实验1011分光计的调整与使用

1、实验十分光计的调整与使用实验目的1了解分光计的基本结构和原理；2. 掌握分光计的调整要求和调整方法；3用分光计测三棱镜的顶角。实验仪器分光计，汞灯，玻璃三棱镜仪器描述分光计是一种精确测量角度的仪器，它常用来测量折射率、光波波长、色 散率和观察光谱等。它是一种比较精密的仪器。分光计的结构如图101所示。1 一狭缝装置；2狭缝装置锁紧螺钉；3平行光管；4一制动架（二）；5载物台；6载物台调节螺钉（3只）；7载物台锁紧螺钉；8望远镜；9一目镜锁紧螺钉；10阿贝自准直目镜；11一目镜调节手轮;12望远镜仰角调节螺钉：13望远镜水平调节螺钉；14 一支臂；15望远镜微调螺钉：16转座与度盘 止动螺钉；1

2、7 望远镜止动螺钉；18制动架（一）；19一底座；20转座；21度盘；22游标盘；23 一立柱；24游标盘微调螺钉；25游标盘止动螺钉；26平行光管水平调节螺钉；27平行光管仰角调节 螺钉；28狭缝宽度调节手轮图10-1分光计的结构示意图分光计主耍由底座、望远镜、平行光管、载物台和读数圆盘5部分组成。1分光计底座底座中心有一固定转轴，望远镜、读数盘、载物台套在中心 转轴上，可绕其旋转。物镜2. 望远镜 望远镜由物镜y和目镜c组成，如图10-2所示。为了调节和测 量，物镜和目镜之间装有分划板p,分划板上刻有“主”形格子，它固定在e筒 ±o目镜可沿b筒前后移动以改变目镜与分划板的距离，使

3、“主”形格子能调到 目镜的焦平面上。物镜固定在a筒的另一端，是一个消色复合透镜。e筒可沿a 筒滑动，以改变“主”形格子与物镜的距离，使“主”形格子既能调到目镜焦平 而上乂同时能调到物镜焦平而上。我们所使用的目镜是阿贝目镜，在目镜和分划 板间紧贴分划板下边胶粘着一块全反射小棱镜r （此小棱镜遮去一部分视野）， 在分划板与小棱镜相接触的而上，镀有不透光的薄膜，并在薄膜上刻画出一个透 光小十字，小十字的交点对称丁分划板上边的十字线的交点，如图102所示。分划板b / 准线二窗小棱镜小灯泡(b)图10-2阿贝目镜式望远镜在目镜调节管外装有一个“t”型接头，在接头中装有一个磨砂电珠（电压 6.3v,由专

4、用变压器供电）。电珠发出的光透过绿色虑光片v和目镜调节管e上 的小方孔射到小棱镜上，经它全反射后，透过小十字方向转为沿望远镜轴线，从 物镜y射出。若被物镜外而的平而镜反射回來，将成绿色十字像落在分划板上。3. 平行光管它的作用是产生平行光。一端是一个消色的复合正透镜，另一 端是可调狭缝。如图10-3所示，狭缝和透镜的距离可通过伸缩狭缝套筒来调节, 只耍将狭缝调到透镜的焦平而上，则从狭缝进入的光经透镜后就成为平行光。狭缝的宽度可通过缝宽螺钉來调节，狭缝的方向也可以通过狭缝套筒來调节。平行光管会聚透钱图10-3平行光管4. 载物台是一个用以放置棱镜、光栅等光学元件的旋转平台，平台下有3 个调节螺钉

5、，用以改变平台对中心转轴的倾斜度。5. 度数圆盘用来确定望远镜旋转的角度，读数圆盘有内、外两层，外盘和望远镜可通过螺钉相连，能随架远镜一起转动，上有0。360。的圆刻度，最小刻 度为0.5° (30)；内盘通过螺钉可与载物台相连，盘上相隔180。处有2个对称的角游标“和其中各有30个分格，相当于度盘上29个分度，故游标上每 -分格对应为r (其精度为1)。在游标盘对径方向上设有2个角游标，这是因 为读数时耍读出2个游标处的读数值，然后取平均值，这样可消除刻度盘和游标 盘的圆心与仪器主轴的轴心不重合所引起的偏心误差。读数方法与游标卡尺相似，这里读出的是角度。读数时，以角游标零线为准,

