【大学物理实验报告】分光计的调节和介质折射率的测量

1、大连理工大学大电预理实孽报告院（系）材料学院专业材料物理班级 0705姓 名 学号 实验台号实验时间 年 月 日，第 十周,星期 一 第 5-6节实验名称分光计的调节和介质折射率的测量教师评语实验目的与要求：1 . 了解分光计的构造与原理，掌握分光计调节的思想和调方方法。2 .学会用最小偏向角法测量棱镜的折射率。主要仪器设备：JJY1，型分光计，平面镜，钠光灯，玻璃三棱镜实验原理和内容:1 .分光计的结构及调行原理分光计由望远镜，载物台，平行光管，刻 度盘，底座五部分组成；各部分机构及原理如下：望远镜为阿贝自准式望远镜，通过支臂与转座固 定，并可通过调行止动螺丝来控制与转座分划板共同或相对转动

2、。望远镜光轴的高低位置可以通过不同的螺钉 调节，通过手轮可以调炉望远镜目镜的焦距。望远镜的内部结构如图，由目镜，全反射棱镜，叉丝分划板 和物镜组成，自准直的原理是当位于物镜焦平而上的透光十字 刻线被下放小灯照亮后，经全反射棱镜和物镜射出后再被外界平面镜反射回进入望远镜而投影到叉丝分划板上成像，与叉丝本身无像差时，便证明望远镜准直且适 合观察平行光.并且可以通过两者调节望远镜的光轴垂直情况。（如右图所示）平行光管产生平行光束用的装置，安装于立柱上, 可以通过螺钉来微调其光轴位置，平行 光管的主要部件是会聚透镜和狭当狭位于透镜主焦而上时便可产生平行光。载物台 载物价用于放置待测物件，并可以通过紧固

3、螺钉来调行其位置。调直到所需的位置后，实验过程中 需要锁紧所有的紧固螺丝,图16 4刻度盘与游标刻度盘由外圈刻度和内圈的两个对称游标组成，外圈刻度为 360。共720格，读数方法相同于游标卡尺。设置两 个对称游标的目的是为了消除刻度盘中心和仪器转轴 中心偏差所带来的实验误差，读取刻度时，将两个游标的读书取平均，便是望远镜位置的实际读数, 即=（q+2）/2底座底座的作用是支撑之上的各个仪器部件，并且在底座上接有外接电源的插座，以给仪器供电.2 .最小偏向角法测棱镜折射率的原理如图所示，一束光射入棱镜后发生两次折射，入射角为i, 出射角为，出入射光线的偏向角为6,可知有以下关系: 3 = i+i

4、-a, a为棱镜的顶角。且可以证明，当1=时, 偏向角8达到最小值，称为最小偏向角，结合相关几何关 系与折射定律，可以得到以下关系式：. Rmn+a sin_m±sini9n =sinr . & sin 2可见只要测得棱镜的顶角。和最小偏向角21nn，便可以计算出棱镜的折射率n0-#-步骤与操作方法：1.分光计的调节分光计的调行主要目的是使待测角平面与读数盘平而相平行以保证测量的准确，即通过调整载物台， 望远镜和平行光管三者的基准轴均与仪器中心轴线垂直。具体调方要求为：平行光管出射平行光，望远镜聚焦于无穷远处，经过两管及待测光学器件的光路所组成的平面与中心 转轴相垂直。具体调

5、节步骤如下:1 .目测粗调。初步调节使望远镜和平行光管的光轴大致与中心转轴垂直，使载物台大致呈水平状态。2 .用自准法调节望远镜聚焦于无穷远接上仪器电源，并将一双面反射平面镜置于载物台上，放 置方式如图所示。之后转动载物台，同时在望远镜内寻找 绿色十字的光斑。图16-7平面镜在裁物台上的位置 为钱物台的三个水平调节螺钉调在目镜套筒使十字成像清晰后，并检查是否存在视差， 若没有，说明望远镜已经聚焦于无穷远。3 .调节望远镜转轴垂直于分光计中心转轴将平面镜旋转180° ,然后通过目测寻找和调节螺钉改变望远镜光轴方向的方法，在望远镜中找 到平而镜另一而所反射的绿色十字像，采用渐近法调“使绿

