實(shí)驗(yàn)12分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用解讀

1、山基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)T3實(shí)驗(yàn) 12 分光計(jì)的調(diào)節(jié)和使用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1了解分光汁的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)正確調(diào)節(jié)和使用分光計(jì)的方法。2 2 用分光計(jì)測定三棱鏡的頂角。二、實(shí)驗(yàn)儀器分光計(jì)、平面反射鏡、三棱鏡、汞燈等。三、實(shí)驗(yàn)原理分光計(jì)是一種能精確測量角度的光學(xué)儀器。用它可以測定光線偏轉(zhuǎn)角度，如反射角、 折射角、衍射角等等，而不少光學(xué)量（如光波波長、折射率、光柵常數(shù)等）可通過測量相 關(guān)角度來確定。了解分光計(jì)的結(jié)構(gòu)，正確調(diào)節(jié)分光計(jì)，對(duì)減小測量誤差、提高測量精度是 十分重耍的。1.1.分光計(jì)的結(jié)構(gòu)347圖 12-1 分光計(jì)結(jié)構(gòu)圖分光計(jì)主要由平行光管、 望遠(yuǎn)鏡、載物臺(tái)和讀數(shù)裝置四部分組成， 其結(jié)構(gòu)如圖 12-112-1

2、 所 示。平行光管用來發(fā)射平行光， 望遠(yuǎn)鏡用來接收平行光， 載物臺(tái)用來放置三棱鏡、 平面鏡、 光柵等物體，讀數(shù)裝置用來測量角度。分光計(jì)上有許多調(diào)節(jié)螺絲，它們的代號(hào)、名稱和功能見下表。-104-山 基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)代號(hào)名稱功能1平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)平行光管光軸的水平方位（水平面上方位調(diào)節(jié)）2平行光管光軸高低調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)平行光管光軸的傾斜度（鉛直面上方位調(diào)節(jié)）3狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪調(diào)節(jié)狹縫寬度（0.022.00mm）4狹縫裝置固定螺絲松開時(shí)，調(diào)平行光；調(diào)好后鎖緊，以固定狹縫裝置5載物臺(tái)調(diào)平螺絲（3 只）臺(tái)面水平調(diào)節(jié)（本實(shí)驗(yàn)中，用來調(diào)平面鏡和三棱鏡折 射面平行于中心軸。）6載物臺(tái)固定螺絲松開時(shí)，載物

3、臺(tái)可單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)、升降，鎖緊后，使載物 臺(tái)與游標(biāo)盤固聯(lián)7叉絲套筒固定螺絲松開時(shí)，叉絲套筒可自由伸縮、轉(zhuǎn)動(dòng)（物鏡調(diào)焦）；調(diào)好后鎖緊，以固定叉絲套筒8目鏡視度調(diào)節(jié)手輪目鏡調(diào)焦用（調(diào)節(jié) 8,可使視場中叉絲清晰）9望遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺絲調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸的傾斜度（鉛直面上方位調(diào)節(jié)）10望遠(yuǎn)鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺絲（在圖后側(cè)）調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸的水平方位（水平面上方位調(diào)節(jié)）11望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲（在圖后側(cè)）在鎖緊 13 后，調(diào) 11 可使望遠(yuǎn)鏡繞中心軸緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)12刻度盤與望遠(yuǎn)鏡固聯(lián)螺絲松開 12，兩者可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；鎖緊 12,兩者固聯(lián)，才能 一起轉(zhuǎn)動(dòng)13望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺絲（在圖后側(cè)）松開 13,可用手大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡；鎖緊13,微

4、調(diào)螺絲 11 才起作用14游標(biāo)盤微調(diào)螺絲鎖緊 15 后，調(diào) 14 可使游標(biāo)盤作小幅度轉(zhuǎn)動(dòng)15游標(biāo)盤止動(dòng)螺絲松開 15,游標(biāo)盤能單獨(dú)作大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)；鎖緊15,微調(diào)螺絲 14 才起作用分光計(jì)的讀數(shù)裝置由刻度盤和游標(biāo)盤兩部分組成?？潭缺P分為360360。，最小分度為半度（3030）半度以下的角度可借助游標(biāo)準(zhǔn)確讀出。游標(biāo)等分為3030 格，游標(biāo)的這 3030 小格正好跟刻度盤上的 2929 小格對(duì)齊，因此知道游標(biāo)上1 1 小格為 2929,游標(biāo)上 1 1 小格與刻度盤上 1 1小格兩者之差為 1 1。從而推知游標(biāo)上 n n 小格與刻度盤上 n n 小格相差 n no角游標(biāo)的讀法與直游標(biāo)（如游標(biāo)卡尺）相似

