分光仪调整及光栅常数测定工科

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1、实验四 分光仪的调整及光栅常数的测定分光仪作为基本的光学仪器之一，它是精确测定光线偏转角的仪器，也称之为测角仪。光学中很多基本量（如反射角、折射角、衍射角等）都可以由它直接测量。因此，可以应 用它测定物质的有关常数（如折射率、光栅常数、光波波长等），或研究物质的光学特性 （如光谱分析）。应用分光仪必须经过一系列仔细的调整，才能得到准确的结果。因此， 在学习使用过程中，要做到严谨、细致，才能正确掌握。【实验目的】1了解分光仪构造的基本原理。2学习分光仪的调整技术，掌握分光仪的正确使用方法。3利用分光仪测定光栅常数。【实验原理】1分光仪光线入射到光学元件上，由于反射或折射等作用，使光线产生偏离，分

2、光仪就是用来 测量入射光与出射光之间偏离角度的一种仪器。要测定此角，必须满足两个条件： 入射光与出射光均为平行光； 入射光、出射光以及反射面或折射面的法线都与分光仪的刻度盘平行。为此，分光仪上装有能造成平行光的平行光管、观察平行光的望远镜及放置光学元件 的载物台，它们都装有调节水平的螺钉。为了读出测量时望远镜转过的角度，配有与望远 镜连接在一起的刻度盘，如图 4-1 所示。各部分别介绍如下： 读数装置。在底座 19的中央固定一中心轴，度盘 22 和游标盘 21套在中心轴上，可以 绕中心轴旋转； 度盘下端有轴承支撑， 使旋转轻便灵活； 度盘上的刻线把 360圆周角分成 720 等份，每份为30。

3、同一直径方向两端各有一个游标读数装置，测量时，对望远镜的两个位 置中每一位置都读出两个数值，然后对同侧的差值读数取平均值，这样可以消除因偏心引 起的误差（见本实验参考资料）。 平行光管。立柱 23固定在底座上，平行光管 3安装在立柱上，平行光管的光轴位置 可以通过立柱上的调节螺钉 26、27分别进行左右、水平微调，平行光管有一狭缝装置1。旋松螺钉 2，转动装有狭缝的内套筒使狭缝成严格的垂直状，前后移动内套筒，使狭缝严格地 处在透镜焦平面上，则平行光管发出狭缝平行光。狭缝的宽度可在0.022.00mm内由螺钉28调节，一般在教师指导下调节。2S14151623 32 21 20121327262

4、524191图i9-i jjy型r分光计1狭讎；2.醍订；3一平行光管2一制动架；5,载物台；6, 7.螺th 8.望远犠*螺钉；m.目镜组；II,手轮* 2 13.14.支Wf L5U6,17.螺钉门&制动架；19.底座；20.转座+游标盘；22.度盘；23.立柱；24“ 25,26,27.28,褪钉图4-1 JJY型1分光计图4-2望远镜结构分划线图4-3分划板视场望远镜。阿贝自准直望远镜 8安装在支臂14上，支臂和转座20固定在一起并套在度 盘上。当松开制动螺钉 16时，转座和度盘可以相对转动，当旋紧此制动螺钉，转座和度盘 一起旋转。旋紧制动架 18与底座上的制动螺钉 17时，借助于此制

5、动架末端上的调节螺钉15可以对望远镜进行左右转动微调。望远镜的光轴位置，可以通过螺钉12、13分别进行水平、左右微调。阿贝自准直望远镜内部结构如图12-2所示，从目镜所见分划板视场如图4-3。旋目镜调焦手轮11,使目镜中能十分清晰地看到分划板上的分划线。旋松螺钉9,转动目镜组10使分划线成水平状。前后移动目镜组，使分划板处在物镜的焦平面上，则亮十字经物镜发出的 光为平行光，当它被反射回望远镜时，将在分划板上成清晰的亮十字像，且与实物亮十字 无视差。图4-4衍射光栅 载物台。载物台5套在游标盘 上,可绕中心轴旋转，旋紧载物台锁紧 螺钉7和制动架4与游标盘的制动螺钉 25时，借助于立柱23的调节螺

