《分光计的调整与折射率的测定 讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分光计的调整与折射率的测定 讲义（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1分光计的调整与折射率的测定分光计的调整与折射率的测定【引言】【引言】分光计是一种精确测量角度观察光谱的比较精密的光学仪器。 可以用来测量棱镜的顶角、最小偏向角等，从而间接地测出棱镜折射率、光波波长、色散率等一些物理量。分光计装置精密，结构复杂，使用前必须按操作程序进行调整，它的调整方法和操作技能在光学仪器中具有一定的普遍意义， 而且它的基本光学结构又是许多光学仪器(如摄谱仪、单色仪、分光光度计等)的基础。因而学习分光计结构原理、调整方法以及一些应用是很有用处的。【开篇设问】【开篇设问】1用分光计测量角度前应该调节分光计达到什么要求?2测量最小偏向角时，三棱镜在载物台上的位置会是任意的吗?为什
2、么?3如果旋转望远镜找不到折射光线，可能是什么原因?4对给定的棱镜和单色光，最小偏向角是惟一的还是可以有不同的数值?为什么?5. 怎样找到三棱镜的最小偏向角？【实验目的】【实验目的】1.了解分光计的结构和工作原理。2.掌握分光计的调整方法。3.学会用分光计测量玻璃三棱镜的顶角和折射率。【实验原理】【实验原理】1.分光原理与分光计 分光是指把复合光中不同波长或者频率的单色光分开。分光的方法有多种。比如，当光 线入射到透明介质中， 由于不同波长的光的折射率不同， 所以不同波长的光将沿不同方向出 射而分开，棱镜分光正是利用了这一现象；又如，复合光在衍射时，不同波长的光的衍射极 大出现的角度不同也会使
3、不同波长的光分开，光栅分光就是这个原理。2人为地分光一般是为了测量每一单色成分的波长、折射率、光强等，为了达到准确测量 的目的，通常需要在分光的基础上增加一些辅助器件，这些辅助器件包括：使入射光称为平 行光的平行光管， 放置分光器件的平台， 能够灵活转动并能将各单色光汇聚起来进行测量的 望远镜， 等等。 所有这些辅助器件， 连同分光装置， 便构成了分光计 （如图 5.6.1-5.6.3 所示） 。 由于分光计的主要部件能够转动， 能够测量光线的角度， 所以在不分光的情况下也能进行一 些测量，比如本实验中用分光计测量玻璃三棱镜对钠黄光的折射率便是如此。2.最小偏向角法测三棱镜的折射率图5.6.4
4、所示为光线通过三棱镜后的偏折情 况。图中三角形 ABC 表示三棱镜的横截面。AB 和 AC 是透光的光学表面，称为折射面，其夹角 A 称为三棱镜的顶角。BC 为毛玻璃面，称为三 棱镜的底面。 一束单色光线 LD 经待测三棱镜的 两次折射后，沿 ER 方向射出。入射光线与出射 光线的夹角称为偏向角，偏向角三棱镜的重要 特征量。的大小随入射光束在 AB 面上的入射 角 il而变。可以证明，当 i1=i4，即出射光和入射光相对棱镜对称时，偏向角有极小值min。将这一关系代入折射定律，同时考虑一些角度关系，可以得出折射率的如下表达式：)2/sin(2/ )sin(min AAn（5.6.1）3因此，只
5、要测出三棱镜顶角 A 及某种波长的光在三棱镜中的最小偏向角min，就可由式（5.6.1）计算该种物质对该波长的折射率。【实验仪器】【实验仪器】本实验仪器包括 JY 型分光计，三棱镜，平面反射镜，钠光灯等。1JY 型分光计1JY 型分光计分光计又称为光学测角仪，主要由底座、阿贝式自准直望远镜、平行光管、载物平台、度盘和游标内盘组成的读数装置等五个部分组成(图 5.6.5)。图 5.6.5分光计外型图1-平行光管狭缝装置2-狭缝装置锁紧螺钉3-平行光管镜筒4-游标盘制动架5-载物台 6-载物台调子螺钉7-载物台锁紧螺钉8-望远镜筒9-目镜筒锁紧螺钉10-阿贝式自准宜目镜11-日镜视度调节手轮12-
