分光計(jì)的調(diào)節(jié)及使用PPT課件

.,分光計(jì)的調(diào)節(jié)及棱鏡角的測量,制作：張晶輝,.,.,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解分光計(jì)的結(jié)構(gòu)，掌握調(diào)節(jié)和使用分光計(jì)的方法2、掌握測定棱鏡角的方法3、用自準(zhǔn)直法測定棱鏡角,.,二、實(shí)驗(yàn)儀器,分光計(jì)汞燈（或鈉光燈）三棱鏡平行平板雙面反射鏡,.,三、實(shí)驗(yàn)原理,分光計(jì)是一種常用的光學(xué)儀器，實(shí)際上就是一種精密的測角儀。在幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，主要用來測定棱鏡角、衍射角等等，而在物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，加上分光元件（棱鏡、光柵）即可作為分光儀器，用來觀察光譜，測量光譜線的波長等。下面以JJY型分光計(jì)為例，說明它的結(jié)構(gòu)原理和調(diào)節(jié)方法。,.,1、分光計(jì)的結(jié)構(gòu),圖1JJY型分光計(jì)的結(jié)構(gòu)外形圖平行光管：1狹縫2緊固螺釘3平行光管26平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺釘27平行光管傾斜度調(diào)節(jié)螺釘28狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪望遠(yuǎn)鏡：8望遠(yuǎn)鏡9緊固螺釘10分劃板11目鏡（帶調(diào)焦手輪）12望遠(yuǎn)鏡傾斜度調(diào)節(jié)螺釘13望遠(yuǎn)鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺釘14支臂15游標(biāo)圓盤微調(diào)螺釘17制動架18望遠(yuǎn)鏡制動螺釘載物臺：5載物臺6載物臺調(diào)平螺釘（3只）7載物臺緊固螺釘圓刻度盤：16讀數(shù)刻度盤制動螺釘21讀數(shù)刻度盤22游標(biāo)盤24游標(biāo)盤微調(diào)螺釘25游標(biāo)盤制動螺釘其他：4制動架19底座20轉(zhuǎn)座23立柱,.,分光計(jì)主要由底座、望遠(yuǎn)鏡、準(zhǔn)直管、載物平臺和刻度圓盤等幾部分組成，每部分均有特定的調(diào)節(jié)螺釘，圖1為JJY型分光計(jì)的結(jié)構(gòu)外型圖。,1、分光計(jì)的底座要求平穩(wěn)而堅(jiān)實(shí)。在底座的中央固定著中心軸，刻度盤和游標(biāo)內(nèi)盤套在中心軸上，可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。2、準(zhǔn)直管固定在底柱的立柱上，它是用來產(chǎn)生平行光的。準(zhǔn)直管的一端裝有消色差物鏡，另一端為裝有狹縫的套管，狹縫的寬度可在0.022mm范圍內(nèi)改變。3、望遠(yuǎn)鏡安裝在支臂上，支臂與轉(zhuǎn)座固定在一起，套在主刻度盤上，它是用來觀察目標(biāo)和確定光線進(jìn)行方向的。物鏡Lo和一般望遠(yuǎn)鏡一樣為消色差物鏡，但目鏡Le的結(jié)構(gòu)有些不同，常用的是阿貝式目鏡。,.,阿貝目鏡式望遠(yuǎn)鏡就是在目鏡和分劃板之間裝有全反射直角棱鏡，直角棱鏡上刻有“十”字，從目鏡觀察，叉絲的一小部分被直角棱鏡擋住，呈現(xiàn)它的陰影。目鏡筒套安裝在分劃板的套筒內(nèi)。調(diào)節(jié)圖1中所示的手輪11可改變目鏡和分劃板的距離。分劃板套筒又套在物鏡筒內(nèi)，前后移動分劃板套筒，可改變目鏡和分劃板相對于物鏡的距離。