分光計(jì)的調(diào)整和使用.doc

實(shí)驗(yàn)30 分光計(jì)的調(diào)整和使用分光計(jì)是一種測(cè)量光線偏轉(zhuǎn)角的儀器，實(shí)際上就是一種精密的測(cè)角儀。由于不少物理量如折射率、波長(zhǎng)等往往可以用光線的偏折來量度，因此分光計(jì)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的一種基本儀器。在分光計(jì)的載物臺(tái)上放置色散棱鏡或衍射光柵，它就成為一臺(tái)簡(jiǎn)單的光譜儀器；在分光計(jì)上裝上光電探測(cè)器，還可以對(duì)光的偏振現(xiàn)象進(jìn)行定量的研究。為了保證測(cè)量的精確，分光計(jì)在使用前必須調(diào)整。分光計(jì)的調(diào)整方法對(duì)一般光學(xué)儀器的調(diào)整也是有一定通用性，因此學(xué)習(xí)分光計(jì)的調(diào)整方法也是使用光學(xué)儀器的一種基本訓(xùn)練。一實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解分光計(jì)的結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)正確的調(diào)節(jié)和使用方法。2 掌握用自準(zhǔn)直法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦至無窮遠(yuǎn)。3 學(xué)會(huì)用分光計(jì)測(cè)量光學(xué)平面間夾角的方法。二實(shí)驗(yàn)儀器本實(shí)驗(yàn)使用JJY型的分光計(jì)。該分光計(jì)由“阿貝”式自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、裝有可調(diào)狹縫的平行光管、可升降的載物平臺(tái)及光學(xué)度盤游標(biāo)讀數(shù)系統(tǒng)等四大部分組成。1 目鏡2 小燈 3 望遠(yuǎn)鏡筒4 平行平面鏡5 平臺(tái)傾斜度調(diào)節(jié)螺絲 6 平行光管7 狹縫裝置8 望遠(yuǎn)鏡傾斜度調(diào)節(jié)螺絲9 望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲10平行光管微調(diào)螺絲 11度盤微調(diào)螺絲12望遠(yuǎn)鏡鎖進(jìn)螺絲13游標(biāo)盤 圖31-1現(xiàn)將各部分逐一介紹。1. “阿貝”式自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡裝有“阿貝”目鏡的望遠(yuǎn)鏡稱“阿貝”式自準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡。它用以觀察平行光進(jìn)行的方向。與普通望遠(yuǎn)鏡相類似，它由物鏡與目鏡組成。改變物鏡至目鏡的距離，可以使不同距離遠(yuǎn)處的物體成象清晰。望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦于無窮遠(yuǎn)時(shí)，則可使從無窮遠(yuǎn)處來的平行光成象最清晰。為了測(cè)量，物鏡與目鏡之間有叉絲，目鏡與叉絲，及目鏡、叉絲相對(duì)于物鏡的距離均可調(diào)節(jié)，叉絲應(yīng)位于目鏡焦平面上。目鏡是有場(chǎng)鏡和接目鏡組成的，常用的目鏡有二種：一是高斯目鏡，在它的場(chǎng)鏡和接目鏡間裝了一片與鏡筒成45角的薄玻璃片。當(dāng)小燈的光經(jīng)玻璃片反射后可將叉絲全部照亮。二是阿貝目鏡，在目鏡與叉絲之間裝了一個(gè)全反射小三棱鏡，小燈發(fā)出的光經(jīng)小三棱鏡反射后將叉絲的一部分照亮，而從目鏡望去這照亮的部分剛好被小三棱鏡遮住，故只能看到叉絲的其他部分，見圖30-2。JJY型分光計(jì)采用的是阿貝目鏡。圖30-2望遠(yuǎn)鏡可繞分光計(jì)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，它的傾斜度也可通過螺絲進(jìn)行調(diào)節(jié)，而望遠(yuǎn)鏡固定螺絲則起著把望遠(yuǎn)鏡傾斜度固定的作用，見圖30-1。在望遠(yuǎn)鏡與中心軸相連處有望遠(yuǎn)鏡鎖緊螺絲，放松時(shí)可使望遠(yuǎn)鏡繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋緊時(shí)可固定望遠(yuǎn)鏡，見圖30-1。2. 平行光管平行光管是儀器中產(chǎn)生平行光的機(jī)構(gòu)。它有一個(gè)可改變縫寬的狹縫及一個(gè)會(huì)聚透鏡所組成。狹縫至透鏡的距離可調(diào)節(jié)。當(dāng)用光源照明狹縫時(shí)，若狹縫剛好位于透鏡焦平面處，則平行光管將發(fā)出平行光。平行光管與分光計(jì)底座固定在一起，它的傾斜度可以通過調(diào)整螺絲進(jìn)行調(diào)節(jié)。而平行光管固定螺絲則起著把平行光管傾斜度固定的作用（見圖30-1）。