分光計的調節(jié)和三棱鏡的測量(指導書)

1、精品文檔上 海 電 力 學 院物理實驗指導書 所屬課程： 大學物理實驗 實驗名稱： 分光計的調節(jié)和三棱鏡的測量 面向專業(yè)： 全院理工科 實驗室名稱：物理實驗室 2006年 2 月一、實驗目的：1. 了解分光計的原理和構造，學會調節(jié)分光計。2. 測定三棱鏡的頂角和折射率。二、實驗儀器：分光計，汞燈，三棱鏡，光學平行板。三、分光計的結構和調節(jié)原理：1、分光計的結構光線入射到光學元件(如平面鏡、三棱鏡、光柵)上，會發(fā)生反射、折射或衍射。分光計是用來精確測量入射光和出射光之間偏轉角度的一種儀器。要測準入射光與出射光之間的偏轉角，分光計在結構原理上心須滿足兩個條件：(1)入射光與出射光均為平行光束；(2

2、)入射光和出射光的方向以及反射面或折射面的法線都與分光計的刻度盤平行。為此，分光計上裝有能產生平行光的平行光管，能接受平行光的望遠鏡，以及能承載光學元件的小平臺，這三者的方位都能利用各自的調節(jié)螺釘作適當的調整。為了測出角度，還配有可與望遠鏡聯(lián)結在一起的刻度盤。分光計的結構如圖1-1所示，下面介紹各主要部件。圖1-1 分光計的結構1-狹縫 2-狹縫鎖緊螺釘 3-平行光管 4-制動架(二) 5-載物臺 6-載物臺調平螺釘7-載物臺鎖緊螺釘 8-望遠鏡 9-目鏡鎖緊螺釘 10-阿貝式自準目鏡 11-目鏡調焦手輪12-望遠鏡俯仰調節(jié)螺釘 13-望遠鏡水平調節(jié)螺釘 14-裝望遠鏡的支臂 15-望遠鏡微調

3、螺釘16-轉座與度盤止動螺釘 17-望遠鏡與主軸止動螺釘 18-制動架(一) 19-平行光管準直鏡20-壓片 21-刻度盤 22-游標盤 23-裝平行光管的立柱 24-游標盤微調螺釘25-游標盤止動螺釘 26-平行光管水平調節(jié)螺釘 27-平行光管俯仰調節(jié)螺釘 28-狹縫調節(jié)手輪11、平行光管它由一個寬度可以調節(jié)的狹縫1和一個正透鏡19組成。當狹縫位于透鏡的焦平面上時，從狹縫進入準直管的某一波長的光，通過透鏡后即成為平行光。整個平行光管安裝在與底座相聯(lián)結的立柱23上。平行光管光軸的水平方位可以通過立柱上的調節(jié)螺釘26進行微調，其垂直傾斜度可用螺釘27來調節(jié)。12、望遠鏡其詳細結構如圖1-2所示。

4、它由物鏡E和阿貝目鏡系統(tǒng)AB組成。阿貝目鏡系統(tǒng)內裝有玻璃分劃板T和一個具有與光軸成45反光面的玻璃棱鏡D。在圖1-2 望遠鏡的結構其一端裝有目鏡C。目鏡可在鏡筒內移動以改變分劃板與目鏡的相對位置，達到調焦(看清十字叉絲)的目的。整個目鏡系統(tǒng)又可在望遠鏡筒內移動，以調整物鏡和目鏡系統(tǒng)的相對位置，使被觀測對象準確地成像于分劃板面上。在照明器內裝有小燈泡S，由S發(fā)出的光經毛玻璃散射均勻后再經棱鏡D反射以照亮十字叉絲。阿貝式自準望遠鏡安裝在支臂上，支臂與轉座固定在一起，套在刻度盤21的軸上。當松開止動螺釘16時，望遠鏡與刻度盤可以相對轉動；擰緊16時，兩者即一起轉動。望遠鏡光軸方位可以用水平調節(jié)螺釘1

5、3和豎直調節(jié)螺釘12來調節(jié)。望遠鏡的作用是把從平行光管發(fā)出的平行光束聚焦在物鏡的焦平面上以形成狹縫的像，再通過目鏡進行觀察。13、讀數系統(tǒng)和載物臺游標盤22及可隨望遠鏡一起轉動的刻度盤21組成讀數系統(tǒng)?？潭缺P上有720條等分刻線，每格為 圖1-3 讀數系統(tǒng)30。游標盤的對徑方向刻有兩個圓游標尺，利用游標可以準確讀到1(見圖1-3)。測量時，讀出兩個游標所對應的數值，取其平均，可以消除偏心誤差(證明見“附錄A”)。為使測量準確，還設有望遠鏡制動架微調裝置(亦即刻度盤微調裝置)。它由制動架(一)18與主軸間的止動螺釘17和調節(jié)螺釘15組成。擰緊止動螺釘，轉動調節(jié)螺釘，即可對望遠鏡進行微調，使測量目