6、望远镜光轴俯仰角调节螺钉13-望远镜光轴水平方位调节螺钉14-支持臂15-望远镜方位角微调螺钉16-望远镜锁紧螺钉17-望远镜转座与度盘锁紧螺钉18-望远镜制动架底座20-望远镜转座21-主刻度盘22-游标内盘23-立柱24-游标盘微调螺钉25-游标盘锁紧螺钉26-平行光管光轴水平方位调节螺钉27-平行光管光轴俯仰角凋节螺钉28-狭缝宽度调节手轮分光计底座坚实平稳，中央为旋转中心轴。望远镜和读数盘可绕中心轴旋转。4（1）平行光管平行光管用以产生平行光。 镜筒 3 的一端装有消色差物镜， 另一端是装有可调狭缝 1 的套管，松开狭缝装置锁紧螺钉 2，移动套管使被照明的狭缝位于物镜的焦平面上， 就可
7、以发射平行光(图 5.6.6)。调节平行光管光轴水平方位调节螺钉 26 和平行光管光轴俯仰角调节螺钉 27 可以调节平行光管光轴的水平度和方位。（2）望远镜阿贝式自准直望远镜由阿贝式自准直目镜和消色差物镜组成(图 5.6.7)，用以观察图像和确定光线方位。转动图 5.6.5 中望远镜光轴俯仰角调节螺钉 12 和望远镜光轴水平调节螺钉 13，可以调节望远镜光轴的水平度和方位。望远镜目镜可以在目镜套筒 B 内滑动，刻有准线的分划板则固定在 B 筒内，转动图 5.6.5 中的目镜视度调节手轮 11 可以改变目镜和分划板的相对位置。分划板下边粘了一块 45小棱镜，其下侧光源发出的光经棱镜反射后可通过分
8、划板上的透光小十字窗出射。 物镜固定在 A 筒的一端。 松开图 5.6.5 中的锁紧螺钉 9，B 筒(连同目镜、分划板)可以在 A 筒内前后移动，当分划板被调到物镜的焦平面上时，从透光十字窗出射的光线通过物镜将成为平行光。 若在望远镜前置一平面反射镜， 且使镜面与望远镜光轴垂直，则经镜面反射的平行光将再次通过物镜并在物镜的焦平面上成像(自准直)，此时在目镜视场中可以看到反射光在分划板上部准线交叉点上，形成的清晰的绿色亮十字像。(为什么?)（3） 载物台载物台 5 是放置待测光学元件的圆型平台，拧紧锁紧螺钉 7，载物台可以和游标内盘一起绕5中心轴转动，松开螺钉则可单独旋转和升降。载物台的小平台下
9、面有三个调平螺钉，用来调节平台的高度和倾斜度。（4）读数装置读数装置由主刻度盘 21 和游标内盘 22 组成。主刻度盘分为 360，最小分度 0.5(30)。为了消除主刻度盘刻度中心与游标内盘中心不重合产生的偏心差，游标内盘上相隔 180对称设置了两个游标(见附录 1)，测量光线角位置时应同时记下左右两个游标的读数。游标上有 30 格，最小读数为 l。角游标的读数方法与游标卡尺相似，从主刻度盘上读出游标上的0 刻线所对的角度值，不满一格的数值，由游标上与主刻度盘刻线对得最准的游标分度值读出。例如，游标上的 0 刻线对着主刻度盘上的 160.5过一点，游标上的第 18 条刻线与主刻度盘上的某条刻
10、线对得最准，则角度数值为 16048。测量前可以先松开望远镜转座和度盘问的锁紧螺钉 17，将度盘的零度置于望远镜下以避免由于游标过零度引起的读数不便(附录 2)。但测量时必须拧紧螺钉，使度盘和望远镜一起转动。拧紧望远镜止动螺钉 16 后可以使用望远镜方位角微调螺钉 15 微调望远镜。2钠光灯2钠光灯一种实验室常用的， 利用钠蒸汽弧光放电发光的单色光源， 发射波长589.0nm和589.6nm两种单色黄光。由于波长十分接近，一般仪器难以将两条谱线分开，所以通常以其平均值589.3nm 作为纳光灯黄光的波长。【实验内容】【实验内容】1. 按照分光计的调节要求和调节方法调节好分光计为了获得精确的测量
11、结果， 应该使分光计的光学系统适合平行光， 使分光计的读数平面、观察平面(望远镜光轴在垂直中心轴的条件下绕中心轴旋转形成的平面)和待测光路平面(由待测光学元件上的入射、反射、折射或衍射光线形成的平面)相互平行(为什么?)。为此，必须首先调节好分光计，达到平行光管发射平行光，望远镜适合接收平行光(望远镜对无穷远聚焦)， 望远镜和平行光管光轴垂直于旋转中心轴。 载物台平面垂直于分光计的旋转中心轴。1)目镜调焦转动图 5.6.5 中的目镜视度调节手轮 11，调节目镜与分划板间的相对位置，直至在目镜视场中能看到清晰的准线。调好后一般情况下不要再动调节手轮。2)调节望远镜适合接收平行光(望远镜对无穷远聚