為了得到較精密的調(diào)整，望遠(yuǎn)鏡和平行光管均裝有微調(diào)機(jī)構(gòu)，只要擰緊望遠(yuǎn)鏡（或平行光管）的鎖緊螺絲后，再轉(zhuǎn)動(dòng)其微調(diào)螺絲（見圖30-1），則望遠(yuǎn)鏡（或平行光管）就能轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度。3. 升降的載物平臺(tái)載物小平臺(tái)可放光學(xué)元件，如三棱鏡、光柵等。有三只調(diào)節(jié)螺釘a、b和c可改變小平臺(tái)傾斜度，見圖30-3。載物臺(tái)也有鎖緊螺絲固定位置。圖30-34. 讀數(shù)裝置望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)分別與刻度盤和角游標(biāo)相連，它們的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度可從讀數(shù)窗中讀出，讀數(shù)窗有A，B二個(gè)，它們相隔180，從A，B兩窗可分別讀得望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)過的角度，然后取平均值，這樣可消除中心軸可能存在的偏心。本實(shí)驗(yàn)室中分光計(jì)角游標(biāo)的最小分度為（主刻度盤上每小格為，角游標(biāo)30分格的弧長(zhǎng)與刻度盤29分格的弧長(zhǎng)相等），游標(biāo)每小格之差，見圖30-4。圖30-4例如圖30-4右圖的讀數(shù)應(yīng)為： 314+=314 三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 分光計(jì)的調(diào)整（1） 調(diào)整分光計(jì)的目的。分光計(jì)在實(shí)驗(yàn)中通常來測(cè)量光線經(jīng)各種光學(xué)元件（如狹縫、光柵、棱鏡等）后的偏轉(zhuǎn)角度，其測(cè)角時(shí)的光路如圖30-5所示。圖30-5轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使之對(duì)準(zhǔn)偏轉(zhuǎn)光線，由讀數(shù)窗所得讀數(shù)變化即得角度。但是為使得所得角度與實(shí)際光線偏轉(zhuǎn)角度一致，必須有以下考慮。用分光計(jì)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，其觀測(cè)系統(tǒng)基本上由下述三個(gè)平面構(gòu)成，如圖30-6。圖30-6l 讀值平面這是讀取數(shù)據(jù)的平面，有主刻度盤和游標(biāo)內(nèi)盤繞中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的。對(duì)每一具體的分光計(jì)，讀值平面都是固定的，且和中心轉(zhuǎn)軸垂直。l 觀察平面由望遠(yuǎn)鏡光軸繞儀器中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所形成的。只有當(dāng)望遠(yuǎn)鏡光軸與中心轉(zhuǎn)軸垂直時(shí)，觀察面才是一個(gè)平面，否則，將形成一個(gè)以望遠(yuǎn)鏡光軸為母線的圓錐面。l 待測(cè)光路平面有平行光管的光軸和經(jīng)過待測(cè)光學(xué)元件（棱鏡、光柵等）作用后，所反射、折射和衍射的光線所共同確定的。調(diào)節(jié)載物臺(tái)下方的三個(gè)螺絲，可以將待測(cè)光路平面調(diào)節(jié)到所需的方位。應(yīng)將此三個(gè)平面調(diào)節(jié)成相互平行。所以，儀器必須精密調(diào)整，以保證： 入射光線是平行光（即要求調(diào)整平行光管，使之發(fā)射平行光）； 檢測(cè)工具能接收平行光（即要求望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦無窮遠(yuǎn)，亦即使平行光能成象最清晰）； 讀值平面、觀察平面和待測(cè)光路平面平行（即要求調(diào)整平行光管和望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計(jì)中心軸垂直，同時(shí)也要調(diào)整載物臺(tái)平面垂直于分光計(jì)中心軸）。（2）調(diào)整方法。 調(diào)整自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡。為了把望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦到無窮遠(yuǎn)，我們采用如下方法：在望遠(yuǎn)鏡之前載物臺(tái)上放一鏡面垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸的平面反射鏡。當(dāng)調(diào)節(jié)叉絲面與物鏡之間的距離（即調(diào)焦），如果叉絲恰好處與物鏡的焦平面上，則叉絲發(fā)出的光經(jīng)物鏡變?yōu)槠叫泄?，此平行光由反射鏡反射回來，經(jīng)物鏡后所成叉絲像應(yīng)準(zhǔn)確地處在叉絲平面上。