若在物鏡前放平面鏡，使平面鏡鏡面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直，且分劃板位于物鏡焦平面上時(shí)，則焦平面(分劃板)上發(fā)出的光(綠十字)經(jīng)物鏡后形成平行光射于平面鏡，由平面鏡反射經(jīng)物鏡后在焦平面(分劃板)上形成綠十字反射像，如圖2所示。,圖2阿貝目鏡式望遠(yuǎn)鏡,.,4、分光計(jì)上控制望遠(yuǎn)鏡和刻度盤轉(zhuǎn)動的有三套機(jī)構(gòu)，正確運(yùn)用它們對于測量很重要，它們是：（1）望遠(yuǎn)鏡止動和微動控制機(jī)構(gòu)，圖1中的16、15；（2）分光計(jì)游標(biāo)盤止動和微動控制機(jī)構(gòu)，圖1中的25、24；（3）望遠(yuǎn)鏡和度盤的離合控制機(jī)構(gòu)，圖1中的17。轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡或移動游標(biāo)位置時(shí)，都要先松開相應(yīng)的止動用螺釘；微調(diào)望遠(yuǎn)鏡及游標(biāo)位置時(shí)要先擰緊止動螺釘。要改變度盤和望遠(yuǎn)鏡的相對位置時(shí)，應(yīng)先松開它們之間的離合控制螺釘，調(diào)整后再擰緊，一般是將度盤的0線置于望遠(yuǎn)鏡下，可以減少在測角度時(shí)0線通過游標(biāo)引起的計(jì)算上的不方便。5、載物平臺是一個(gè)用以放置棱鏡、光柵等光學(xué)元件的圓形平臺，套在游標(biāo)內(nèi)盤上，可以繞通過平臺中心的鉛直軸轉(zhuǎn)動和升降。當(dāng)平臺和游標(biāo)盤（刻度內(nèi)盤）一起轉(zhuǎn)動時(shí)，控制其轉(zhuǎn)動的方式與望遠(yuǎn)鏡一樣，也是粗調(diào)和微調(diào)兩種；平臺下有三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，可以改變平臺臺面與鉛直軸的傾斜度。,.,圖3分光計(jì)讀數(shù)示例,6、望遠(yuǎn)鏡和載物平臺的相對方位可由刻度盤上的讀數(shù)確定。主刻度盤上有0360的圓刻度，分度值為0.5。為了提高角度測量精密度，在內(nèi)盤上相隔180處設(shè)有兩個(gè)游標(biāo)V左和V右，游標(biāo)上有30個(gè)分格，它和主刻度盤上29個(gè)分格相當(dāng)，因此分度值為。分光計(jì)的讀數(shù)方法參照游標(biāo)原理，如圖3所示讀數(shù)應(yīng)為13944。,記錄測量數(shù)據(jù)時(shí)，必須同時(shí)讀取兩個(gè)游標(biāo)的讀數(shù)（為了消除度盤的刻度中心和儀器轉(zhuǎn)動軸之間的偏心差）。安置游標(biāo)位置要考慮具體實(shí)驗(yàn)情況，主要注意讀數(shù)方便，且盡可能在測量中刻度盤0線不通過游標(biāo)。記錄與計(jì)算角度時(shí)，左、右游標(biāo)分別進(jìn)行，注意防止混淆算錯(cuò)角度。,.,2、分光計(jì)的調(diào)節(jié),1、調(diào)節(jié)要求分光計(jì)是在平行光中觀察有關(guān)現(xiàn)象和測量角度，因此要求：（1）分光計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)（準(zhǔn)直管和望遠(yuǎn)鏡）要適應(yīng)平行光。（2）從度盤上讀出的角度要符合觀測現(xiàn)象中的實(shí)際角度。,圖4分光計(jì)觀測系統(tǒng)的三個(gè)平面,.,分光計(jì)觀測系統(tǒng)的三個(gè)平面,讀值平面,觀察平面,待測光路平面,讀取數(shù)據(jù)的平面，由主刻度盤和游標(biāo)內(nèi)盤繞中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的。