5、，以游標(biāo)零線為基準(zhǔn)，先讀出大數(shù)（大于3030的部分），再利用游標(biāo)讀出小數(shù)（小于3030 的部分），大數(shù)跟小數(shù)之和即為測量結(jié)果。現(xiàn)舉二例試讀（見圖 12-212-2 ）o山基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)T5149 +22/ 149 22 /149 30 / +14 149 44 /圖 12-2角游標(biāo)的讀數(shù)示例在生產(chǎn)分光計(jì)時(shí)，難以做到使望遠(yuǎn)鏡、刻度盤的旋轉(zhuǎn)軸線與分光計(jì)中心軸完全重合。 為消除刻度盤與分光計(jì)中心軸偏心而引起的誤差， 在游標(biāo)盤同一條直徑的兩端各裝一個(gè)讀 數(shù)游標(biāo)。 測量時(shí)兩個(gè)游標(biāo)都應(yīng)讀數(shù)，然后分別算出每個(gè)游標(biāo)兩次讀數(shù)之差，取其平均值作 為測量結(jié)果。用雙游標(biāo)消除偏心誤差的原理詳見附注。2.2.分光計(jì)的調(diào)節(jié)概

6、括地說，分光計(jì)的調(diào)整要求是： 使平行光管出射平行光； 望遠(yuǎn)鏡適合于接收平行光； 平行光管和望遠(yuǎn)鏡的光軸等高并與分光計(jì)中心軸垂直。在正式調(diào)整前，先目測粗調(diào)：使望遠(yuǎn)鏡和平行光管對(duì)直，并都對(duì)準(zhǔn)分光計(jì)中心軸；將載物臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡和平行光管大致調(diào)水平（實(shí)際要求與分光計(jì)中心軸垂直）。這一步很重要,只有做好粗調(diào)，才能按下列步驟進(jìn)一步細(xì)調(diào)（否則細(xì)調(diào)難以進(jìn)行）：（1 1）調(diào)整望遠(yuǎn)鏡使其達(dá)到下面兩條要求（望遠(yuǎn)鏡是由物鏡鏡筒、叉絲套筒和目鏡鏡15S*155*圖 12-3阿貝目鏡式望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和視場-6山基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)筒三部分組成。叉絲到目鏡和物鏡的距離皆可調(diào)節(jié)。常用的阿貝目鏡式望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和視 場如上頁圖 12-12-3

7、 3所示）：用自準(zhǔn)法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡，使之適合于接收平行光：點(diǎn)亮望遠(yuǎn) 鏡側(cè)窗的照明燈將叉絲照亮，前后移動(dòng)目鏡使叉絲位于目鏡焦平 面上，此時(shí)叉絲看得很清楚。 再按圖 12-412-4 所示位置，將平面反射 鏡置于載物臺(tái)上（鏡面朝望遠(yuǎn)鏡）。然后緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，同時(shí)調(diào) 節(jié)叉絲套筒（改變叉絲與物鏡間距），從望遠(yuǎn)鏡中找到由平面鏡反 射回來的模糊光斑（如果找不到，則粗調(diào)沒有達(dá)到要求，應(yīng)重調(diào)）。 找到光斑后進(jìn)一步細(xì)調(diào)叉絲套筒，光斑逐漸變變成清晰的“十” 字形像（它是叉絲平面上小黑十字的反射像）。當(dāng)叉絲位于物鏡焦平面上時(shí)，叉絲發(fā)出的光經(jīng)過物鏡后成為平行光，平行光經(jīng)平面 鏡反射再次通過物鏡后仍成像于叉絲平面。此時(shí)，從