6、读出刻度盘上的度值，再找游标上与刻度盘上刚好重合的刻线为所求之分值。如 果游标零线落在半度刻线之外，则读数应加上30=举例如下：图10-4 (a)是游标尺上20与刻度盘上的刻线重合，故读数为119。20=图10-4 (b)是游标尺上14与刻度盘上的刻线重合，但零线过了刻度图10-4读数用的刻度盘和游标盘的半度线,分光计的调整在用分光计进行测量前，必须将分光计各部分仔细调整，应满足以下儿个要 求。（1）望远镜能接收平行光，且其轴线垂直丁中心轴。（2）载物台平面水平且垂直丁中心转轴。（3）平行光管能发出平行光，且其轴线垂直于中心转轴。分光计调整的关键是调好與远镜，其他调整可以望远镜为标准。具体调整

7、步 骤如下。1目视调节首先用眼睛对分光计仔细观察并调节，调节平行光管光轴高低位置调节螺钉 27,使平行光管尽量水平；调节望远镜光轴高低位置调节螺钉12,使望远镜光 轴尽量水平；调节载物台下面的3个调平螺钉6,使载物台尽量水平，直到肉眼 看不到偏差为止且使载物台台面略低丁望远镜物镜下边缘。这一粗调很重耍，做 好了，才能比较顺利地进行下面的细调。2 调望远镜（1）调节望远镜适合丁观察平行光 根据观察者视力的情况，适当调整目镜，即把目镜调焦手轮11轻轻旋出, 然后一边旋进，一边从目镜中观看，直到观察者看到分划板刻线即“主”形格子 义丝清晰为止。 接通电源，在目镜中应看到分划板下方的绿色光斑及透光十字

8、架（10 2） 用三棱镜的抛光面紧贴與远镜物镜的镜筒前，旋松螺钉9,沿轴向移动目 镜筒，调节目镜与物镜的距离，使物镜后焦点与目镜前焦点重合，氏到能清晰地 看见反射回來的绿色“十”字像。然后，眼睛在目镜前稍微偏移后，如分划板上 的十字丝与其反射的绿色亮十字像之间无相对位移即说明无视差。如有相对位移 则说明有视差，这时稍微往复移动目镜，h至无视差为止，这样望远镜就适合平 行光，此时将望远镜的目镜紧锁螺钉9旋紧（注意：目镜调整好后，在整个实验 过程中不耍再调动目镜）。（2）调整望远镜的光轴垂苴丁中心转轴 把三棱镜放在载物台上，放置方位如图10-5所示。转动望远镜（或转动 游标盘使载物台转动），使望远

9、镜的物镜分别对准三棱镜的光学面，若绿“十” 字像在三棱镜3个光学面中任意两个光学面的视场中找到，则目视调节达到了耍 求，若看不到绿''十”字像，或只能从一个面看到，则需重新进行目视调节。图1-5 分半调节（细调）。由三棱镜任意两（粗调）光学面都能从望远镜目镜视 场看到清晰的绿“十”字反射像，但是，“十”字像与分划板上面的十字丝一般 不重合。这时，为了能使分光计进行精确测量，必须将绿“十”字反射像调到与 分划板上面的十字丝重合，即与透光十字架对称的位置，以满足望远镜的轴线垂 直于中心转轴。调节过程采用分半调节法：先将望远镜对准光学面ab,若绿“十”字像位于 图106（a）中的位置