6、色十字像与分划板上十字叉丝相重合，然后用同样的方法调节另一而反射的 绿色十字像，双方都调节完毕后，望远镜的光轴已垂直仪器中心转轴。之后望远镜的高低调节 螺钉不能再动。4 .调行平行光管使其发出平行光移去中央载物台上的平而镜，用白纸在平行光管的物镜端检查并调行光源的位置以确保其发出的 光在物镜的整个孔径上照明均匀将已经调行完毕的望远镜的内部照明光源关闭，然后对准平行光管以得到狭缝的像。前后移动狭缝套筒使望远镜中得到的像清晰并且与分划板上的十字叉丝无视差后，说明平行光管 发射的已经使平行光。最后调节狭缝宽度至0.5mm左右。5 .调竹平行光管的光轴与仪器中心轴线相垂直转动狭缝套筒使狭缝的像转至水平

7、位置，通过螺钉调整平行光管的位置使狭缝的像与分划板上的 十字叉丝水平线相平行，并且像中心对准于十字叉丝的中心点：然后将狭缝套筒转回到垂直位置, 并确认像与垂直十字叉丝相重合，此时平行光管光轴调节完毕，将光管和狭缝套筒的相关紧固螺钉锁死。2.用最小偏向角法测三棱镜的折射率1.调行三棱镜的主截而垂直于仪器转轴图16-8三棱镜在找物台上的位置目的是调节三棱镜两个折射面的法线垂直于仪器转轴。将三棱镜如图方式 放置，则工作而AB, AC的法线俯仰分别由al和a3两个螺钉控制并且不 会相互影响。某一个反射而AB法线位置的调行就是通过调节其对应的控 制螺钉al,使得望远镜可以看到通过该面反射回来的绿色十字像

8、，并且 十字像与分划板中的上十字叉丝相重合，说明反射而该而的法线方向调行 完毕。另一个反射而的调节方式亦如此（ACa2）。调切过程中与工作而无关的第三个螺钉a2勿动。2,反射法测顶角将三棱镜置于载物台上，顶角一端靠近载物台中心，并 且对准平行光管，如图所示。然后用望远镜分别在I和 II位置可以找到狭缝的像。当望远镜的十字叉丝对准狭 缝像的中心时，记下刻度盘的读数小1和61',在另一 个位置也同样读出刻度盘的读数e2和小2"则棱镜顶角 «的大小可以通过一下关系式来计算： 。=（附一。1| +陶'一协 1） 以上测量过程重复进行5次。3,测最小偏向角5min将三

9、棱镜放置于载物台上，使平行光管射出的平行光从棱镜的一个折射面射入，从另一个而射出。左 右旋动望远镜位置以找到出射光的像（狭缝像，然后转动载物台改变入射而相对与平行光管的角度,入射角随之改变，同时注意观察出射光线角度的变 化，并用望远镜追踪以保证狭缝的像始终在望远镜 的视野内。在追踪过程中发现出射光的像移动到某 一位置时停顿一下并开始往反方向移动，说明这个 停顿位置即为最小偏向角对应的出射光位置L将载 物台的位置固定于此，然后转动望远镜使其十字叉 丝的中心对准狭缝像的中心，读取刻度盘上望远镜 的角位置小1和6L转动载物台，使得整个折射光路向与刚才对称的方向进行，同样通过望远镜的追踪找到最小偏向角

10、的 位置n以后固定，读取刻度盘上望远镜的角位置62和62'。如上页图中所示的几何关系，此时同 一游标前后两次读数之差为最小偏向角4nin的两倍。则最小偏向角C11nl的计算公式如下：以上测量过程重复5次。最后综合所测得的棱镜顶角。和最小偏向角4nm，结合之前实验原理中所叙述的折射率计算公式，代 入公式中，即可求得该三楂镜的折射率n,并计算折射率n的不确定度。注意：本实验中各个光学仪器均为精密仪器，在未松开紧固螺丝之前不可强行移动，以免损坏：另 外以其上的光学反射而和透射而不可用手触碰，以免留下污渍而影响光学效果。-5-数据记录与处理：1,测量顶角。的数据123451238°