6、钉24可以 对载物台进行微调。放松载物台锁紧螺 钉时，载物台可根据需要升高或降低。 调到所需位置后，再把锁紧螺钉锁紧。 载物台有三只调平螺钉 6,可用来调节 载物台面，使之与旋转主轴垂直。照明。外接6.3V电源，插头插 在底座的插座上，经导电环通到转座的 插座上，望远镜系统的照明器插头与之 相接，这样可以避免望远镜系统旋转时电线拖动。2. 光栅光栅是由许多等宽度 a （透光部分）、等间距 b （不透光部分）的平行缝组成的一种分 光元件。当波长为 的单色光垂直照射在光栅面上时，则透过各狭缝的光线因衍射将向各方 向传播，经透镜会聚后相互干涉，并在透镜焦平面上形成一系列间距不同的明条纹。根据 夫琅和

7、费衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定：（a+b） sin 氐=k 入（k=0， 1， 2，）（4-1）式中a+b=d称为光栅常数，k为光谱级数，点为第k级谱线的衍射角。见图 4-4， k=0对应于0=0,称为中央明条纹，其它级数的谱线对称分布在零级谱线的两侧。如果入射光不是单色光，则由式（4-1）可知， 环同，0k也各不相同，于是将复色光分 解。而在中央k=0 , 0k=0处，各色光仍然重叠在一起，组成中央明条纹。在中央明条纹两侧 对称地分布k=1 , 2，级光谱线，各级谱线都按波长由小到大，依次排列成一组彩色谱线， 如图4-5所示。人射光中央町条A =0根据式（4-1），如能测 出各

8、种波长谱线的衍射角 0k,则从已知波长的大小， 可以算出光栅常数d;反之， 已知光栅常数d,则可以算出 波长入【实验仪器】分光仪，钠光灯，双平 面镜，光栅。【注意事项】1. 移动望远镜时，只能 推动立柱14,不允许搬动镜 筒及目镜。-级切糸2. 取放双面镜及光栅时图4-5光栅衍射谱只能拿边缘，不许触摸表面，且严防失手摔碎；不许擦拭光栅。3 狭缝宽度要在教师指导下缓慢调节。【实验步骤】1首先，检查仪器及用具是否齐全、完好，然后将钠灯电源插头插于墙上，打开钠光 灯预热。打开6V变压器开关。2. 目镜的调焦：转动接目镜调焦手轮11直至视场中分划线清晰。3. 望远镜调焦：取出双平面镜，扣在望远镜8的前

9、端，即使平面镜平面与望远镜光轴垂直。从目镜中观察，可以看到一亮斑，旋松螺钉9，前后微动目镜组，对望远镜进行调焦，使亮斑成为清晰的十字像，旋紧螺钉9。4. 调整望远镜光轴、载物台平面垂直于旋转主轴：粗调：调节载物台a、b、c三只螺钉使两圆盘夹缝处螺钉螺纹数大致相等（6个螺纹数最佳）；调节目镜下方螺钉12使望远镜大致水平。细调：把双平面镜按图12-6所示方位放置于载物台上，左手使灰台板左右小角度转动，使平面镜平面与望远镜光轴有横向垂直机会，眼看目镜，同时用右手调节望远镜水平调节螺钉12 （寻找纵向垂直机会）至视场中出现亮十字像，并调 12使十字像处于 图4-3所示位置（实际操作中可简化为十字像横与

10、分划线重和）。转动灰台板使双平面镜转 到反面，用手小角度左右转动，寻找反面垂直机会，若无十字像出现，立即把平面镜转回 正面。观察望远镜状态，看目镜一端是向上还是向下倾斜？判断后，调节螺钉12校正望远镜水平，此时，视场中十字像偏离了分划线（注意：上-不可出视场；下-不过横叉丝）,调节载物台螺钉a，使亮十字像回到分划线，经过一次或多次判断、调节，反面视场中定会 看到十字像。但此时反面十字像横与分划线不重和。调节螺钉12使十字像向分划线趋近一半，再调节载物台螺钉 b使二者重合（以下称一半一半法）；转回正面，十字像横与分划线又不重和了，调螺钉 12使十字像向分划线趋近一半，再调节螺钉a使二者重合。这样