對每一具體的分光計(jì)，讀數(shù)平面都是固定的，且和中心主軸垂直,望遠(yuǎn)鏡光軸繞儀器中心轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的。只有當(dāng)望遠(yuǎn)鏡光軸與轉(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,由準(zhǔn)直管的光軸和經(jīng)過待測光學(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)載物平臺下方的三個(gè)調(diào)節(jié)螺釘，可以將待測光路平面調(diào)節(jié)到所需的方位,按調(diào)節(jié)要求，應(yīng)將此三個(gè)平面調(diào)節(jié)成相互平行，否則，測得角度將與實(shí)際角度有些差異，即引入系統(tǒng)誤差,.,2、調(diào)節(jié)方法,粗調(diào),細(xì)調(diào),在分光計(jì)調(diào)節(jié)中，粗調(diào)很重要，如果粗調(diào)不認(rèn)真，可能給細(xì)調(diào)造成困難,補(bǔ)充方法,.,（1）旋轉(zhuǎn)目鏡手輪（即調(diào)節(jié)目鏡與叉絲之間的距離），看清測量用十字叉絲（如圖2）。（2）用望遠(yuǎn)鏡觀察盡量遠(yuǎn)處的物體，前后調(diào)節(jié)目鏡鏡筒（即調(diào)節(jié)物鏡與叉絲之間的距離），使遠(yuǎn)處物體的像和目鏡中的十字叉絲同時(shí)清楚。這時(shí)，望遠(yuǎn)鏡已聚焦無窮遠(yuǎn)。（3）載物臺平面（可調(diào)載物臺下三個(gè)水平調(diào)節(jié)螺釘頂起載物臺的螺距相等）和望遠(yuǎn)鏡軸盡量調(diào)成水平（目測）。,這是為了使眼睛通過目鏡能清楚的看到分劃板上的刻線,.,將分光計(jì)附件平面反射鏡（或三棱鏡）（如圖5所示）放在載物臺上（注意放置方位，如圖放置則主要由1個(gè)螺釘控制一個(gè)反射面的傾斜）。,圖5分光計(jì)附件方位放置示意圖,.,應(yīng)用自準(zhǔn)直原理調(diào)望遠(yuǎn)鏡適合平行光。（這是要將分劃板調(diào)到物鏡焦平面上。這時(shí)，當(dāng)光束射到前面的平面鏡上，由鏡面反射回來的平行光經(jīng)物鏡成象在分劃板上，在目鏡中將看到清晰的十字叉絲的像，如圖6所示）,點(diǎn)亮“小十字叉絲”照明用電燈；,將望遠(yuǎn)鏡垂直對準(zhǔn)平面鏡（或三棱鏡）的一個(gè)反射面，如果從望遠(yuǎn)鏡中看不到綠色“小十字叉絲”的反射像，就慢慢左右轉(zhuǎn)動載物平臺去找（粗調(diào)認(rèn)真，均不難找到反射像），如果仍然找不到反射像時(shí)，就要稍許調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘，再慢慢左右轉(zhuǎn)動載物平臺去找；,看到“小十字叉絲”反射像（如圖6（a）后，再前后微調(diào)目鏡鏡筒，使小十字叉絲反射像清楚且和測量用叉絲間無視差。這樣，望遠(yuǎn)鏡就已適合平行光，以后不許再改變望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦?fàn)顟B(tài)。,.,轉(zhuǎn)動載物平臺，使另一鏡面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，左右慢慢轉(zhuǎn)動平臺，看到反射的小十字叉絲像，如果它和調(diào)整叉絲不重合，再同上由望遠(yuǎn)鏡和螺釘b2各調(diào)回一半。,用逐次逼近法調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸與中心轉(zhuǎn)軸垂直（即將觀察面調(diào)成平面，觀察平面與讀數(shù)平面平行）,由鏡面反射的小十字叉絲像和調(diào)整叉絲如果不重合，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜使二叉絲間的偏離減少一半，再調(diào)節(jié)平臺螺釘b1使二者重合，如圖6（b）；,圖6望遠(yuǎn)鏡內(nèi)的叉絲平面示意圖,問題：為什么有時(shí)候平面鏡的第一面見到了綠色小十字像，而在第二面卻找不到呢？