10、，调节载物台下的调平螺钉，使“十”字像上移一半（“十” 字像与调整用十字丝间的距离减少一半）至图10-6（b）位置，再调节望远镜下面 的水平调节螺钉12,使“十”字像与调整用十字丝重合，如图10-6（c）位置。将望 远镜转至.4c面，此时绿“十”字像可能与调整用十字丝乂不重合，应该再按上而 的方法调节载物台的调平螺钉与望远镜的水平调节螺钉12,使“十”字像重合 于jl部调整用十字丝。因为ab. ac miff相互牵连，故应反复调节，直至望远镜 不论对准哪一个面，“十”字像都能与分划板上而的调整用十字丝完全重合。此时 望远镜轴线和载物台平面均垂苴丁中心轴，且三棱镜两光学而丄3、/c也垂苴于 望远

11、镜光轴。注意：在后面的调整或读数过程中，不要再动望远镜的水平调节螺钉12和 载物台下的3个调平螺钉6。图 10-63. 调节载物台平面与中心轴垂直在第2步调整时已同步完成。4. 调节平行光管(1) 调节平行光管使其产生平行光。将已调整好的望远镜作为标准，这时平行光射入與远镜必聚焦在十字线平而 上，就是要把平行光管的狭缝调整到其透镜的焦平面上。调整方法如下： 去掉目镜照明器上的光源，将望远镜管正对平行光管。 从侧目和俯视两个方向用目视法调节平行光管光轴的高低位置调节螺钉 27,大致调到与望远镜光轴一致。 取去三棱镜，开启汞光灯，照亮平行光管的狭缝。从望远镜中观察狭缝的 像，旋松螺钉2,前后移动平

12、行光管狭缝装置，戌到看到边缘清晰而无视察的狭 缝像为止。然后使用狭缝宽度调节手轮28调节狭缝的宽度，使从望远镜中看到 它的像宽为1mm左右。(2) 调节平行光管的光轴垂氏于中心转轴调整平行光管光轴的高低位置调节螺钉27,使狭缝的像被累远镜分划板上 的大十字丝的水平线上下平分；旋转狭缝机构，使狭缝的像与望远镜分划板的垂 直线平行，注意不耍破坏平行光管的调焦；然后将狭缝位置锁紧螺钉2旋紧；再 利用望远镜左右移动微调螺钉13,使分划板的垂直线精确对准狭缝的中心线， 如图10-7所示。此后整个实验中不再变动平行光管。完成上述操作步骤以后，分光计就可以用來进行精密测量。图 10-7实验内容1. 调整分光

13、计（1）使望远镜对平行光聚焦。（2）使累远镜光轴垂胃丁仪器公共轴。（3）使载物台台面水平且垂直于中心轴。（4）使平行光管射出平行光。（5）使平行光管光轴垂直于仪器公共轴，且与望远镜等高同轴。2. 调整三棱镜光学面垂n丁-望远镜光轴分光计调整第（2）步时已完成。3. 测量棱镜顶角/ （白准法）在分光计调整时，完成分半调节后，就可以测量三棱镜的顶角（注：用h准 法测顶角时可不用平行光，即本次实验可以不调平行光管）。测量方法：（1）对两游标做一适当标记，分别称为游标a和游标e,切记勿颠倒。（2）将载物台锁紧螺钉7和游标盘止动螺钉25旋紧，固定平台；再将望远 镜对准三棱镜使十字像与分划板上而的十字丝重

14、合，如图108所示。图10-8测三棱镜顶角a记下游标a的读数q1和游标b的读数01。（3）转动望远镜（此时度盘21与望远镜固定在一起同时转动），将望远镜 对准ab面，使十字像与分划板上面的十字丝重合，记下此时游标a的读数色 和游标b的读数血。同一游标两次读数之差肉-对或|02 - 0，即是望远镜转过 的角度0而妮/角之补角。则三棱镜顶角/=180°00'-0。其中：（p = （|2 _ ai|+ |a _ p |）（4）稍微变动载物台的位置，重复测量3次，数据填入表101中。表 10-1度次数a游标b游标06a202-划a0202-0j123数据处理3a = 180p0

