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1、实验 2 三棱镜的角度与色散测量报告人同组实验者时间实验目的:1了解分光仪的构造原理,学会正确使用分光仪2掌握棱镜角度测试的原理和方法3了解光的折射与棱镜色散现象一、实验仪器:分光仪、汞灯、三棱镜、LED (红、绿、黄 ) 二、实验原理:1.分光仪的结构可用来测量各种光之间的角度。其基本原理是,让光形成一束平行光线, 经光学元件反射或折射后, 通过目镜观察和测量各光线的偏向角度。2.分光仪的调整1)调望远镜对向无穷远,此时反射镜应正直地放在物台上。放反射镜时应使反射面压住一只支撑螺钉,且与另两只支撑螺钉的连线垂直;2)调望远镜光轴垂直于仪器转轴3.角度测量原理:用分光仪测量棱镜顶角可采用两种方
2、法(见下图):o(1)180(2)/ 2图1 顶角测量方法用望远镜依次对准夹棱镜顶角的两个面(要转动望远镜不要转动载物台),使得返回的十字像在分划板上重合(说明自准直望远镜已经垂直于被测的面),记录下望远镜的两个角度读书,望远镜转过的角度与顶角互补。使待测顶角对向平行光管, 望远镜依次观察由两个面反射的狭缝像,记录下望远镜的两个角度读书,望远镜转过的角度为顶角的两倍。4. 最小偏向角法原理:如图所示三棱镜的截面, P 顶点,两边是透光的光学表面,又称折射面,夹角称为三棱镜的顶角。 假设某一波长的光线AB 入射到棱镜中, 经过两次折射后沿 DE 方向射出,则入射线AB 与出射线 称为偏向角。由图
3、中几何关系,偏向角 =FBD+FDB=I1-I2 -,因为顶角 满足=I1 -I2,对于给定的三棱镜来说,角是固定的, 随 I1和 I2 而变化。其中 I2 与,n (棱镜折射率 ),I1依次相关,当 I1变化时,偏向角 有一极小值,称为最小偏向角。三、实验步骤及现象1.调整分光仪:调望远镜对像无穷远,此时反射镜应正直地放在载物台上。放反射镜时应使反射面压住一只支撑螺钉, 且与另两只连线垂直;(1) 目测粗调,用眼睛从仪器侧面观察,使望远镜光轴、平行光管光轴与载物台面均大致垂直于仪器主轴;(2) 旋转目镜内筒,使目镜看到清晰的分划板;(3)在载物台上放上反射平面镜,开启照明灯,缓慢转动小平台,
4、找到反射像( “+”字)后,伸缩目镜套筒使之最清晰;(4)调节望远镜光轴垂直于分光计主轴,将小平台旋转180 度,仍能看到反射像,若两反射像位于目标位置同一侧,则先调望远镜的高低,把离目标较近的那个“ +”字像先调整好,若两反射像位于目标位置异侧,则采用各半调节法,先调节小平台前后螺丝,是像与目标位置距离缩小一半,在调节望远镜使之与目标位置重合; (需要进行多次调节)(5)将反射镜转过 90 度后重复步骤( 4) ;(6)对平行光管进行调焦,打开汞灯,伸缩平行光管套筒使在望远镜中能看到清晰地狭缝像;(7) 调整平行光管的光轴垂直于旋转主轴,将望远镜对准狭缝的像,使狭缝转过 90 度调节平行光管
5、下的倾度调节螺丝,使狭缝像位于分划板中心线上,然后将平行光管狭缝调回垂直状态;(8) 视差的调节,从目镜进行观察,左右晃动眼睛,观察“+”字像与分划板是否存在相对移动,若存在则调节高斯目镜。2. 放置三棱镜:使棱镜待测角 A 的一个边与载物台水平调整脚(Z1、Z3)的连线垂直,这样在调 Z2 时,棱面 AB 的状态可以保持不变。 分光仪的载物台上有刻线标志,可以帮助正确安置棱镜。3. 调整载物台:使棱镜待测角的棱线与转轴平行。注意调整AC 面的俯仰时,只要调整Z2脚,以保证先调好的AB 面不变。4. 按原理中两种方法测量棱镜顶角,计算数据。5.观察偏向角的变化将三棱镜置于载物台上, 并使三棱镜
6、折射面的法线与平行光管轴线的夹角约为 60 度。用光源照亮狭缝, 根据折射定理判定折射光的出射方向。先用眼睛(不在望远镜内)在此方向上观察,如果使用汞灯的话可以看到几条平行的彩色谱线,然后慢慢转动载物台, 同时注意谱线的移动情况, 观察偏向角的变化。 顺着偏向角减小的方向, 缓慢转动载物台, 使偏向角继续减小, 直至看到谱线移至某一位置后将反向移动。这说明偏向角存在一个最小值(逆转点)。谱线移动方向发生逆转时的偏向角就是最小偏向角。用望远镜观察谱线。 再细心转动载物台时, 使望远镜一直跟踪谱线, 并注意观察某一波长谱线移动的情况(各波长谱线的逆转点不一样)。在该谱线逆转移动时,拧紧游标盘制动螺
7、丝, 调节游标盘微调螺丝, 准确找到最小偏向角的位置。6. 测量最小偏向角位置转动望远镜,使谱线位于分划板中央,旋紧连杆固定销固定望远镜,调节望远镜微调螺丝,使望远镜内的分划板十字刻度线的中央竖线对准该谱线的中央,从两个游标上读出该谱线折射光线的角度。分别读出四个光谱的角度。7. 发光二极管谱线测定固定载物台,关闭汞灯,分别换成红、黄、绿色发光二极管,转动望远镜,观察谱线对应角度测量读出示数。四、实验数据处理:4.1 60 度顶角的测量顶角测量第一次第二次第三次顶角角度测量结果A面盘左106411063910642平均值6237盘右286432864128640平均值1964219640196
8、41B面盘左224222432245标准差0.024 盘右444445445平均值134313441345顶角角度6239623662364.2 Hg 灯谱线的标定(在最小偏向角附近即可)谱线序号1(黄)2(绿)3(蓝紫)4(紫)名义波长( nm)579 546.1 435.8 404.7 读数值1 4694625472847582 46134621472447583 4694625472347594 4610462447284759平均值461015462345472545475830波长与角度关系曲线(画图) :4.3 发光二极管谱线测量二极管颜色红黄绿读数值1 4552304684621
9、2 455146946213 455146646224 4552304644619平均值45513046645402025名义波长( nm)683 568 533 插值计算公式:X、 Y、Z、X、Y,求 Z 的值( X- Z)/(X-Z )=( Z-Y)/(Z-Y )五、自问自答1为什么要调整棱镜的棱线与转台轴平行?答:保证棱镜转动过程中入射面保持不变。因为在实验过程中, 需要旋转载物台,如果棱镜的棱线不与载物台轴平行,在转动载物台后, 所成的相会上下移动。2怎样才能快速调整好棱镜的位置?答:使棱镜待测角A 的一个边与载物台水平调整脚(Z1、Z3)的连线垂直,这样在调 Z2 时,棱面 AB 的状态可以保持不变。 分光仪的载物台上有刻线标志,可以帮助正确安置棱镜。3光的色散是如何引起的,你所测量的材料是正色散还是负色散?答:对于同一种介质,不同波长的入射光的折射率是不同的,非单色光经过介质发生折射后,不同波长的光将分离,形成色散。正色散1你认为这次测量的精度如何?误差大致在什么范围?答:光学仪器比较精密,计算方法也很科学,所以本次测量的精度较高。