,.,時(shí)常發(fā)現(xiàn)從平面鏡的第一面見到了綠色小十字像，而在第二面卻找不到，這可能是粗調(diào)不細(xì)致，經(jīng)第一面調(diào)節(jié)后，望遠(yuǎn)鏡光軸和平臺面均顯著不水平，這時(shí)要重作粗調(diào)；如果望遠(yuǎn)鏡軸及平臺面無明顯傾斜，這時(shí)往往是小十字像在調(diào)節(jié)叉絲上方視場之外，可適當(dāng)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡傾斜（使目鏡一側(cè)升高些或降低些）去找。,反復(fù)進(jìn)行以上的調(diào)整，直至不論轉(zhuǎn)到那一反射面，小十字叉絲像均能和調(diào)整叉絲重合，則望遠(yuǎn)鏡光軸與中心轉(zhuǎn)軸已垂直。此后注意不要再變動望遠(yuǎn)鏡的傾角螺釘。此調(diào)節(jié)法稱為逐次逼近法或各半調(diào)節(jié)法（問：上述調(diào)節(jié)后載物平臺的臺面與中心轉(zhuǎn)軸是否已垂直？）,.,調(diào)節(jié)準(zhǔn)直管使其產(chǎn)生平行光，并使其光軸與望遠(yuǎn)鏡的光軸重合。,關(guān)閉望遠(yuǎn)鏡叉絲照明燈，用光源照亮準(zhǔn)直管狹縫；轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，對準(zhǔn)準(zhǔn)直管；,將狹縫寬度適當(dāng)調(diào)窄，前后移動狹縫，使從望遠(yuǎn)鏡看到清晰的狹縫像，并且狹縫像和測量叉絲之間無視差。這時(shí)狹縫已位于準(zhǔn)直管準(zhǔn)直物鏡的焦平面上，即從準(zhǔn)直管出射平行光束；,調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡和狹縫（注意不能前后移動狹縫）的位置，使狹縫的像與分劃板上的豎直線重合。然后固定狹縫和望遠(yuǎn)鏡的位置，調(diào)節(jié)平行光管（準(zhǔn)直管）的高低調(diào)節(jié)螺釘，使狹縫的像相對于測量用叉絲對稱，即使狹縫的像的中心位于望遠(yuǎn)鏡測量用十字叉絲的交點(diǎn)上，這時(shí)準(zhǔn)直管和望遠(yuǎn)鏡的光軸平行，并近似重合。,.,第二種方法：調(diào)整平行光管發(fā)出平行光并垂直儀器主軸,圖7平行光管光軸與望遠(yuǎn)鏡光軸共線圖,將被照明的狹縫調(diào)到平行光管物鏡焦平面上，物鏡將出射平行光。,調(diào)整方法是：取下平面鏡和目鏡照明光源，狹縫對準(zhǔn)前方水銀燈光源，使望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向平行光管方向，在目鏡中觀察狹縫像，沿軸向移動狹縫筒，直到像清晰。這表明光管已發(fā)出平行光。,再將狹縫轉(zhuǎn)向橫向，調(diào)平行光管仰角調(diào)節(jié)螺釘，將像調(diào)到測量用十字叉絲的中心橫線上，見圖7(a)。這表明平行光管光軸已與望遠(yuǎn)鏡光軸共線，所以也垂直儀器主軸。平行光管仰角調(diào)節(jié)螺釘不能再動(為什么?)。再將狹縫調(diào)成垂直，鎖緊螺釘，見圖7(b)。,.,3、應(yīng)用分光計(jì)測量棱鏡角,、調(diào)節(jié)待測光路平面與觀察平面重合，即調(diào)節(jié)棱鏡折射的主截面垂直于儀器的主軸。,分光計(jì)的本體如上所述已經(jīng)調(diào)節(jié)好，即應(yīng)用自準(zhǔn)直原理將望遠(yuǎn)鏡對無窮遠(yuǎn)調(diào)焦，使望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直于儀器的主軸，使準(zhǔn)直管產(chǎn)生平行光，并與望遠(yuǎn)鏡共軸?