《分光计的调节.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分光计的调节.（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、实验十 分光计的调节与应用分光计是精确测定光线偏转角的仪器，也称测角仪，使用分光计时必须经过一系列的精细的调整才能得到准确的结果，它的调整技术是光学实验中的基本技术之一，必须正确掌握。本实验的目的就在于着重训练分光计的调整技术和技巧，并用它来测量三棱镜的偏向角。【实验目的】1. 学习分光计的调节与使用；2. 学会分光计常见的几种应用。【实验仪器】分光计、钨光灯、三棱镜等。【实验原理】一、分光计的结构分光计主要由底座、平行光管、望远镜、载物台和读数圆盘五部分组成。外形如图10-1所示。图10-1 分光计外形图1 狭缝装置 2狭缝装置锁紧螺钉 3平行光管 4制动架(二) 5载物台 6载物台调节螺钉
2、(3只)7载物台锁紧螺钉 8望远镜 9目镜锁紧螺钉 10阿贝式自准直目镜 11目镜调节手轮12望远镜仰角调节螺钉 13望远镜水平调节螺钉 14望远镜微调螺钉 15转座与刻度盘止动螺钉16望远镜止动螺钉 17制动架(一) 18底座 9转座 20刻度盘 21游标盘 22游标盘微调螺钉23游标盘止动螺钉 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1. 底座中心有一竖轴，望远镜和读数圆盘可绕该轴转动，该轴也称为仪器的公共轴或主轴。2. 平行光管是产生平行光的装置，管的一端装一会聚透镜，另一端是带有狭缝的圆筒，狭缝宽度可以根据需要调节。3. 望远镜观测用，由目镜系统和物镜组
3、成，为了调节和测量，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，三个管彼此可以相互移动，也可以用螺钉固定。参看图10-2，在中管的分划板下方紧贴一块45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。光线从小棱镜的另一直角边入射，从45反射面反射到分划板上，透光部分便形成一个在分划板上的明亮的十字窗。4. 载物台放平面镜、棱镜等光学元件用。台面下三个螺钉可调节台面的倾斜角度，平台的高度可旋松螺钉(7)升降，调到合适位置再锁紧螺钉。5. 读数圆盘是读数装置。由可绕仪器公共轴转动的刻度盘和游标盘组成。度盘上刻有720等分刻线，格值为30分。在游标盘对称方向设
4、有两个角游标。这是因为读数时，要读出两个游标处的读数值，然后取平均值，这样可消除刻度盘和游标盘的圆心与仪器主轴的轴心不重合所引起的偏心误差。图10-2 望远镜结构读数方法与游标卡尺相似，这里读出的是角度。读数时，以角游标零线为准，读出刻度盘上的度值，再找游标上与刻度盘上刚好重合的刻线为所求之分值。如果游标零线落在半度刻线之外，则读数应加上30。二、分光计的调整原理和方法调整分光计，最后要达到下列要求：(1)平行光管发出平行光；(2)望远镜对平行光聚焦(即接收平行光)；(3)望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴。分光计调整的关键是调好望远镜，其他的调整可以以望远镜为标准。1. 调整望远镜(1)
5、目镜调焦：这是为了使眼睛通过目镜能清楚的看到图10-3所示分划板上的刻线。调焦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；图10-3 从目镜中看到的分划板 图10-4 载物台上双面镜放置的俯视图(2) 调望远镜对平行光聚焦：这是要将分划板调到物镜焦平面上，调整方法是：(a) 把目镜照明，将双面平面镜放到载物台上。为了便于调节，平面镜与载物台下三个调节螺钉的相对位置如图10-4；(b) 粗调望远镜光轴与镜面垂直用眼睛估测一下，把望远镜调成水平，再调载物台螺钉，使镜面大致与望远镜垂直；(c) 观察与调节镜面反射像固定望远镜，双手转动游标盘，载物台会跟着一起转动。转到
