理實(shí)驗(yàn)I分光計(jì)的調(diào)整與折射率的測(cè)定

1、分光計(jì)是一種精確測(cè)量角度觀察光譜的比較精密的光學(xué)儀器?？梢杂脕頊y(cè)量棱鏡的頂角、最小偏向角等，從而間接地測(cè)出棱鏡折射率、光波波長(zhǎng)、色散率等一些物理量。分光計(jì)裝置精密，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用前必須按操作程序進(jìn)行調(diào)整，它的調(diào)整方法和操作技能在光學(xué)儀器中具有一定的普遍意義，而且它的基本光學(xué)結(jié)構(gòu)又是許多光學(xué)儀器(如攝譜儀、單色儀、分光光度計(jì)等)的基礎(chǔ)。因而學(xué)習(xí)分光計(jì)結(jié)構(gòu)原理、調(diào)整方法以及一些應(yīng)用是很有用處的。預(yù)備問題1用分光計(jì)測(cè)量角度前應(yīng)該調(diào)節(jié)分光計(jì)達(dá)到什么要求?2如何判斷望遠(yuǎn)鏡已對(duì)無窮遠(yuǎn)聚焦?如何判斷平行光管已發(fā)射平行光?3為什么說望遠(yuǎn)鏡光軸垂直于旋轉(zhuǎn)主軸不等于載物臺(tái)垂直于旋轉(zhuǎn)主軸?用自準(zhǔn)直法調(diào)平載物臺(tái)時(shí)為什

2、么只能調(diào)節(jié)載物臺(tái)調(diào)平螺釘，不能再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰角調(diào)節(jié)螺釘?4測(cè)量最小偏向角時(shí)，三棱鏡在載物臺(tái)上的位置會(huì)是任意的嗎?為什么?5如果旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡找不到折射光線，可能是什么原因?6對(duì)給定的棱鏡和單色光，最小偏向角是惟一的還是可以有不同的數(shù)值?為什么?7有幾種方法測(cè)三棱鏡的頂角？8.怎樣找到三棱鏡的最小偏向角？引言 折射率是描寫透明物質(zhì)的重要光學(xué)參量。通過它，可以了解物質(zhì)的純度、濃度、透光性、色散等性能。測(cè)定固體折射率方法很多，本實(shí)驗(yàn)采用最小偏向角法。1中三角形ABC表示三棱鏡的橫截面。AB和AC是透光的光學(xué)表面，稱為折射面，其夾角A稱為三棱鏡的頂角。BC為毛玻璃面，稱為三棱鏡的底面。1 一束單色光線L

3、D經(jīng)待測(cè)三棱鏡的兩次折射后，沿ER方向射出。入射光線與出射光線的夾角稱為偏向角，偏向角三棱鏡的重要特征量。的大小隨入射光束在AB面上的入射角il1中的幾何關(guān)系可得A=1）2）棱角A是固定的，偏向角的極小值可由2）有3）1）和折射定律= n= n4 )可得5）比較式（3）和式（5）可知6）可知當(dāng)出射光和入射光相對(duì)棱鏡對(duì)稱時(shí)，偏向角有極小值2）可得=A/2和 =（A+）/ 2，帶入折射定律即可得到7）只要測(cè)出三棱鏡頂角A及測(cè)量某種波長(zhǎng)的光在三棱鏡中的最小偏向角7計(jì)算該種物質(zhì)對(duì)該波長(zhǎng)的折射率。儀器設(shè)備 JY型分光計(jì)，三棱鏡，平面反射鏡，鈉光燈。【儀器介紹】2 分光計(jì)外型圖1平行光管狹縫裝置 2狹縫裝

4、置鎖緊螺釘 3平行光管鏡筒 4游標(biāo)盤制動(dòng)架 5載物臺(tái)6載物臺(tái)調(diào)子螺釘 7載物臺(tái)鎖緊螺釘 8望遠(yuǎn)鏡筒 9目鏡筒鎖緊螺釘 10阿貝式自準(zhǔn)宜目鏡11日鏡視度調(diào)節(jié)手輪 12望遠(yuǎn)鏡光軸俯仰角調(diào)節(jié)螺釘 13望遠(yuǎn)鏡光軸水平方位調(diào)節(jié)螺釘 14支持臂15望遠(yuǎn)鏡方位角微調(diào)螺釘 16望遠(yuǎn)鏡鎖緊螺釘 17望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)座與度盤鎖緊螺釘 18望遠(yuǎn)鏡制動(dòng)架底座 20望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)座 21主刻度毅 22游標(biāo)內(nèi)盤 23立柱 24游標(biāo)盤微調(diào)螺釘 25游標(biāo)盤鎖緊螺釘26平行光管光軸水平方位調(diào)節(jié)螺釘 27平行光管光軸俯仰角凋節(jié)螺釘 28一狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪1JY型分光計(jì) 分光計(jì)又稱為光學(xué)測(cè)角儀，主要由底座、阿貝式自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡、平行光管、載物平臺(tái)

