹角大约30 0，用眼睛迎着出射光方向看到AB面中谱线，然后将望远镜转到眼睛和谱线之间，此时可从望 远镜中看到谱线。平行光音图 3.17.113.2找最小偏向角：转动载物台，使谱线向入射光线方向靠近，同时转动望远镜跟踪其 中一条谱线。当载物台转到某一位置时，若继续按原方向转动，谱线将向反方向移动，谱线 反转处即为最小偏向角的位置，用螺钉19锁紧载物台。3.3记录最小偏向角对应的出射光位置：转动望远镜使竖直叉丝对准谱线，锁紧望远镜 止动螺钉15,用微调螺钉13和18配合反复调节，确认分划板竖直叉丝对准最小偏向角时 的谱线，记下两游标读数e , e。1 23.4记录入射光位置：不取下棱镜（开始时载物台调得较低，平行光管出射光束的一小 部分可经棱镜上方直接进入望远镜中），松开螺钉15,转动望远镜并利用微调螺钉13使竖直叉丝对准狭缝像，记下两游标读数e ,6。1 2注意，此时不可转动载物台，不可调节螺钉18,不可松开螺钉19。由图3.17.11可知，15 二(66 ) + (66 )(3.17.2)m 211223.5重复3.3、3.4，测量6次，求平均值。4. 自准直法测三棱镜的顶角A (选做)4.1如图3.17.9转动望远镜对准AB面，锁紧望远镜中心止动螺钉15,用微调螺钉13调节绿十字像与分划板上方叉丝重合，记录两游标读数6 ,6。1 24.2转动望远镜对准AC面，重复4.1，记录两游标读数6 ,6，由图3.17.9可知1 21A 二 1800 (6 6 ) + (6 6 )(3.17.3)2 1 1 2 2图 3.17.9【注意事项】1. 光学元件要轻拿轻放，以免损坏，切忌用手触摸光学面。2. 分光计是较精密的光学仪器，要倍加爱护，不要在止动螺钉锁紧时强行转动望远镜, 也不要随意拧动狭缝。3. 测量数据前务须检查分光计的几个止动螺钉，应该锁紧的是否锁紧，若未锁紧，读 取的数据会不可靠。4. 测量中应正确使用望远镜及游标盘的微调螺钉，以便提高工作效率和测量的准确度。5. 在读取数据过程中，应注意望远镜的转动是否经过刻度盘的零点，若经过刻度盘的 零点，则该游标的读数应加上360度。【数据记录与处理】表测量最小偏向角A仪二；二测量入射光线位置出射光线位置nm ； A=次数01020 10 2123456平均值5 -mU-5 mAt-095n （5-5 ）2mimi-1n 15 - 5 土 U_5mu = !u2 +A2 -5 m 5 mA B5+ Asm m 2.A sin2U-：（色 U_）2 + （皂 U_ ）2 n 3A A355mrmn n 土 Un【思考题】1 调节光学仪器的一般要领是先粗调后细调？本实验中是如何体现这一要领的?2. 当转动载物台180 反复调节使望远镜光轴垂直于分光计主轴时，载物台平面是否也 同时调到垂直于中心轴了？为什么？3. 调节望远镜时所使用的双面镜起什么作用？能否用三棱镜代替其进行调节？4. 对三棱镜测量时，为什么要调节三棱镜主截面（两个光学面的法线决定的平面）垂直于分光计中心轴？若不垂直，对测量结果将带来怎样的影响?