6、標對準分劃板上的中心豎線。載物臺5套在游標盤的主軸上，可繞軸旋轉。擰緊制動架(二)4與游標盤的止動螺釘25，再轉動螺釘24，即可對游標盤(連同載物臺)進行微調。載物臺的作用是放置被測物體或色散元件，它由下面三個小螺栓6調節(jié)其水平。用螺釘7可把載物臺固定在中心軸的不同高度上。載物臺上附有壓片20可以固定被載物體。二、分光計的調節(jié):為了精確測量，分光計必須進行調節(jié)。調節(jié)分光計的要求是：(1)平行光管發(fā)出平行光；(2)望遠鏡接收平行光(即聚焦無限遠)；(3)平行光管和望遠鏡的光軸與儀器的轉軸垂直。下面我們就如何達到以上三點要求來介紹分光計的調節(jié)。1粗調為了達到上述要求，可先用目視法進行粗調，使望遠鏡

7、和平行光管的光軸及載物臺面大致垂直于中心轉軸。2光學平行板的放置在載物臺上放上光學平行板，為了便于調節(jié)，使光學平行板放置于載物臺任意兩螺釘(如螺釘b和c)的中垂線上，如圖1-4所示。3望遠鏡的調焦首先點亮目鏡中的小燈(把從專用變壓器輸出的63V望遠鏡調焦電源插頭插到底座的插座上，把目鏡照明器上的插頭插到轉座的插座上)，調節(jié)目鏡(即轉動目鏡調焦手輪11)與分劃板上叉絲的距離，使圖1-4 光學平行板的放置從目鏡中能清晰地看到叉絲，這時叉絲就位于目鏡的焦平面上，但并不一定位于物鏡的焦平面上，我們的目的就是要通過對阿貝目鏡的調節(jié)，使叉絲同時位于目鏡和物鏡的焦平面上。為此，目鏡中的光源照亮反射小三棱鏡，

8、光線經小三棱鏡將叉絲下半部照亮 (由目鏡望去，在目鏡的下半部有一綠色亮方塊，中間有一小的黑十字叉絲)，這時此小的黑十字叉絲就成了新的光源。如果叉絲位于物鏡的焦平面上，則從它發(fā)出的光經物鏡后將平行入射到光學平行板，再經平行板反射回到物鏡的光仍為平行光，所以它們又在其焦平面上會聚，從而產生“綠色十字叉絲”清晰的像。但在實際上，往往叉絲并不恰好位于物鏡的焦平面上，這時通過目鏡只能清楚看到叉絲本身，而它的像是模糊的。此模糊的像對初學者是不易辨認的，所以在此提出鑒別的方法。當望遠鏡光軸平行于光學平行板法線時(目測)，將望遠鏡左右作微小的緩慢移動，如果發(fā)現(xiàn)有隨望遠鏡轉動而作相反方向轉動的模糊綠色亮團，該亮

9、團就是叉絲像。找到此模糊像以后，旋松目鏡鎖緊螺釘9，前后移動目鏡套筒，以便同時清晰地看到叉絲本身及其像，并注意叉絲與其像之間有無視差。若有視差，則需反復調節(jié)，予以消除。將螺釘9再旋緊。至此望遠鏡已調焦完畢，望無鏡聚焦于無限遠，接受平行光便能聚焦于叉絲平面上。4使望遠鏡光軸與分光計的中心軸垂直在上面雖然清晰地看到叉絲和它的像，但一般地說，綠色亮十字叉絲并不與分劃板上方的十字叉絲(調整用叉絲)重合，這一情況說明望遠鏡光軸與分光計中心軸并不垂直。為此需作進一步調節(jié)。我們采用各半調節(jié)的方法來調節(jié)。若從望遠鏡中看到綠色叉絲的交點與分劃板上方的十字叉絲交點在高低方向相差一段距離，則調節(jié)望遠鏡的傾斜度，即調

10、節(jié)螺釘12使差距減少一半，再調節(jié)載物臺下螺釘，如圖1-4所示放置的光學平行板，可以調節(jié)載物臺下螺釘c或b(只需調節(jié)其中之一，能否調節(jié)a?)消除另一半差距，使分劃板上方的十字的交點和綠色叉絲的像的交點重合。然后將載物臺旋轉180，使望遠鏡對準光學平行板的另一面，用同樣方法調節(jié)。如此重復調節(jié)數次，直至轉動載物臺時，從光學平行板兩個表面反射回來的像(綠色叉絲)與分劃板上方十字叉絲完全重合為止。至此望遠鏡已全部調整完畢。在實驗中，不可再動望遠鏡。當然，上述的調節(jié)只能保證望遠鏡的光軸垂直于分光計的轉軸，而不能保證望遠鏡的光軸與載物平臺的法線方向垂直。為此只需將光學平行板旋轉90，使光學平行板與螺釘c和b