5、、度盤和游標(biāo)內(nèi)盤組成的讀數(shù)裝置等五個(gè)部分組成(圖4。32)。 分光計(jì)底座堅(jiān)實(shí)平穩(wěn)，中央為旋轉(zhuǎn)中心軸。望遠(yuǎn)鏡和讀數(shù)盤可繞中心軸旋轉(zhuǎn)。（1）平行光管3)。調(diào)節(jié)平行光管光軸水平方位調(diào)節(jié)螺釘26和平行光管光軸俯仰角調(diào)節(jié)螺釘27可以調(diào)節(jié)平行光管光軸的水平度和方位。3 平行光管示意圖（2）望遠(yuǎn)鏡用來觀察平行光及確定它的方位2中望遠(yuǎn)鏡光軸俯仰角調(diào)節(jié)螺釘12和望遠(yuǎn)鏡光軸水平調(diào)節(jié)螺釘13，可以調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸的水平度和方位。望遠(yuǎn)鏡目鏡可以在目鏡套筒B內(nèi)滑動(dòng)，刻有準(zhǔn)線的分劃板則固定在B筒內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)圖4.3 2中的目鏡視度調(diào)節(jié)手輪11可以改變目鏡和分劃板的相對(duì)位置。分劃板下邊粘了一塊452中的鎖緊螺釘9，B筒(連同目鏡

6、、分劃板)可以在A筒內(nèi)前后移動(dòng)，當(dāng)分劃板被調(diào)到物鏡的焦平面上時(shí)，從透光十字窗出射的光線通過物鏡將成為平行光。若在望遠(yuǎn)鏡前置一平面反射鏡，且使鏡面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直，則經(jīng)鏡面反射的平行光將再次通過物鏡并在物鏡的焦平面上成像(自準(zhǔn)直)，此時(shí)在目鏡視場(chǎng)中可以看到反射光在分劃板上部準(zhǔn)線交叉點(diǎn)上，形成的清晰的綠色亮十字像。(為什么?)4 自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡示意圖（3） 載物臺(tái)載物臺(tái)5是放置待測(cè)光學(xué)元件的圓型平臺(tái)，擰緊鎖緊螺釘7，載物臺(tái)可以和游標(biāo)內(nèi)盤一起繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，松開螺釘則可單獨(dú)旋轉(zhuǎn)和升降。載物臺(tái)的小平臺(tái)下面有三個(gè)調(diào)平螺釘，用來調(diào)節(jié)平臺(tái)的高度和傾斜度。（4）讀數(shù)裝置讀數(shù)裝置由主刻度盤21和游標(biāo)內(nèi)盤22組成。主

7、刻度盤分為360(30)。為了消除主刻度盤刻度中心與游標(biāo)內(nèi)盤中心不重合產(chǎn)生的偏心差，游標(biāo)內(nèi)盤上相隔180對(duì)稱設(shè)置了兩個(gè)游標(biāo)(見附錄1)，測(cè)量光線角位置時(shí)應(yīng)同時(shí)記下左右兩個(gè)游標(biāo)的讀數(shù)。游標(biāo)上有30格，最小讀數(shù)為l過一點(diǎn)，游標(biāo)上的第18條刻線與主刻度盤上的某條刻線對(duì)得最準(zhǔn)，則角度數(shù)值為16048。測(cè)量前可以先松開望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)座和度盤問的鎖緊螺釘17，將度盤的零度置于望遠(yuǎn)鏡下以避免由于游標(biāo)過零度引起的讀數(shù)不便(附錄2)。但測(cè)量時(shí)必須擰緊螺釘，使度盤和望遠(yuǎn)鏡一起轉(zhuǎn)動(dòng)。擰緊望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺釘16后可以使用望遠(yuǎn)鏡方位角微調(diào)螺釘15微調(diào)望遠(yuǎn)鏡。2鈉光燈一種實(shí)驗(yàn)室常用的，利用鈉蒸汽弧光放電發(fā)光的單色光源，發(fā)射波長(zhǎng)58