11、反复多次一半一半也调节，就会使得两面的十字像横均与分划线重合，望远镜光轴与旋转主 轴垂直了，但此时载物台平面不一定与旋转主轴垂直，这是由于两条直线确定一个平面。以上仅调了一条直线，即 a、b螺钉顶端所在的直线。这时可把双面镜按图4-7所示放置，调节螺钉c （此时不能再动螺钉a、b、12）使双面镜正面对应十字像横与分划线重合，这时载 物台平面与旋转主轴垂直了。图4-7双面镜转置图4-6双面镜初放置5调节分划板成水平和竖直当载物台连同双平面镜相对望远镜旋转时观察，如果分划线与亮十字的移动方向不平行，就要转动目镜组，使亮十字的移动方向与分划线平行。 注意，此时不可破坏望远镜的调焦，然后将目镜的锁紧螺

12、钉旋紧。6.平行光管的调焦 首先关掉望远镜目镜照明器上的光源， 拿走载物台上的双平面镜。 打开狭缝28,用漫反射光照明狭缝，前后移动狭缝装置 1,使狭缝清晰地成像在望远镜分划 板平面上。然后把平行光管光轴左右调整螺钉26调到适中位置，并调节望远镜光轴左右调整螺钉13和平行光管水平调整螺钉 27,使狭缝位于视场中心。最后，旋转狭缝装置，使狭 缝与目镜分划板的叉丝竖线平行，注意不要破坏平行光管的调焦，然后将狭缝装置锁紧螺 钉旋紧。表4-1次数目镜竖丝位置左端刻度盘读数右端刻度盘读数1左一级010右一级02左一级右一级3左一级右一级7用钠黄光（入 =589.3nm ）测衍射角：将平行光管正对钠光灯，

13、并将光栅放在载物台 上使其与平行光管光轴垂直，观察其零级及一级衍射条纹，可以看到一级衍射条纹是两条 靠得很近的谱线（589.0nm和589.6nm）,?=589.3nm是它们的波长的平均值。分别测定左一级、右一级衍射条纹左、右两端刻度盘的读数，重复测量三次，并记录在表4-1中。:3 越 13 图12-9偏心差原理图12-8角游标读数练习如此，得本光栅对钠黄光的一级衍射角为11 =丄|弓-如2 -切丨（4-2）41求得此光栅衍射的一级衍射角的三次测量的平均值，取AB=1上丄度，求测量结果60的不确定度如，并由町求得光栅常数d，由AM利用不确定度传递公式(4-3) cos ；：k .,sin2 匚

14、求得Ad,则光栅常数d= d A。*注意AM要化为弧度。【思考题】1. 应用分光仪进行测量之前，应调节到何种状态2. 调节分光仪的基本步骤是什么 ？3. 按游标原理，读出图4-8中的角度数。参考资料消除偏心差的原理由于刻度盘中心与游标盘中心并不一定重合，真正转过的角度同读出的角度之间会稍 有差别，这个差别叫偏心差”。如图4-9所示，0与0分别为刻度盘与游标盘的中心，游标盘转过的角度为為但读出的角度，在两个游标上分别为 切和血。由几何原理可知：1 .1 ./11 ,/2222又因为所以实验时，取两个游标读出的角度数值的平均值。实验步骤：1调整分光仪：调整望远镜：a目镜调焦：清楚的看到分划板刻度线。b调整望远镜对平行光聚焦：分划板调到物镜焦平面上。c调整望远镜光轴垂直主轴：当镜面与望远镜光轴垂直时，反射象落在上十字 线中心，平面镜旋转180后，另一镜面的反射象仍落在原处。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面上， 物镜将出射平行光。