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1、分光计的不同用途作者：顾怀斌红河学院理学院08物理2班 学号：200802050220摘要：分光计是光学实验中非常重要的工具，我们要对其熟练的掌握和加以应用。本文将展示出分光计的两种不同的用法,测量三棱镜的折射率，借助透射光栅测量光波的波长关键词：分光计；三棱镜；折射率；光栅；折射率Abstract: The spectrometer is the optical experiments, a very important tool, we need to understand and be trained for their application .This article will de
2、monstrate the usage of two different spectrometer, measuring the refractive index of prism, measured with transmission grating the wavelength of light wavesKeywords: spectrometer; prism; index of refraction; grating; index of refraction引言：光学领域的不断的高速发展的今天我们对材料的应用上要求越来越高，如在军事方面天文学，望远镜镜片，战斗机的挡风有机玻璃，和现在
3、一些高端设备等等。对材料的折射率是很精确的，因此在生产时就要对其检测是否合格。还有光波在科学发展的领域中也越来越具有重要的地位，很多仪器装备都与光波，如光波给食物加热，遥控等等，在这些应用中我们需要不同波长的光波，在选择光波时，波长则是一个重要的参量，因此对光波波长的测量方法在科学领域中也是尤为重要的，因此我们要懂得光波波长的测量方法并加以应用。实验原理1.三棱镜折射率三棱镜如图-1 所示，AB和AC是透光的光学表面，又称折射面，其夹角称为三棱镜的顶角；BC为毛玻璃面，称为三棱镜的底面。图-11.1棱脊分束法测三棱镜顶角如图-2 所示，一束平行光入射于三棱镜，经过AB面和AC面反射的光线分别沿
4、和方位射出，和方向的视数分别为和，由几何学关系可知： 图-2 图-31.2棱镜折射率的测量，由于我们实验室用的三棱镜的切面为正三角形所以根据原理图可得入射角角我们利用分光计可以测出如图-3所示。角即为偏向角。射棱镜的折射率为，空气的折射率为1.则由上面的方程组可得棱镜的折射率为 (1)2.光栅的波长 图-4 图-5若以单色平行光垂直照射在光栅面上（图-4），则光束经光栅各缝衍射后将在透镜的焦平面上叠加，形成一系列间距不同的明条纹（称光谱线）。根据夫琅和费衍射理论，衍射光谱中明条纹所对应的衍射角应满足下列条件：（2）式中d=a+b称为光栅常数（a为狭缝宽度，b为刻痕宽度，参见图-5），k为光谱线
5、的级数，为k级明条纹的衍射角，是入射光波长。该式称为光栅方程。如果入射光为复色光，则由（2）式可以看出，光的波长不同，其衍射角也各不相同，于是复色光被分解，在中央k=0，=0处，各色光仍重叠在一起，组成中央明条纹，称为零级谱线。在零级谱线的两侧对称分布着级谱线，且同一级谱线按不同波长，依次从短波向长波散开，即衍射角逐渐增大，形成光栅光谱。由光栅方程可看出，若已知光栅常数d，测出衍射明条纹的衍射角，即可求出光波的波长。 （3）实验内容1.折射率1.1.调节分光计。(1)目测粗调。将望远镜、载物台、平行光管用目测粗调成水平，并与中心轴垂直(粗调是后面进行细调的前提和细调成功的保证)。(2)用自准法
6、调整望远镜，使其聚焦于无穷远。调节目镜调焦手轮,直到能够清楚地看到分划板准线为止。 接上照明小灯电源，打开开关，可在目镜视场中看到如图-6所示的“准线”和带有绿色小十字的窗口。 图-6目镜视场 将双面镜按图-7所示方位放置在载物台上。这样放置是出于这样的考虑：若要调节平面镜的俯仰，只需要调节载物台下的螺丝a1或a2即可，而螺丝a3的调节与平面镜的俯仰无关。图-7平面镜的放置 沿望远镜外侧观察可看到平面镜内有一亮十字，轻缓地转动载物台，亮十字也随之转动。但若用望远镜对着平面镜看，往往看不到此亮十字，这说明从望远镜射出的光没有被平面镜反射到望远镜中。我们仍将望远镜对准载物台上的平面镜，调节镜面的俯
7、仰，并转动载物台让反射光返回望远镜中，使由透明十字发出的光经过物镜后（此时从物镜出来的光还不一定是平行光），再经平面镜反射，由物镜再次聚焦，于是在分划板上形成模糊的像斑（注意：调节是否顺利，以上步骤是关键）。然后先调物镜与分划板间的距离，再调分划板与目镜的距离使从目镜中既能看清准线，又能看清亮十字的反射像。注意使准线与亮十字的反射像之间无视差，如有视差，则需反复调节，予以消除。如果没有视差，说明望远镜已聚焦于无穷远。 (3)调整望远镜光轴，使之与分光计的中心轴垂直。 平行光管与望远镜的光轴各代表入射光和出射光的方向。为了测准角度，必须分别使它们的光轴与刻度盘平行。刻度盘在制造时已垂直于分光计的