8、9.0nm和589.6nm兩種單色黃光。由于波長(zhǎng)十分接近，一般儀器難以將兩條譜線分開，所以通常以其平均值589.3nm作為納光燈黃光的波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)程序 為了獲得精確的測(cè)量結(jié)果，應(yīng)該使分光計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)適合平行光，使分光計(jì)的讀數(shù)平面、觀察平面(望遠(yuǎn)鏡光軸在垂直中心軸的條件下繞中心軸旋轉(zhuǎn)形成的平面)和待測(cè)光路平面(由待測(cè)光學(xué)元件上的入射、反射、折射或衍射光線形成的平面)相互平行(為什么?)。為此，必須首先調(diào)節(jié)好分光計(jì)，達(dá)到平行光管發(fā)射平行光，望遠(yuǎn)鏡適合接收平行光(望遠(yuǎn)鏡對(duì)無窮遠(yuǎn)聚焦)，望遠(yuǎn)鏡和平行光管光軸垂直于旋轉(zhuǎn)中心軸。載物臺(tái)平面垂直于分光計(jì)的旋轉(zhuǎn)中心軸。 1)目鏡調(diào)焦2中的目鏡視度調(diào)節(jié)手輪11，調(diào)

9、節(jié)目鏡與分劃板間的相對(duì)位置，直至在目鏡視場(chǎng)中能看到清晰的準(zhǔn)線。調(diào)好后一般情況下不要再動(dòng)調(diào)節(jié)手輪。 2)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡適合接收平行光(望遠(yuǎn)鏡對(duì)無窮遠(yuǎn)聚焦) (1)目測(cè)粗調(diào)。通過調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的光軸俯仰角調(diào)節(jié)螺釘以及載物臺(tái)調(diào)平螺釘粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡和載物臺(tái)，目測(cè)達(dá)到望遠(yuǎn)鏡的光軸基本水平并指向旋轉(zhuǎn)中心軸，載物臺(tái)平面大致水平。粗調(diào)很重要，粗調(diào)完成得不好，細(xì)調(diào)會(huì)很困難。粗調(diào)完成得好，放上平面鏡打開望遠(yuǎn)鏡的照明光源，就可以觀察到十字窗口的綠色反射像。4)，以調(diào)節(jié)分劃板與物鏡的相對(duì)位置(注意不要碰動(dòng)目鏡視度調(diào)節(jié)手輪)，直至將分劃板調(diào)到物鏡焦平面上，從目鏡中觀察分劃板準(zhǔn)線和綠色亮十字都非常清晰且無視差，則望遠(yuǎn)鏡已對(duì)無窮遠(yuǎn)聚焦

10、，只有發(fā)射平行光的物體才能在分劃板平面上產(chǎn)生最清晰的像。 無視差是指當(dāng)觀察者眼睛左右移動(dòng)時(shí)，準(zhǔn)線和綠色亮十字之間沒有相對(duì)位移，即測(cè)量準(zhǔn)線和被測(cè)目標(biāo)處于同一平面，這是使用助視光學(xué)儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)應(yīng)達(dá)到的調(diào)節(jié)要求。這里可以通過仔細(xì)移動(dòng)望遠(yuǎn)鏡目鏡套筒和轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡視度調(diào)節(jié)手輪實(shí)現(xiàn)。調(diào)節(jié)完成后應(yīng)擰緊鎖緊螺釘。 3)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直旋轉(zhuǎn)中心軸5a所示，如果望遠(yuǎn)鏡光軸垂直反射鏡平面但不垂直旋轉(zhuǎn)中心軸，那么反射鏡隨游標(biāo)盤旋轉(zhuǎn)1805 b)，綠色十字反射像才始終在正確的位置。因此可以用旋轉(zhuǎn)180各半調(diào)節(jié)逐次逼進(jìn)法調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直旋轉(zhuǎn)中心軸。 圖5 調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡光軸垂直旋轉(zhuǎn)中心軸6所示放置反射鏡，使之位于載物臺(tái)的3