12、焦)(1)目测粗调。通过调节望远镜的光轴俯仰角调节螺钉以及载物台调平螺钉粗调望远镜6和载物台，目测达到望远镜的光轴基本水平并指向旋转中心轴，载物台平面大致水平。粗调很重要，粗调完成得不好，细调会很困难。粗调完成得好，放上平面镜打开望远镜的照明光源，就可以观察到十字窗口的绿色反射像。(2)用自准法细调。 将望远镜光轴与载物台上的反射镜镜面垂直， 打开望远镜的照明灯，目镜视场内即会出现(可能比较模糊的)绿色十字反射像。(如果转动载物台始终找不到反射像，就应该再进行粗调)。松开目镜筒锁紧螺钉，前后移动镜筒 B(图 5.6.7)，以调节分划板与物镜的相对位置(注意不要碰动目镜视度调节手轮)， 直至将分
13、划板调到物镜焦平面上， 从目镜中观察分划板准线和绿色亮十字都非常清晰且无视差， 则望远镜已对无穷远聚焦， 只有发射平行光的物体才能在分划板平面上产生最清晰的像。无视差是指当观察者眼睛左右移动时， 准线和绿色亮十字之间没有相对位移， 即测量准线和被测目标处于同一平面， 这是使用助视光学仪器进行测量时应达到的调节要求。 这里可以通过仔细移动望远镜目镜套筒和转动目镜视度调节手轮实现。调节完成后应拧紧锁紧螺钉。3)调节望远镜光轴垂直旋转中心轴望远镜光轴和旋转中心轴都不可见，可以借助平面反射镜调节。如图 5.6.8 （a）所示，如果望远镜光轴垂直反射镜平面但不垂直旋转中心轴，那么反射镜随游标盘旋转 18
14、0后，目镜视场中绿色十字反射像将消失(或上下位移)，只有当反射镜法线和望远镜光轴都垂直旋转中心轴时(如图 5.6.8（b）所示)，绿色十字反射像才始终在正确的位置。因此可以用旋转 180各半调节逐次逼近法调节望远镜光轴垂直旋转中心轴。(1)按图 5.6.9 所示放置反射镜， 使之位于载物台的 3 个调平螺钉 a、b 、c 构成的等边三角形的条中垂线上。松开图5.6.5 中游标盘锁紧螺钉 25，拧紧载物台锁紧螺钉 7，让载物台与游标内盘起转动。(2)望远镜对准反射镜的一个反射面 A， 如果反射亮十字与分划板准线上面的交叉点不重合(图 5.6.10(a)，可调节该反射面前面的载物台调平螺钉 c，7
15、使偏离减少一半(图 5.6.10(b)，再调望远镜俯仰角调节螺钉减少剩下的半(图5.6.10(c)。 然后将游标内盘(连同载物台、 反射镜)旋转 180让望远镜对准另一反射面 B，调节望远镜俯仰角调节螺钉使十字像与准线的偏离减少一半， 再调载物台下该反射面前面的螺钉 a， 使亮十字与准线上面的交叉点重合。 重复上述过程， 直至望远镜对准任一个反射面，亮十字都和准线上面的交叉点重合为止。 调节完成后注意松开载物台与游标内盘间的锁紧螺钉 7，使载物台可以单独旋转升降。同时必须拧紧锁紧螺钉 25 固定游标内盘。望远镜光轴垂直旋转中心轴的调节一经完成，就不允许再动望远镜俯仰角调节螺钉。(3)以上步骤中
16、没有也不需要调节调平螺钉 b (为什么?)，所以载物台不一定平。要调平载物台应将反射镜转一个角度，使镜面垂直 ba 或 bc 连线，望远镜对准反射镜，如果绿色十字像没有与准线上方的交叉点重合， 可单独调节螺钉 b 使之重合。 调平载物台后应关闭望远镜照明灯。(4)调节平行光管发射平行光及平行光管光轴垂直旋转中心轴。将望远镜对准平行光管，以望远镜为基准， 调节平行光管光轴的俯仰角和水平方位， 目测使平行光管光轴基本与望远镜光轴一致，狭缝宽度适当调窄(一般已经调好不需调)。松开图 5.6.5 中的狭缝锁紧螺钉 2，前后移动狭缝装置， 直至望远镜视场中呈现十分清晰的狭缝像且与准线无视差， 平行光管发出的即是平行光。 因为只有当平行光管发射平行光时， 从已调到适合接收平行光的望远镜视场中才能看到清晰的狭缝像。 进一步调节平行光管俯仰角， 使竖直狭缝中心与准线中部交叉点重合，而且将狭缝转过 90其中心仍然能与交叉点重合。测量时狭缝应处于竖直位置。至此，分光计调节完毕。此时，除了因更换待测器件（如平面镜，三棱镜，光栅等）需微调