15、9; _ 0 =o注意事项1. 保护好光学仪器的光学面。2. 光学仪器螺钉的调节动作耍轻柔，锁紧螺钉锁住即可，不可用力，以免损 坏器件。3. 仪器耍避免振动或撞击，以防止光学器件损坏影响精度。4. 在计算望远镜转过的角度时，耍注意望远镜是否经过了刻度盘的零点。例如，当望远镜由图108中的位置1转到位置ii时，读数如表10-2所示。表 10-2望远镜的位置iii游标a175°45'(q)295。432)游标b355。45'(01)115。43，(02)游标a未经过零点，望远镜转过的角度为:0=p2_y| = 119°58，游标e经过了零点，这时望远镜转过的角度

16、应按下式计算：0=|（360。+02）-01| = 119。58,即上述公式中|a2-、|/72-a|如果其中有一组角度的读数是经过了刻度盘 的零点而读出的，则肉-引或|02-0】|的读数差就会大于180'。此时，应从360。 减去此值,再代入/ = 180。_ £p2 _ ©i + |02 - 011计算。思考题1. 测角。时，望远镜6经零点转到e，则望远镜转过的角度&=?。如4 = 3300,冬=30°1',则&=?2. 分光计为什么耍设置两个读数游标？3. 借助丁-三棱镜的光学反射面调节望远镜光轴使之垂氏于分光计中心转轴 时，

17、为什么要求两面反射回来的绿“十”字像都要和“主”形叉丝的上交点重合？4. 为什么采用分半调节法能迅速地将十字像与分划板上面的十字丝重合？（刘东华）9实验十一用分光计测折射率实验目的1进一步熟悉分光计的调整和使用；2. 了解利用分光计测玻璃棱镜折射率的原理和方法。实验仪器分光计，玻璃三棱镜，低压汞灯。实验原理折射率是物质的重耍光学特性常数。如图11-1所示，一束单色光以a角入射到棱镜面上，经棱镜两次折射后, 从.4c面射出來，出射角为以。入射光和出射光之间的夹角5称为偏向角。当棱 镜顶角/一定时，偏向角5的大小是随入射角的变化而变化的。而当a = *时, 即入射光线和出射光线相对丁棱镜对称时5为

18、最小（证明略）。这时的偏向角称 为最小偏向角，记为5皿。图11-1三棱镜最小偏向角原理图由图111中可以看出，这时aj = *izi =zi-y设棱镜材料的折射率为，则:sin l = n sin i； = n sin 所以戈血+ * sin叫 sinh n =a sm 2asin 2由此可知，要求得棱镜材料的折射率弘必须测岀其顶角a和最小偏向角珞o213#实验步骤1 按分光计的调整要求调整分光计调整方法见实验十。2测量最小偏向角戈迪测量方法：（1）平行光管狭缝对准前方水银灯光源，将三棱镜放在载物台上，并使棱镜折射而.拐与平行光管光轴的夹角大约为120° （即使入射角为45°

19、;60 ）,如图112所示。图11-2测最小偏向角方法（2）旋松望远镜止动螺钉17,和游标止动螺钉25,移动望远镜转至图11-2 中所示位置，再左、右微微转动望远镜，找出棱镜出射的各种颜色水银灯光谱 线（各种波长的狭缝像）。如果一时看不到光谱线，也可以先用眼睛沿棱镜/c 面出射光的方向寻找。看到谱线后，再将望远镜转到眼睛所在方位。（3）轻轻转动载物台（改变入射角斤），在望远镜中将看到谱线跟着动，注意绿色谱线移动情况。改变j使入射角7】减小，即使谱线往5减小的方向转动（向顶角*方向移动）。望远镜耍跟踪光谱线转动，直到棱镜继续转动，而谱线 开始要反向移动（即偏向角反而变大）为止。这个反向移动的转折位置，就是光 线以最小偏向角射出的方向。固定载物台（