11、個(gè)調(diào)平螺釘a、b 、c構(gòu)成的等邊三角形的2中游標(biāo)盤鎖緊螺釘25，擰緊載物臺(tái)鎖緊螺釘7，讓載物臺(tái)與游標(biāo)內(nèi)盤起轉(zhuǎn)動(dòng)。7 a7 b)，再調(diào)望遠(yuǎn)鏡俯仰角調(diào)節(jié)螺釘減少剩下的7 c)。然后將游標(biāo)內(nèi)盤(連同載物臺(tái)、反射鏡)旋轉(zhuǎn)180讓望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)另一反射面B，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡俯仰角調(diào)節(jié)螺釘使十字像與準(zhǔn)線的偏離減少一半，再調(diào)載物臺(tái)下該反射面前面的螺釘a，使亮十字與準(zhǔn)線上面的交叉點(diǎn)重合。重復(fù)上述過程，直至望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)任一個(gè)反射面，亮十字都和準(zhǔn)線上面的交叉點(diǎn)重合為止。調(diào)節(jié)完成后注意松開載物臺(tái)與游標(biāo)內(nèi)盤間的鎖緊螺釘7，使載物臺(tái)可以單獨(dú)旋轉(zhuǎn)升降。同時(shí)必須擰緊鎖緊螺釘25固定游標(biāo)內(nèi)盤。望遠(yuǎn)鏡光軸垂直旋轉(zhuǎn)中心軸的調(diào)節(jié)一經(jīng)完成，就不

12、允許再動(dòng)望遠(yuǎn)鏡俯仰角調(diào)節(jié)螺釘。圖6 反射鏡位置圖7 各半調(diào)節(jié)法示意圖 (3)以上步驟中不需調(diào)節(jié)調(diào)平螺釘b (為什么?)，所以載物臺(tái)不一定平。要調(diào)平載物臺(tái)應(yīng)將反射鏡轉(zhuǎn)一個(gè)角度，使鏡面垂直ba 或bc 連線，望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)反射鏡，如果綠色十字像沒有與準(zhǔn)線上方的交叉點(diǎn)重合，可單獨(dú)調(diào)節(jié)螺釘b使之重合。調(diào)平載物臺(tái)后應(yīng)關(guān)閉望遠(yuǎn)鏡照明燈。2中的狹縫鎖緊螺釘2，前后移動(dòng)狹縫裝置，直至望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中呈現(xiàn)十分清晰的狹縫像且與準(zhǔn)線無視差，平行光管發(fā)出的即是平行光。因?yàn)橹挥挟?dāng)平行光管發(fā)射平行光時(shí)，從已調(diào)到適合接收平行光的望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中才能看到清晰的狹縫像。進(jìn)一步調(diào)節(jié)平行光管俯仰角，使豎直狹縫中心與準(zhǔn)線中部交叉點(diǎn)重合，而且將狹

13、縫轉(zhuǎn)過90其中心仍然能與交叉點(diǎn)重合。測(cè)量時(shí)狹縫應(yīng)處于豎直位置。至此，分光計(jì)調(diào)節(jié)完畢。 此時(shí)，除了因更換待測(cè)器件（如平面鏡，三棱鏡，光柵等）需微調(diào)載物臺(tái)調(diào)平螺釘以外，不能再調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡及平行光管，否則又需重新調(diào)整。2.測(cè)三棱鏡的頂角A（選做）（1）三棱鏡的調(diào)整8所示位置放在載物臺(tái)平面上，使三個(gè)調(diào)平螺釘每?jī)蓚€(gè)連線與三棱鏡的鏡面正交。開電源，小燈照亮叉絲。轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)使AC面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，調(diào)節(jié)a。使AC面與望遠(yuǎn)鏡光鈾垂直；然后調(diào)節(jié)b ，使AB面正對(duì)望遠(yuǎn)鏡，與望遠(yuǎn)鏡光軸相垂直。直至由兩個(gè)側(cè)面(AB和AC)反射回來的綠色亮十字自準(zhǔn)像均與上十字叉絲重合。 【注意】三棱鏡的調(diào)整僅是調(diào)節(jié)載物臺(tái)的調(diào)平螺釘，使透光面

14、與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直，不能調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡與平行光管。 (2)自準(zhǔn)法測(cè)棱鏡的頂角 將BC毛玻璃面對(duì)著平行光管，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)AB面對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，且反射回來的綠色亮十字與上十字叉絲重合時(shí)，記下兩個(gè)游標(biāo)的讀數(shù)1，1。然后再轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡(此時(shí)鎖緊游標(biāo)盤止動(dòng)螺釘25 )，使游標(biāo)盤不能動(dòng)而刻度盤與望遠(yuǎn)鏡一齊連動(dòng)，望遠(yuǎn)鏡止動(dòng)螺釘(16)不能鎖緊)，使AC面反射回來的綠色亮十字與上十字叉絲重合，記下9所示。兩次讀數(shù)之差即為棱鏡頂角A補(bǔ)角：8）則三棱鏡頂角A為 A=180 按以上步驟重復(fù)三次，并計(jì)算出平均值。 圖8 圖9（3）反射法 讓三棱鏡的頂角A對(duì)準(zhǔn)平行光管，頂角A并放置在載物臺(tái)中心。入射平行光被兩個(gè)折射面反射，轉(zhuǎn)動(dòng)望