，F(xiàn)須調(diào)節(jié)待測光路平面與觀察平面重合，具體方法分為兩步。,（1）將待測棱鏡按圖8所示的方法，放置在載物平臺上，使折射面AB與平臺調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺釘b1、b3的連線相垂直。這時(shí)調(diào)節(jié)螺釘b1或b3，能改變AB面相對于主軸的傾斜度，而調(diào)節(jié)螺釘b2對AB面的傾斜度不產(chǎn)生影響。,圖8（a）待測棱鏡的放置方法圖8（b）棱鏡頂角A的測量,.,（2）調(diào)節(jié)三棱鏡的主截面垂直于儀器的主軸。,三棱鏡的棱鏡角A是棱鏡主截面上三角形兩邊之間的夾角。應(yīng)用分光計(jì)測量時(shí)，必須使待測光路平面與棱鏡的主截面一致。由于分光計(jì)的觀察平面已調(diào)節(jié)好并垂直于儀器的主軸，因此棱鏡的主截面也應(yīng)垂直于儀器的主軸。即調(diào)節(jié)三棱鏡的兩個(gè)折射面AB和AC，使之均能垂直于望遠(yuǎn)鏡的光軸(下述過程中望遠(yuǎn)鏡已調(diào)好，不能再調(diào))。調(diào)節(jié)的方法是先用望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)棱鏡的AB面，細(xì)調(diào)螺釘b1或b3，使望遠(yuǎn)鏡目鏡視場中能看見清晰的叉絲反射像，并和調(diào)整叉絲重合，如圖6（b）所示。旋轉(zhuǎn)棱鏡臺，再將棱鏡的AC面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，微調(diào)螺釘b2，又可見十字叉絲的反射像呈現(xiàn)在視場中。在一般情況下，視場中的兩對叉絲在垂直方向上將不再重合。重復(fù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至無論望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)棱鏡的AB面或AC面時(shí)，十字叉絲的反射像均能和調(diào)整叉絲無視差地重合，此時(shí)，棱鏡的主截面才和儀器的主軸相垂直。至此，分光計(jì)測量前的準(zhǔn)備工作已全部調(diào)節(jié)完成。,注意，調(diào)節(jié)后的分光計(jì)在使用中，不要破壞已調(diào)好的條件；又分光計(jì)上可調(diào)螺釘較多，要明確它們的作用。,.,、棱鏡角的測量,（1）自準(zhǔn)直法,圖9自準(zhǔn)直法光路示意圖,.,將待測棱鏡置于棱鏡臺上，固定望遠(yuǎn)鏡，點(diǎn)亮小燈照亮目鏡中的叉絲。對兩游標(biāo)作一適當(dāng)標(biāo)記，分別稱游標(biāo)1和游標(biāo)2，切記勿顛倒。保持望遠(yuǎn)鏡和刻度盤固定不動，轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤連帶棱鏡臺，使棱鏡的一個(gè)折射面對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，用自準(zhǔn)直法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的光軸與此折射面嚴(yán)格垂直，即使十字叉絲的反射像和調(diào)整叉絲完全重合。如圖8（b）及圖9所示。記錄刻度盤上游標(biāo)1的讀數(shù)和游標(biāo)2的讀數(shù)；再轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤連帶載物平臺，依同樣方法使望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于棱鏡第二個(gè)折射面，記錄刻度盤上游標(biāo)1的讀數(shù)和游標(biāo)2的讀數(shù)；同一游標(biāo)兩次讀數(shù)之差即是載物臺轉(zhuǎn)過的角度，而是角的補(bǔ)角，則,重復(fù)測量五次，計(jì)算棱鏡角A的平均值和標(biāo)準(zhǔn)不確定度。