6、平面镜正好对着望远镜时，在目镜中应看到一个黄绿色亮十字随着镜面转动而动，这就是镜面反射像。如果像有些模糊，只要沿轴向移动目镜筒，直到像清晰，再旋紧螺钉，则望远镜已对平行光聚焦。(3) 调整望远镜光轴垂直仪器主轴：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上十字线中心，见图10-3平面镜绕轴转180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垂直仪器主轴。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。下面简述之。(a) 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
7、倾角没调好，见图10-5平面镜面反射光偏上，载物台转180后，面反射光偏下，在目镜中看到的现象是面反射像在面反射像的上方。显然，调整方法是把面像(或面像)向上(向下)调到两像点距离的一半，使镜面和的像落在分划板上同一高度；(b) 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，见图10-6在图(a)中，无论平面镜面还是面，反射光都偏上，反射像落在分划板上十字线的上方。在图10-6(b)中，镜面反射光都偏下，反射像落在上十字线的下方。显然，调整方法是只要调整望远镜仰角调节螺钉(12)，把像调到上十字线上即可，见图10-6(c)；(c) 载物台和望远镜光轴都没调好的表现
8、和调整方法：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)，再把像调到上十字线上，见图10-6(c)。 图10-5 载物台倾角没调好的表现及调整原理 图10-6 望远镜光轴没调好的表现及调整原理2. 调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴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：(1) 取下平面镜，狭缝对准前方水银灯光源，使望远镜转向平行光管方向，在目镜中观察狭缝像，沿轴向移动狭缝筒，直到像清晰。这表明光管已发出平行光，为什么？(2) 再将狭缝转向横向，调螺钉(25)，将像调到中心横线上，见图10-7(a)。这表明平行光管
9、光轴已与望远镜光轴共线，所以也垂直仪器主轴。螺钉(25)不能再动。(为什么?)(3) 再将狭缝调成垂直，锁紧螺钉，见图10-7(b)图10-7 平行光管光轴与望远镜光轴共线图 图10-8 三棱镜最小偏向角原理图三、用最小偏向角法测三棱镜材料的折射率见图10-8，一束单色光以角入射到AB面上，经棱镜两次折射后，从AC面射出来，出射角为。入射光和出射光之间的夹角称为偏向角。当棱镜顶角A一定时，偏向角的大小随入射角的变化而变化。而当=时，为最小(证明略)。这时的偏向角称为最小偏向角，记为。由图10-8中可以看出，这时 设棱镜材料折射率为，则由此可知，要求得棱镜材料的折射率，必须测出其顶角A和最小偏向
10、角。【实验内容】1. 调整分光计(要求与调整方法见原理部分)2. 使三棱镜光学侧面垂直望远镜光轴(1) 调载物台的上下台面大致平行，将棱镜放到平台上，使棱镜三边与台下三螺钉的连线成三连互相垂直，见图10-9。试分析这样放置的好处。图10-9 三棱镜在载物台上的正确放法 图10-10 测棱镜顶角(2) 接通目镜照明光源，遮住从平行光管来的光。转动载物台，在望远镜中观察从侧面和反射回来的十字像，只调台下三螺钉，使其反射像都落到上十字线处，见图10-10调节时，切莫动螺钉(12)(为什么?)。注意：每个螺钉的调节要轻微，要同时观察它对各侧面反射像的影响。调好后的棱镜，其位置不能再动。3. 测棱镜顶角