11、的連線平行，再對螺釘a進行調節(jié)(注意：螺釘b和c不要再動了!)。經過上面的調節(jié)，只適合望遠鏡不動的實驗。但在我們的實驗中，望遠鏡是要轉動的，必須使望遠鏡的光軸和分光計中心軸處處垂直。為此在上述的基礎上將載物平臺與望遠鏡由原位轉動90，再重復上述調節(jié)。實際上，由于機械加工的精度有限，很可能在兩個方向上不能同時得到滿意的結果，在此情況下，我們只能調節(jié)到一個認為比較滿意的結果為止。5平行光管的調節(jié)用已調節(jié)好的望遠鏡(聚焦于無限遠)作為標準，若平行光管出射的是平行光，則平行光管上狹縫將成像在望遠鏡的焦平面上，這時狹縫的像與分劃板上十字叉絲之間無視差。平行光管的調節(jié)方法是：首先用目測估計平行光管光軸大致

12、與望遠鏡光軸一致，然后調節(jié)手輪28使狹縫打開，從望遠鏡中觀察，同時旋松螺釘2，調節(jié)狹縫在平行光管中的前后位置，直到看見清楚的狹縫像為止。調節(jié)狹縫像寬度在1mm左右(在調節(jié)狹縫時，要注意不能將狹縫閉合，以免損壞刀口)，并將螺釘2旋緊。調節(jié)螺釘27來調整平行光管軸的上下位置，使狹縫的像與目鏡視場的中心對稱，這時說明平行光管光軸與望遠鏡光軸平行，并與分光計中心軸垂直，至此分光計已基本調好。練習一 測定三棱鏡的頂角A一、實驗內容和步驟：1、調節(jié)三棱鏡：要求三棱鏡的主截面垂直于分光計的中心轉軸。為了便于調節(jié)，將三棱鏡如圖1-4放置，使三棱鏡的三個邊分別和載物臺下三個螺釘a、b、c組成的三角形的三條邊垂直

13、。然后轉動載物臺(不動望遠鏡)，使AB面對正望遠鏡，調節(jié)a使AB面與望遠鏡光軸垂直。然后使AC面對正望遠鏡，調節(jié)c來使AC面與望遠鏡光軸垂直，直到由兩側面(AB和AC，注意BC面是毛面)反射回來的像與分劃板上調整用叉絲重合為止，這樣三棱鏡的主截面與儀器中心轉軸已垂直。 2、測量三棱鏡的頂角A：方法一：自準法如圖1-5，利用望遠鏡自身產生的平行光，轉動望遠鏡或載物臺，使AB面反射的像與分劃板上調整用叉絲重合，記下刻度盤上兩邊的讀數和，再轉動望遠鏡或載物臺，使AC面反射的像與分劃板上調整用叉絲重合，記下讀數和，兩次讀數相減就得頂角A的補角，由此得： (1-1) （1-2）方法二：反射法將三棱鏡的頂

14、角A對準平行光管，并使棱鏡稍稍后退(不必放在載物臺中心，為什么?)。如圖1-6，用平行光管射出的平行光照在棱鏡的兩個折射面上。將望遠鏡轉至AB面，使AB面反射回來的狹縫像與分劃板上叉絲重合，記下讀數，。然后將望遠鏡轉至AC面，使AC面反射回來的狹縫像與分劃板上叉絲也重合，記下讀數，則棱鏡的頂角 (1-3) 圖1-5 游標位置望遠鏡位置 左游標 右游標1左右2左右3左右二、預習思考題：1、用分光計測量角度之前，需要調節(jié)它符合什么要求?答：要求是：(1)平行光管發(fā)出平行光；(2)望遠鏡接收平行光(即聚焦無限遠)；(3)平行光管和望遠鏡的光軸與儀器的轉軸垂直。2、 為什么分光計要用兩個游標讀數?答：

15、測量時，讀出兩個游標所對應的數值，取其平均，可以消除偏心誤差（見附錄A）。3、怎樣準確找到最小偏向角的位置?答：觀察偏向角的變化：用汞燈照亮狹縫，入射到棱鏡AB面，按折射定律判斷出射光線的出射方向。然后緩慢轉動載物臺，同時仔細觀察譜線的移動情況及偏向角的變化。選擇偏向角減小的方向，再緩慢轉動載物臺，使偏向角逐漸變小。繼續(xù)沿此方向轉動載物臺，可以看到諸線移至某一位置后將反向移動，這說明偏向角存在一個最小值，譜線移動方向發(fā)生逆轉時的偏向角就是最小偏向角min。附錄A 圓刻度盤的偏心差用圓刻度盤測量角度時，為了消除圓刻度盤的偏心差，必須由相差為180的兩個游標分別讀數。我們知道，圓刻度盤是繞儀器主軸轉動的，由于儀器制造時不容易做到圓刻度盤中心準確無誤地與主軸重合，這就不可避免地會產生偏心差。圓刻度盤上的刻度均勻地刻在圓周上，當圓刻度盤中心與主軸重合時，由相差180的兩個游標讀出的轉角刻度數值相等。而當圓刻度盤偏心時，由兩個游標讀出的轉角刻度數值就不相等了。所以，如果只用一個游標讀數就會出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。如圖1-8所示，用弧AB的刻度讀數，則偏大；用弧AB的刻度讀數又偏小。由平面幾何很容易證明亦即由兩個相差180的游標上讀出的轉角刻度數值的平均值就是圓刻度盤真正的轉角值。附錄B證明