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分光计的调整与使用

【实验目的】

★基本要求 ◆提高要求
1、了解各部分构造;
2、学会正确调整分光计;
3、理解角游标测读原理和测读方针;
4、理解钠光灯的正确使用与保护;
5、掌握测定棱镜角的方法;
6、掌握最小偏向角的测量方法,并求测棱镜玻璃的折射率。
1、设计观察色散现象的实验方案;
2、设计测玻璃折射率的几种方案;
3、设计光栅法测汞灯光谱的实验方案;
4、设计测一体折射率的实验方案。

【实验仪器】

JJY型分光计及附件,钠灯,三棱镜。

【实验原理】

分光计,是一种测量角度的精密仪器。其基本原理是,让光线通过狭缝和聚焦透镜形成一束平行光线,经过光学元件的反射或折射后进入望远镜物镜并成像在望远镜的焦平面上,通过目镜进行观察和测量各种光线的偏转角度,从而得到光学参量例如折射率、波长、色散率、衍射角等。
分光计是一种精密测量角度的光学仪器,主要包括望远镜、载物平台,平行光管和读数装置四部分。

1.望远镜

望远镜由物镜和目镜组成,用来观察目标和确定光线进行方向。当望远镜的物镜与目镜的焦平面重合的时候,称为“望远镜对无穷远调焦”。

2.载物平台

载物平台用来放置光学元件,如三棱镜、光栅等。在它下方有三个调节螺丝,可以用来调节平台的倾斜度。

3.平行光管

平行光管用来产生平行光,它由一个宽度可调的狭缝和一个透镜组成。改变狭缝到透镜的距离,当狭缝恰好位于透镜的焦平面上时,则狭缝发出的光线进过透镜后是平行光。

4.读数装置

读数装置由刻度圆盘和两个游标组成。为了消除刻度盘中心和游标盘中心不重合引起的“偏心误差”,需在两游标处同时读数,对所得到两角差取平均值。

5. 反射法测量三棱镜的顶角

将三棱镜放在载物平台上,并使三棱镜的顶角对准平行光管。此时由平行光管射出的平行光束被分成两束,分别照在棱镜的两个折射面上。固定载物平台,令望远镜先后接收由两折射面反射的光束,则这两个位置处望远镜光轴间的夹角为顶角A的两倍。

6. 用最小偏向角法测定棱镜玻璃的折射率

先测出最小偏向角,然后利用公式
代入顶角A和最小偏向角,计算出棱镜折射率n

【实验内容与步骤】

一. 分光计的调节

分光计的调节要求是:a 望远镜对无穷远聚焦;b 平行光管和望远镜光轴与仪器转轴垂直; c 使平行光管发出平行光束。调节前先用眼睛观察望远镜、载物平台、平行光管是否垂直于仪器的转轴,粗调之后再对各部分进行精细调节。

1.调节望远镜对无穷远聚焦

点亮望远镜里的照明小灯,转动目镜调节手轮,直到看清分划板的十字叉丝。将平面反射镜放在载物平台上,并使反射镜处于载物平台的三个倾斜调节螺丝中任取两个螺丝连线的垂直平分线上。缓慢转动载物平台,从望远镜中找到由平面镜反射回来的光斑。如果看不见反射光斑,可调节望远镜下的螺丝,以改变望远镜的倾斜度。找到光斑后,调节手轮前后移动目镜系统,直到绿十字反射像清晰且与视场中十字叉丝没有视差为止。这时分划板即位于望远镜物镜的焦平面上,并且物镜与目镜的焦平面重合,表明望远镜对无穷远调焦完毕。

2.调节望远镜光轴与旋转主轴垂直
转动载物平台,利用“各半法”调节望远镜下的螺丝和载物平台下调节螺丝,使绿色十字反射像与调整叉丝完全重合。这时说明望远镜光轴与平面镜垂直,但并不一定和旋转主轴垂直。
将载物平台转,使平面镜另一面对准望远镜,如果绿十字反射像与调整叉丝不重合,则继续利用“各半法”调节直至两者完全重合。