11、对两游标作一适当标记，分别称游标1和游标2，切记勿颠倒。旋紧度盘下螺钉(16)、(17)，望远镜和刻度盘固定不动。转动游标盘，使棱镜面正对望远镜，见图10-10记下游标1的读数和游标2的读数。再转动游标盘，再使面正对望远镜，记下游标1的读数和游标2的读数。同一游标两次读数之差或，载物台转过的角度，而是角的补角，即 4. 测三棱镜的最小偏向角(1) 平行光管狭缝对准前方水银灯光源。(2) 旋松望远镜止动螺钉(16)和游标盘止动螺钉(23)，把载物台及望远镜转至如图10-11中所示的位置(1)处，再左右微微转动望远镜（保持游标盘及载物台不动），找出棱镜出射的各种颜色的水银灯光谱线(各种波长的狭缝像
12、)。(3) 轻轻转动载物台(改变入射角)，在望远镜中将看到谱线跟着动。改变，应使谱线往减小的方向移动(向顶角方向移动)。望远镜要跟踪光谱线转动，直到棱镜继续转动，而谱线开始要反向移动(即偏向角反而变大)为止。这个反向移动的转折位置，就是光线以最小偏向角射出的方向。固定载物台(锁紧23)，再使望远镜微动，使其分划板上的中心竖线对准其中的那条绿谱线(546.1mm)。图10-11 测最小偏向角方法(4) 测量记下此时两游标处的读数和，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11中(2)的位置，以确定入射光的方向，再记下两游标处的读数和。此时绿谱线的最小偏向角 将值和测得的棱镜角平
13、均值代入式(2)计算。5. 衍射光栅由许多平行、等距、等宽的狭缝构成的光学元件叫做衍射光栅。它们每毫米内一般有几十条乃至上千条狭缝，这些缝有些是刻上去的，有些是印上去的，本实验所用的全息光栅，则是用全息技术使一列极密、等距的干涉条纹在涂有乳胶的玻璃片上感光，经处理后，感光的部分成为不透明的条纹，而末感光的部分成透光的狭缝。每相邻狭缝间的距离d称为光栅常数。当一束平行光垂直入射到光栅平面时(见图10-12)，光线通过每一条狭缝之后都将产生衍射，缝与缝之间的衍射光线又将产生干涉。若用望远镜的物镜L将它们会聚起来，我们将能在目镜中观察到光栅的衍射条纹(一些直的平行条纹)。显然这些衍射条纹是衍射和干涉
14、的结果。图10-12 如图10-12所示，若以波长为的单色光垂直入射到光栅上，并将衍射方向和入射方向的夹角称为衍射角。则当衍射角满足公式，当K=0，l，2时，在衍射方向上可以看到亮条纹（光谱）。当K=0时，称为零级光谱，对应于中央亮条纹；当K1时为一级光谱；K=2时，为二级光谱；。式中号表示它们对称地分布在中央亮条纹的两侧，强度是迅速减弱的。由光栅方程可以看出，光栅常量愈小，各级明条纹的衍射角就越大，即各级明条纹分得愈开。对给定长度的光栅，总缝数愈多，明条纹愈亮。对光栅常数一定的光栅，入射光波长愈大，各级明条纹的衍射角也愈大。如果是白光（或复色光）入射，则除中央零级明条纹外，其他各级明条纹都按
15、波长不同各自分开，形成光栅光谱。在光栅常数d和波长二者中的任意一个为已知时，测得一谱线的衍射角及其对应的级数K，就能由上式算出另外一个。注意事项：(1)取光栅时，千万不能用手触及光栅表面，否则将印上指纹，损坏光栅刻度，应拿其底座或边框。(2)谱线的强度(亮度)随级数K的增加而迅速减弱，实验时应耐心细致地寻找二级谱线。【实验步骤】1. 调好分光计的望远镜和平行光管。图10-13 光栅摆放位置2. 载物台的调节(1) 测定光栅常数公式首先要求平行的入射光应垂直于光栅面。将光栅如图2摆放在载物台上（光栅面垂直于螺钉a、b的连线）。其次要求经光栅衍射后的衍射光应垂直于仪器转轴。(2) 使光栅面正对望远镜，调节螺钉a或b，使由光栅面反射的亮叉丝与分划板上方的黑叉丝重合，并使亮叉丝的竖线、光栅的零级光谱线和分划板的竖线重合（三线重合）。固定游标盘。(3) 左右转动望远镜，查看各级衍射条纹是否同高（若不同高，应怎样处理？）。3. 测衍射角(1) 将望远镜的叉丝竖线依次对准左边第一级，第二级；右边第一级，第二级光谱线，并分别记下在两游标上的读数。(2) 根据测得的数据