所以在調(diào)焦過程中只要在叉絲平面上看到反射回來的清晰的叉絲像時(shí)，望遠(yuǎn)鏡已調(diào)焦到無窮遠(yuǎn)了。這個(gè)調(diào)焦方法叫做自準(zhǔn)直法。調(diào)整的步驟應(yīng)先粗調(diào)后細(xì)調(diào)。粗調(diào)就是先從望遠(yuǎn)鏡筒外側(cè)面觀察，粗略判斷望遠(yuǎn)鏡的鏡筒是否垂直于載物平臺(tái)上的平行平面鏡。由于望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)角很小，所以立即從望遠(yuǎn)鏡目鏡中觀察，不一定能看到反射光。此時(shí)可先轉(zhuǎn)動(dòng)載物平臺(tái)，眼睛直接從望遠(yuǎn)鏡外側(cè)面找到由平行平面鏡反射回來的亮十字叉絲像，若這時(shí)眼睛高度比目鏡中心高度為高（或低），則調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜度螺絲和載物臺(tái)調(diào)整螺絲，直至眼睛與目鏡中心等高后，再?gòu)耐h(yuǎn)鏡目鏡中觀察反射回來的光斑。然后調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡物鏡和分劃板間的距離。當(dāng)分劃板處于物鏡的焦平面上時(shí)，這一光斑就會(huì)形成清晰明亮的十字叉絲像，如圖30-7所示。圖30-7 調(diào)整望遠(yuǎn)鏡的光軸與分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸垂直，載物平臺(tái)與分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸垂直。這一步仍要借助平行平面鏡來調(diào)整。平面鏡前后兩個(gè)反射面是互相平行且與其底座的底面垂直的。若望遠(yuǎn)鏡及載物臺(tái)均已調(diào)成與分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸垂直，則平面鏡放在載物臺(tái)任意位置上，都應(yīng)看到如圖30-7所示圖像。將平臺(tái)轉(zhuǎn)過180觀察（見圖30-8），也應(yīng)如此。圖30-8若沒有達(dá)到上述調(diào)整要求會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象呢？我們不妨討論二種特殊情況：（a） 若反射鏡面與分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸平行，而與望遠(yuǎn)鏡軸不垂直，則當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)時(shí)，無論哪個(gè)反射面對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，在望遠(yuǎn)鏡中看到叉絲的反射像總是偏上或總是偏下（見圖30-9）。圖30-9（b） 若望遠(yuǎn)鏡光軸與分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸是垂直的，而反射鏡面與轉(zhuǎn)軸不平行，則當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，使一個(gè)反射面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)若叉絲箱偏下；轉(zhuǎn)過180，使另一面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，叉絲像必偏上（見圖30-10）。圖30-10一般情況下，上述（a）、（b）兩種沒有調(diào)好的因素均存在，所以調(diào)整時(shí)要根據(jù)觀察到反射像的現(xiàn)象進(jìn)行分析，針對(duì)原因進(jìn)行調(diào)整。通常，分二步進(jìn)行：第一步在載物臺(tái)三只傾斜度調(diào)整螺絲a、b、c中選任二只例如a、c將反射鏡面垂直平分ac聯(lián)線放置（見圖30-11（a），并將望遠(yuǎn)鏡正對(duì)反射鏡的一個(gè)反射面，左右微微轉(zhuǎn)載物臺(tái)，從目鏡中找到叉絲的反射像。然后將載物臺(tái)轉(zhuǎn)過180（注意不要用手直接轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡），這時(shí)反射鏡的另一反射面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，同樣找到叉絲反射像。要仔細(xì)觀察兩個(gè)叉絲反射像相對(duì)于分劃板的上面一條水平線的位置，如屬一個(gè)偏上一個(gè)偏下，則反復(fù)調(diào)節(jié)載物平臺(tái)傾斜螺絲a或c，使兩面反射叉絲像的水平線與分劃板上一條水平線距離各減小一半，逐步逼近直至重合（這叫二分之一調(diào)節(jié)法）；如屬均偏上（或均偏下），則調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的傾斜度螺絲，使兩面反射叉絲像均與分劃板上邊十字絲的水平線重合。