,.,（2）棱脊分束法,圖10棱脊分束法光路示意圖,.,如圖10所示，將待測棱鏡置于載物平臺上，使棱鏡的頂角對準(zhǔn)準(zhǔn)直管，由準(zhǔn)直管射出的平行光束被棱鏡的兩個(gè)折射面分成兩部分，固定分光計(jì)上的其余可動部分，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡至左邊位置，觀察由棱鏡的一折射面所反射的狹縫像，使之與豎直叉絲重合，記下望遠(yuǎn)鏡的位置讀數(shù)、。轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡至右邊位置，觀察由棱鏡另一折射面所反射的狹縫像，再使之與豎直叉絲重合，同樣記下望遠(yuǎn)鏡的位置讀數(shù)、。望遠(yuǎn)鏡的兩位置所對應(yīng)的游標(biāo)讀數(shù)之差為棱鏡頂角A的兩倍。棱鏡頂角A為,重復(fù)5次，求出棱鏡頂角A。,注意：在測量時(shí)，應(yīng)將三棱鏡的折射棱靠近棱鏡臺的中心放置，否則由棱鏡兩折射面所反射的光將不能進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡。,.,四、實(shí)驗(yàn)步驟,1、參照上述方法完成分光計(jì)測量之前的調(diào)節(jié)工作；,2、應(yīng)用自準(zhǔn)直法測量棱鏡角A。,.,五、數(shù)據(jù)記錄及處理,.,分光計(jì)調(diào)節(jié)補(bǔ)充,1、載物臺傾角沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整：,假設(shè)望遠(yuǎn)鏡光軸已垂直儀器主軸，但載物臺傾角沒調(diào)好，見圖1。平面鏡面反射光偏上，載物臺轉(zhuǎn)180，面反射光偏下，目鏡中看到的現(xiàn)象是面反射像在面反射像上方。調(diào)整方法是把面像(或面像)向上(向下)調(diào)到兩像點(diǎn)距離的一半使鏡面和的像落在分劃板上同一高度。,圖1載物臺傾角沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整原理,.,2、望遠(yuǎn)鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整：,假設(shè)載物臺已調(diào)好，但望遠(yuǎn)鏡光軸不垂直儀器主軸，見圖2。在圖2(a)中，無論平面鏡面還是面，反射光都偏上，反射像落在分劃板上十字線的上方。在圖2(b)中，鏡面反射光都偏下，反射像像落在上十字線的下方。顯然，調(diào)整方法是只要調(diào)整望遠(yuǎn)鏡仰角調(diào)切螺釘(12)，把像調(diào)到上十字線上即可，見圖2(c)。,圖2望遠(yuǎn)鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整原理,.,3、載物臺和望遠(yuǎn)鏡光軸都沒調(diào)好的表現(xiàn)和調(diào)整方法：表現(xiàn)是兩鏡面反射像一上一下。先調(diào)載物臺螺釘，使兩鏡面反射像像點(diǎn)等高(但像點(diǎn)沒落在上十字線上)，再把像調(diào)到上十字線上，見圖2(c)。,4、分光計(jì)調(diào)整要達(dá)到什么要求？分光計(jì)調(diào)整要達(dá)到三個(gè)要求：望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦到無窮遠(yuǎn)；平行光管出射平行光；平行光管和望遠(yuǎn)鏡的光軸應(yīng)與分光計(jì)中心