15、遠(yuǎn)鏡分別對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)折射面的反射像1、2并記錄對(duì)應(yīng)的左右游標(biāo)讀數(shù)1，1和2，2，則9） 折射率是反映物質(zhì)光學(xué)性質(zhì)的重要光學(xué)參量，用分光計(jì)測(cè)量液體和固體的折射率可以采用折射極限法(掠入射法)、位移法、最小偏向角法等。實(shí)際測(cè)量常用專用儀器，如阿貝折射計(jì)。折射率是光波波長(zhǎng)的函數(shù)，所以測(cè)量時(shí)應(yīng)使用單色光源。10所示。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，使視場(chǎng)中看到狹縫經(jīng)棱鏡二次折射后出射的狹縫像。狹縫入射至棱鏡的入射方向與狹縫經(jīng)棱鏡折射后出射的方向的夾角稱為偏向角。若沿某方向緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，在望遠(yuǎn)鏡中可觀察到狹縫像的移動(dòng)情況，找出使偏向角減少的載物臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，并依此方向繼續(xù)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)載物臺(tái)，直到偏向角不再減小卻反而增大，從而找出偏

16、向角減至最小的位置，便是相應(yīng)光波的最小偏向角min的位置。轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使其豎叉絲與最小偏向角時(shí)的狹縫二次折射像重合，再度輕轉(zhuǎn)載物臺(tái)確認(rèn)望遠(yuǎn)鏡豎叉絲已對(duì)準(zhǔn)最小偏向角位置后，記下兩游標(biāo)讀數(shù)。移去三棱鏡，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡使其對(duì)準(zhǔn)平行光管，在豎叉絲對(duì)準(zhǔn)狹縫像中央時(shí)記下讀數(shù)則最小偏向角為圖10（2）重復(fù)上述步驟，測(cè)量五次。參考下表記錄數(shù)據(jù)。次數(shù)角度12345左右左0右0min最小偏向角數(shù)據(jù)處理和結(jié)果分析*(1)計(jì)算棱角A及其不確定度。(2)計(jì)算玻璃三棱鏡對(duì)鈉黃光的折射率n及其不確定度，給出結(jié)果表述。棱角A及其不確定度可取實(shí)際測(cè)量的數(shù)值或?qū)嶒?yàn)室給出的數(shù)值。注意事項(xiàng)（1）分光計(jì)是比較精密的光學(xué)儀器，要按照說明調(diào)節(jié)、

17、使用，以免損壞儀器。（2）不要用手觸摸棱鏡、反射鏡等光學(xué)元件的光學(xué)表面，拿取棱鏡時(shí)只能拿上下毛面或棱邊。取放要特別小心，避免摔碰。（3）由于分光計(jì)的調(diào)節(jié)螺釘很多，所以進(jìn)行調(diào)整之前，應(yīng)先弄清楚各螺釘?shù)淖饔煤臀恢?。使用時(shí)要輕旋緩動(dòng)。制動(dòng)或鎖緊螺釘擰緊后，該部件即被緊固，不能強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以免損傷儀器。拓展設(shè)計(jì)還能設(shè)計(jì)一種測(cè)三棱鏡折射率的方法嗎?參考文獻(xiàn)(1)母國(guó)光，戰(zhàn)元齡光學(xué)北京：人民教育出版社，1978(2)章志鳴等光學(xué)北京：高等教育出版社，1995附錄1 偏心差的消除分光計(jì)讀數(shù)系統(tǒng)有兩根轉(zhuǎn)軸：游標(biāo)盤的轉(zhuǎn)軸和主刻度盤的轉(zhuǎn)軸。假如這兩根軸不重合，將使讀數(shù)引進(jìn)偏心差。消除偏心差的方法是在游標(biāo)盤的某一直徑的兩端開兩個(gè)讀數(shù)窗口，兩個(gè)窗口的讀數(shù)取平均值就可以