8、目鏡中可同 時(shí)看清叉絲與“十”字形像，且兩者無視差。至此，叉絲既落在 目鏡焦平面上又落在物鏡焦平面上，望遠(yuǎn)鏡已適合于接收平行光。 各鏡筒間的相對(duì)位置就不應(yīng)改變了。要補(bǔ)充說明的是，叉絲套筒在調(diào)節(jié)過程中應(yīng)做適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使豎直叉絲平行于分光計(jì)中心軸（怎樣鑒別是否已達(dá)到了這一要求？）。使望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于分光計(jì)中心軸：測量中，平行光管和望遠(yuǎn)鏡分別代表入射光和出射光方向。為保證測量精度，應(yīng)使它們的光軸與刻度盤平行。由于制造儀器時(shí)刻度盤已 與分光計(jì)中心軸垂直，所以只需調(diào)節(jié)它們的光軸與中心軸垂直就可以了。望遠(yuǎn)鏡調(diào)好焦后，從目鏡中能同時(shí)看清叉絲和“十”字形像，且兩者無視差。但“十”字形像一般不處于小黑十字的對(duì)稱位

9、置（aaaa，線）上。其原因可能是望遠(yuǎn)鏡光軸未垂直中心軸，也可能是平面鏡鏡面與中心軸不平行，或者兩者兼有。為使望遠(yuǎn)鏡光軸垂直中心軸，調(diào)整方法如下：首先檢查平面鏡正反兩面分別正對(duì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，視場中是否都能找到“十”字形像（如果找不到或只找到一個(gè)， 說明粗調(diào)不合格， 應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整） 。 然后用螺絲 9 9 調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸 傾斜度， 使“十”字形像到 aaaa，線的距離減小一半，再調(diào)載物臺(tái)螺絲G G1（或 G G3）使兩者重合。把載物臺(tái)轉(zhuǎn) 180180。，使平面鏡的反面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，再次用“各半調(diào)節(jié)法”同樣調(diào)節(jié)。 如此反復(fù)調(diào)節(jié)，直到平面鏡任一面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，視場中的“十”字形像都落在調(diào)整叉絲 aaaa，

10、上時(shí)為止。此時(shí)，望遠(yuǎn)鏡光軸就與中心軸垂直了。望遠(yuǎn)蹟n圖 12-4平面鏡在載物臺(tái)上的放法山基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)T7調(diào)節(jié)過程中，不必刻板地運(yùn)用“各半調(diào)節(jié)法”。若發(fā)現(xiàn)正反兩面的反射像縱向位移較大，說明平面鏡鏡面與中心軸明顯不平行，就應(yīng)側(cè)重調(diào)節(jié)螺絲G Gi或 G G3。如果縱向位移不大，但反射像都遠(yuǎn)離 aaaa，線，這表明望遠(yuǎn)鏡光軸與中心軸明顯不垂直，就該側(cè)重調(diào)節(jié)螺絲 9 9 了。(2 2 )調(diào)整平行光管。1調(diào)整平行光管使之出射平行光：平行光管是由兩個(gè)可以相對(duì)滑動(dòng)的套簡組成的，外 筒上裝有一組消色差透鏡，內(nèi)筒外端裝有一個(gè)寬度可調(diào)的狹縫。調(diào)節(jié)時(shí)先取下載物臺(tái)上的平面鏡，點(diǎn)亮汞燈使之正照狹縫。然后一邊調(diào)節(jié)平行光管上

11、狹縫和透鏡的間距，一邊用調(diào)好焦的望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)平行光管觀察。當(dāng)狹縫正好調(diào)到透鏡焦平 面上時(shí)，平行光管就出射平行光。由于望遠(yuǎn)鏡已適合于接收平行光，因此平行光射入望遠(yuǎn) 鏡后將在叉絲平面成像。這時(shí)從望遠(yuǎn)鏡中能看到清晰的與叉絲無視差的狹縫像。這就是說，我們是以調(diào)好焦的望遠(yuǎn)鏡視場中，能否產(chǎn)生清晰的、無視差的狹縫像作為 判據(jù)，來判別平行光管出射的是否是平行光的。2使平行光管光軸與分光計(jì)中心軸垂直：調(diào)節(jié)螺絲3 3 使狹縫像寬約 1mm1mm 多，再轉(zhuǎn)動(dòng)狹縫使狹縫像平行于豎直叉絲， 然后調(diào)節(jié)平行光管光軸水平調(diào)節(jié)螺絲 1 1 和高低調(diào)節(jié)螺絲 2 2, 把狹縫像精確調(diào)到視場中心且被十字叉絲所等分。至此，平行光管與望遠(yuǎn)

