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1、实验四 分光计的调整及光栅常数的测定分光计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）。应用分光计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了解分光计构造的基本原理。2学习分光计的调整技术，掌握分光计的正确使用方法。3利用分光计测定光栅常数。【实验原理】1分光计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，分光计就
2、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计的刻度盘平行。为此，分光计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。同一直径方向两端各有一个游标读数装置，
3、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。图4-1 JJY型1分光计分划线十字叉丝 图4-2 望远镜结构 图4-3 分划板视场 望远镜。阿贝自准直望远镜
4、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。图4-4 衍射光栅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
5、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。 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
6、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。根据夫琅和费衍射理论，衍射光谱中明条纹的位置由下式决定：（a+b）sink=k（k=0，1，2，） （4-1）式中a+b=d称为光栅常数，k为光谱级数，k为第k级谱线的衍射角。见图4-4，k=0对应于=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，不同，k也各不相同，于是将复色光分解。而在中央k=0，k=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
7、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。根据式（4-1），如能测出各种波长谱线的衍射角k，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。【实验仪器】 分光计，钠光灯，双平面镜，光栅。图4-5 光栅衍射谱【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。2取放双面镜及光栅时只能拿边缘，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
8、晰。3望远镜调焦：取出双平面镜，扣在望远镜8的前端，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-
9、3所示位置（实际操作中可简化为十字像横与分划线重和）。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
10、半，再调节螺钉a使二者重合。这样反复多次一半一半地调节，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4-6 双面镜初放置 图4-7 双面镜转置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
11、远镜的调焦，然后将目镜的锁紧螺钉旋紧。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11左一级12右一级122左一级右一级3左一级右一级7用钠黄光（=589.3nm）测衍射角：将平行光管
12、正对钠光灯，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。图12-8 角游标读数练习 图12-9 偏心差原理如此，得本光栅对钠黄光的一级衍射角为 （4-2）求得此光栅衍射的一级衍射角的三次测量的平均值，取B=1=度，求测量结果的不确定度1，并由求得光栅常数，由1利用不确定度传递公式 （4-3）求得d，则光栅常数d=d。*注意要化为弧度。【思考题】1.应用分光计进行测量之前，应调节到何种状态?2.调节分光计的基本步骤是什么?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，O与O分别为刻度盘与游标盘的中心，游标盘转过的角度为，但读出的角度，在两个游标上分别为1和2。由几何原理可知：， 又因为故所以实验时，取两个游标读出的角度数值的平均值。