再将载物平台旋转,这时十字叉丝可能又偏离调整叉丝,则需要利用“各半法”反复进行调节,渐次逼近,直至旋转载物平台时从平面镜两个反射面反射回来的像都与调整叉丝重合。

3.平行光管的调焦及调节平行光管的光轴与旋转主轴垂直

取下平面镜,用钠灯照亮平行光管狭缝,将调好的望远镜对准平行光管。
调节狭缝宽度螺丝,使狭缝出射的光线形成细的亮线;将狭缝转成水平取向,转动手轮前后移动移动狭缝,直到从望远镜中看到清晰的狭缝像。调节平行光管下的螺丝改变平行光管的倾斜度,使狭缝像与水平测量叉丝重合且无视差,这表明平行光管的光轴和旋转主轴已相互垂直。将狭缝转过,使狭缝像与测量叉丝竖线重合,这时,狭缝上各点发出的光出射后成为平行光。

二.测量三棱镜的顶角

将三棱镜放在载物平台上,并且将棱镜顶角对准平行光管,由平行光管出射的平行光照射在棱镜的两折射面上被分成两部分。转动望远镜观察由棱镜所反射的狭缝像,使之与竖直叉丝重合,记下两边游标A,B的读数。记录在表格中。望远镜的旋转角即为棱镜角的两倍。

三.测最小偏向角

将三棱镜放在载物平台上。用眼睛迎着出射光线的方向观察,找到谱线后,来回转动载物平台,观察谱线移动情况。当载物平台转到某一位置时,谱线不再移动,而继续沿原方向转动载物平台,则可以看到谱线谱线向相反方向移动。显然,在谱线方向移动的转折时刻,光线沿最小偏向角方向自待测棱镜射出。转动望远镜只至使竖直叉丝对准谱线中心,然后读数。移去三棱镜,将望远镜转回,对准平行光管,使望远镜中竖直叉丝与狭缝像重合,然后记录读数。

【数据记录和处理】

1.三棱镜角测量

 

1

2

3

4

游标

左(A)

 

 

 

 

 

 

 

 

右(B)

 

 

 

 

 

 

 

 



A类不确定度: 
B类不确定度:
 


2.最小偏向角的测量


游标

A

 

 

 

 

B

 

 

 

计算玻璃的折射率:

【思考与讨论】

1.分光计转盘上有两个游标,为什么能消除偏心差?

答:因为“偏心差”是由于刻度盘中心和游标盘中心不重合引起的,所以通过在两个游标同时读数,对所得的两角度差取平均值就可以消除“偏心差”。

2.望远镜光轴与平行平板垂直时,十字叉丝经平行平板反射成像为什么会成在B点?

答:因为作为发光物体的亮十字不在望远镜的中心光轴上,由它发出的光经由平行光板反射回来的绿色的十字像便对称地落在望远镜光轴的上边,即反射回来的绿十字像与调整叉丝重合。

3.同一块棱镜对不同的单色光其最小偏向角一样吗?为什么?

答:不一样。因为由于玻璃材料的折射率是光波波长的函数,同一棱镜对不同波长的光具有不同的折射率。不同的单色光的波长不同,所以对应的折射率不一样,而同一棱镜的顶角A一样,由公式
可知最小偏向角也不一样。

4.分光计调整时,当平台旋转后找不到叉丝像,怎么办?

答:当不能在望远镜的视场范围内看到反射回来绿十字叉丝像,可以把眼睛沿望远镜光轴外侧向平面镜望去,视线上、下、左、右移动,可在某一处看到平面镜反射回来的绿十字像,将目光移到与望远镜等高位置,不论绿十字像位于望远镜光轴的上方或下方,均用“各半法”使绿十字像调到处于光轴水平面等高位置,平行光板旋转,重复上述方法调节。