12、鏡的光軸重合且與分光計(jì)中心軸垂直。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.1. 調(diào)整分光計(jì)按分光計(jì)的調(diào)整要求和調(diào)節(jié)方法，正確調(diào)節(jié)分光計(jì)至正常工作狀態(tài)。2.2. 調(diào)節(jié)三棱鏡要使三棱鏡兩折射面與分光計(jì)中心軸平行(即與已調(diào)好的望遠(yuǎn)鏡光軸垂直)。(1)將三棱鏡按圖 12-512-5 那樣平放在載物臺(tái)上。 圖中 ABCABC 表示三棱鏡的橫截面，ABAB、ACAC、BCBC 是三棱鏡的三個(gè)側(cè)面。其中，ABAB、ACAC 兩個(gè)側(cè)面是透光的光學(xué)表面 (稱為折射面)、側(cè)面 BCBC 是毛 玻璃面(稱為底面)。三棱鏡兩折射面的夾角二稱為頂角。放置三棱鏡時(shí)，頂角要靠近載物臺(tái)中央，折射 面要與載物臺(tái)下調(diào)平螺絲的連線垂直。(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)

13、，使三棱鏡的一個(gè)折射面正對(duì) 望遠(yuǎn)鏡。調(diào)節(jié)載物臺(tái)調(diào)平螺絲，使“十”字形反射像 落在調(diào)整叉絲 aaaa上。轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)使另一折射面正對(duì)圖 12-5 三棱鏡的放法-8山基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡，再按上述方法重新調(diào)節(jié)。來回反復(fù)調(diào)節(jié)幾次，直到兩個(gè)折射面都垂直于望遠(yuǎn)鏡光軸為止。注意：調(diào)節(jié)過程中只能調(diào)節(jié)載物臺(tái)下的調(diào)平螺絲，不能動(dòng)望遠(yuǎn)鏡下的方位調(diào)節(jié)螺 絲。3.3.用反射法測三棱鏡頂角轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，使三棱鏡頂角對(duì)準(zhǔn)平行光 管，讓平行光管射出的光束照在三棱鏡兩個(gè) 折射面上（見圖12-612-6 ）。將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至 I I 處 觀測左側(cè)反射光，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺絲（1111）， 使望遠(yuǎn)鏡豎直叉絲對(duì)準(zhǔn)狹縫像中心線。再分別從兩個(gè)游標(biāo)

14、讀出左側(cè)反射光的方位角v vA A、;然后將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至 n 處觀測右側(cè)反射光，相同方法讀出右側(cè)反射光的方位角、TB。由圖 12-612-6 可以證明頂角為cp 1* =二=丄（兀-兀+S+S - -S S）24要求測量 3 3 次以上，求平均值和不確定度，數(shù)據(jù)表格自擬。每次測量完后可以稍微變動(dòng)載物臺(tái)位置，再測下一次。五、注意事項(xiàng)1 1 三棱鏡要輕拿輕放，要注意保護(hù)光學(xué)表面，不要用手觸摸折射面。2 2用反射法測頂角時(shí)， 三棱鏡頂角應(yīng)靠近載物臺(tái)中央放置（即離平行光管遠(yuǎn)一些） 否則反射光不能進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡。3 3 在計(jì)算望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)角時(shí)， 要注意望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)過程中是否經(jīng)過刻度盤零點(diǎn)，如經(jīng)過零點(diǎn)，應(yīng)在相應(yīng)讀數(shù)加上 360360。后再計(jì)算。六、問題討論1 1 在載物臺(tái)上放置三棱鏡時(shí)，為什么要使折射面垂直于載物臺(tái)調(diào)平螺絲的連線？2 2 不用汞燈和平行光管， 利用望遠(yuǎn)鏡自身產(chǎn)生的平行光來測三棱鏡頂角的方法稱為自 準(zhǔn)法。試用自準(zhǔn)法測三棱鏡頂角，并說明測量原理和方法。9/9/3 3 試?yán)脠D 12-612-6，證明反射法測三棱鏡頂角的測量公式：二2。圖 12-6用反射法測三棱鏡頂角山基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)T9七、附注：雙游標(biāo)消除偏心誤差原理測量時(shí)，游標(biāo)盤、載物臺(tái)均與分光計(jì)整體固聯(lián)，而望遠(yuǎn)鏡與