8、中心轴。因此，当望远镜与分光计的中心轴垂直时，就达到了与刻度盘平行的要求。具体调整方法为：平面镜仍竖直置于载物台上，使望远镜分别对准平面镜前后两镜面，利用自准法可以分别观察到两个亮十字的反射像。如果望远镜的光轴与分光计的中心轴相垂直，而且平面镜反射面又与中心轴平行，则转动载物台时，从望远镜中可以两次观察到由平面镜前后两个面反射回来的亮十字像与分划板准线的上部十字线完全重合，如图-8（c）所示。若望远镜光轴与分光计中心轴不垂直，平面镜反射面也不与中心轴相平行，则转动载物台时，从望远镜中观察到的两个亮十字反射像必然不会同时与分划板准线的上部十字线重合，而是一个偏低，一个偏高，甚至只能看到一个。这时
9、需要认真分析，确定调节措施，切不可盲目乱调。重要的是必须先粗调：即先从望远镜外面目测，调节到从望远镜外侧能观察到两个亮十字像；然后再细调：从望远镜视场中观察，当无论以平面镜的哪一个反射面对准望远镜，均能观察到亮十字时，如从望远镜中看到准线与亮十字像不重合，它们的交点在高低方面相差一段距离如图-8(a)所示。此时调整望远镜高低倾斜螺丝使差距减小为h/2，如图-8(b)所示。再调节载物台下的水平调节螺丝，消除另一半距离，使准线的上部十字线与亮十字线重合，如图-8(c)所示。之后，再将载物台旋转180o ，使望远镜对着平面镜的另一面，采用同样的方法调节。如此反复调整，直至转动载物台时，从平面镜前后两
10、表面反射回来的亮十字像都能与分划板准线的上部十字线重合为止。这时望远镜光轴和分光计的中心轴相垂直，常称这种方法为逐次逼近各半调整法。图-8 亮十字像与分划板准线的位置关系 （4）调整平行光管 用前面已经调整好的望远镜调节平行光管。当平行光管射出平行光时，则狭缝成像于望远镜物镜的焦平面上，在望远镜中就能清楚地看到狭缝像，并与准线无视差。 调整平行光管产生平行光。取下载物台上的平面镜，关掉望远镜中的照明小灯，用钠灯照亮狭缝，从望远镜中观察来自平行光管的狭缝像，同时调节平行光管狭缝与透镜间的距离，直至能在望远镜中看到清晰的狭缝像为止，然后调节缝宽使望远镜视场中的缝宽约为1mm。 调节平行光管的光轴与
11、分光计中心轴相垂直。望远镜中看到清晰的狭缝像后，转动狭缝（但不能前后移动）至水平状态，调节平行光管倾斜螺丝，使狭缝水平像被分划板的中央十字线上、下平分，如图-9(a)所示。这时平行光管的光轴已与分光计中心轴相垂直。再把狭缝转至铅直位置，并需保持狭缝像最清晰而且无视差，位置如图-9(b)所示。 （a） (b)图-9狭缝像与分划板位置 至此分光计已全部调整好，使用时必须注意分光计上除刻度圆盘制动螺丝及其微调螺丝外，其它螺丝不能任意转动，否则将破坏分光计的工作条件，需要重新调节。1.2.棱镜角的测量调节好分光计以后把棱镜放置于载物台上，注意要把棱镜角和准直管相对，然后转动望眼镜在棱镜的两个光学面侧转
12、动如图-2使望眼镜在和位置看到反射光。在和两个位置处的视数分别为和则棱镜角为 1.3折射率的测量折射率的测量实质为偏向角的测量分划板准线和准直管出来的钠光条重合（保证望眼镜载物台中心和准直管在同一条线上），记录下此时的视数为，然后把棱镜放置在载物台上让其一个光学面和望远镜垂直如图-8所示（光学面具有反光性应用反光时绿色十字交叉丝和分划板准线重合时判断为垂直），转动一个角度使之望眼镜能看到钠光条并和分划板准线重合此时的视数为。这个角度就是偏向角 利用公式可得折射率。2光波波长的测定2.1分光计的调节和上面分光计的调节一样2.2调节光栅（1）调节光栅平面与分光计转轴平行，且光栅面垂直于准直管图-1
13、0先把望远镜叉丝对准狭缝，再将平面光栅按图-10置于载物台上，转动载物台，并调节螺丝a或b，直到望远镜中从光栅面反射回来的绿十字像与目镜中的调整叉丝重合，至此光栅平面与分光计转轴平行，且垂直于准直管、固定载物台。(2)调节光栅刻痕与转轴平行转动望远镜，观察光栅光谱线，调节栽物台螺丝c，使从望远镜中看到的叉丝交点始终处在各谱线的同一高度。调好后，再检查光栅平面是否仍保持与转轴平行，如果有了改变，就要反复多调几次，直到两个要求都满足为止。2.3测定光栅常数d用望远镜观察各条谱线，然后测量相应于级的汞灯光谱中的蓝紫线（nm）的衍射角，重复测4次后取平均值，代入式（2）求出光栅常数d。2. 4测定光波
14、波长选择汞灯光谱中的蓝色和黄色的谱线进行测量，测出相应于级谱线的衍射角，重复5次后取平均值。将测出的光栅常数d代入式（2），就可计算出相应的光波波长。并与标称值进行比较。2.5测量光栅的角色散用汞灯为光源，测量其1级和2级光谱中双黄线的衍射角，双黄线的波长差为2.06nm，结合测得的衍射角之差，2.6测定光栅常数d用望远镜观察各条谱线，然后测量相应于级的汞灯光谱中的蓝紫线（nm）的衍射角，重复测4次后取平均值，代入式（2）求出光栅常数d。2.7测定光波波长选择汞灯光谱中的蓝色和黄色的谱线进行测量，测出相应于级谱线的衍射角，重复3次后取平均值。将测出的光栅常数d代入式（2），就可计算出相应的光波波长。并与标称值进行比较。实验数据处理1.折射率表一实验次数位置时的视数位置时的视数棱镜角1234 棱镜角表二实验次数偏向角折射率11.6421.6431.6541.6651.641.65 棱镜折射率2.光波的波长表