然后不斷轉(zhuǎn)動(dòng)載物平臺(tái)，觀察叉絲像是否處于圖30-7所示的位置。若不符合，可重復(fù)交替用以上方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至兩反射像由逐漸接近黑十字線到重合為止。第二步以上調(diào)節(jié)還不能決定載物平臺(tái)平面垂直于中心轉(zhuǎn)軸，還需將平面鏡改放在與ac平行的直徑上，見圖30-11（b），調(diào)節(jié)螺釘b，使反射像與叉絲重合。注意此時(shí)不能再調(diào)螺釘a、c及望遠(yuǎn)鏡傾斜螺絲了（為什么？）圖30-11望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)調(diào)好后，它們的傾斜螺絲都不能再動(dòng)了。 使平行光管發(fā)出平行光，并使其光軸與分光計(jì)轉(zhuǎn)軸垂直。這一步可用已調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡作為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)平行光管狹縫至透鏡的距離，使在望遠(yuǎn)鏡中能看到狹縫清晰的像，且縫像與叉絲無視差。這時(shí)平行光管已發(fā)射平行光（為什么？）再調(diào)節(jié)平行光管傾斜度使狹縫像處于分劃板上下面一條水平線上（此時(shí)應(yīng)將原先豎著的狹縫轉(zhuǎn)90，成水平狀，調(diào)整好還應(yīng)將其恢復(fù)到原位置）。這樣平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸就平行了，也就是說平行光管光軸也垂直于分光計(jì)中心轉(zhuǎn)軸了。2 分光計(jì)的使用測(cè)量三棱鏡棱角A兩光學(xué)平面之間的夾角稱為二面角。三棱鏡、直角棱鏡中相鄰兩個(gè)光學(xué)平面之間的夾角稱為棱角（或稱二面角）。用一束平行光入射到三棱鏡的棱角，如圖30-12所示，光線（1）經(jīng)AB面反射，光線（2）經(jīng)AC面反射，二反射光線的夾角為。圖30-12二反射光線的夾角與棱角A的關(guān)系很容易從幾何光學(xué)中求得A=四 數(shù)據(jù)記錄與處理 棱鏡安放如圖30-13（a），棱角A對(duì)準(zhǔn)平行光管的中心，使平行光分成兩半，在AB和AC面上反射出去，并且棱角A應(yīng)接近平臺(tái)中心，否則望遠(yuǎn)鏡中會(huì)看不到反射光。測(cè)量左右兩反射光線的角位置，就可算得棱角。測(cè)量時(shí)稍微改變棱角A接近平臺(tái)中心的位置（左右，前后）反復(fù)測(cè)幾次。角度次數(shù)左右A窗B窗A窗B窗一二三四五S= （P= ）注：儀器誤差為在決定望遠(yuǎn)鏡角位置時(shí)應(yīng)注意，當(dāng)游標(biāo)順向（即讀數(shù)增大方向）或反方向（即讀數(shù)減小方向）轉(zhuǎn)過刻度盤上360時(shí)的那個(gè)刻度應(yīng)加上360或減去360。如 左A=160 左B=340 右A=220 右B=40由于B窗的讀數(shù)從順向通過360而達(dá)到40的位置，所以左B=40+360=400故實(shí)際上轉(zhuǎn)過角度=20+40=60，即=400340=60五 思考題1.了解分光計(jì)各主要部件的功能,熟悉分光計(jì)上各調(diào)節(jié)螺絲的作用和調(diào)節(jié)方法,及分光計(jì)正確使用時(shí)需滿足的要求。2.為什么當(dāng)調(diào)到叉絲經(jīng)過平面鏡反射后所成的像仍在原叉絲平面內(nèi)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡就可以觀察平行光了？3.如果望遠(yuǎn)鏡中看到叉絲像在叉絲的上面，而當(dāng)平臺(tái)轉(zhuǎn)過180后看到的叉絲像在叉絲的下面，試問這時(shí)應(yīng)該調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的傾斜度呢？還是應(yīng)調(diào)節(jié)平臺(tái)的傾斜度？反之，如果平臺(tái)轉(zhuǎn)過180后，看到的叉絲像仍然在叉絲上面，這時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡呢？還是調(diào)節(jié)平臺(tái)？4.試根據(jù)光路圖分析，說明為什么望遠(yuǎn)鏡光軸與平面鏡法線平行時(shí)，在目鏡內(nèi)應(yīng)看到“+”形反射像與圖30-2中叉絲的上方交點(diǎn)相重合？5.利用小反射鏡調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)時(shí)，為什么反射鏡的放置要選擇 a，c的垂直平分線和平行于a, c這二個(gè)位置？隨便放行不行？為什么？6.如何調(diào)節(jié)平行光管？7.根據(jù)圖30-13說明測(cè)量三棱鏡頂角時(shí)，應(yīng)如何放置三棱鏡？為什么？圖30-13附錄 圓刻度盤的偏心差 用圓刻度盤測(cè)量角度時(shí)