11、37，2380 37，238。 28，238° 24，238° 24，中1'58° 38'580 25，580 2V58° 20'58。 22，2118° 41'1180 26，1180 25，118° 49'1180 25，2'298° 39'298° 22'298° 22'298° 39'298° 23，转化为弧度制，得到这样的数据:1234514.1654.1654.1624.1614.1611

12、9;1.0231.0201.0181.0181.01922.0712.0672.0672.0742.0672'5.2125.2075.2075.2125.2082,测量最小偏向角5 min123451229° 39'229° 38'229° 40'229° 39'229° 38'中1'49° 48'49° 39'49。 39'49° 47'49° 42'2127° 58'127° 5

13、7'127° 57'127° 56'127° 57'中2'307° 56'307° 54'307° 53'307° 54，3070 55，转化为弧度制，得到这样的数据:1234514.0084.0084.0084.0084.0081'0.8690.8670.8670.8690.86722.2332.2312.2332.2332.2332'53745.3745.37453745.374以下数据处理过程中，为方便计算，所有角度未加注明，均为弧度制表示

14、-9-结果与分析：根据上一页的数据进行计算，首先计算棱镜的顶角a ：得到祝、婷、神、源的各自平均值如下:a婷员a4.1631.0202.0695.210Z7 = l(j_| + |'_-|)=l(|2.096-4.163| +(6.28-|5.210-1,020|)=l(2.094+2.09)= 1.046卜.而根据各组数据，分别计算日、於、员、员'的各自a类不确定度:在的A类不确定度:xi-avg0.002O.（H）2-0.001-0.002-0.002AA20.0000041560.0000041560.000000336O.OOOOO3O58O.OOOOO3O58SUM

15、A 八20.000014764S0.001280791s,0.000405022t92.26U0.000915349婷的A类不确定度:xi-avg0.0040.000-0.001-0.002-0.001八20.0000138200.000000003I.49263E-060.0000023060.000000856SUMAA20.000018477S0.001432824s,0.000453099t92.26U0.001024003a的a类不确定度:xi-avg0.002-0.0020.005-0.002八20.0000027030.0000037404.97527E-060.00002257

16、00.000004975SUMAA20.000038963S0.002080685s,0.00065797t92.26U0.001487013的A类不确定度:xi-avg0.0034).002-0.0020.003-0.002八20.0000084550.0000041274.12725E-060.0000084550.000003071SUM A A20.000028235S0.001771213s,0.000560107t92.26U0.001265841总的A类不确定度为：力=（yju 式如2 +。八（川）2 +。式4）2 +U 八（川）2 = 0.000596867 B类不确定度：Ju

17、8M）2 +。8（）2+。8（°2）2+。8（可）2 =000014544顶角的合成不确定度：U（a）=也（疗+/（2）2 = 0.000614332顶角的测量结果表达式为：<z = 1.046± 0.001 rad根据第二部分的数据，计算该棱镜的最小偏向角6 min：得到石、 &'、神、的各自平均值如下:aa4.0080.8682.2335.374un=l(|_| + |'_'|)=l(|2.233-4.008| +(6.28-|5.374-0.868|)=l(1.775 +1.774)=0.88725下而根据各组数据，分别计算在、於

18、、灰、员'的各自A类不确定度:初的A类不确定度:xi-avg0.0000.0000.0000.0000.000AA20.0000000040.0000000560.0000001270.0000000040.000000056SUM 八20.000000246S0.000165495s,5.2334E-05t92.26U0.000118275婷的A类不确定度:xi-avg0.001-0.001-0.0010.0010.000AA20.000002119O.OOOOO1351O.OOOOO13510.0000013430.000000084SUM A 八20.000006248S0.00

19、0833205s'0.000263482t92.26U0.00059547员的A类不确定度:xi-avg0.001-0.0010.0000.0000.000八20.0000004170.0000019500.0000001220.0000000030.000000122SUM A A20.000002613SO.OOO538827s'0.000170392t92.26U0.000385086弘的A类不确定度:xi-avg0.0000.0000.0000.0000.000AA20.0000002160.0000000120.0000001670.0000000120.000000

20、028SUM A A20.000000435S0.000219939s'6.95509E-05t92.26U0.000157185总的A类不确定度为:匕（）二；历布。西港西师F = 0.00018397）B类不确定度：U" （6mhi） = ； fu+U b¥ +u B电 f +U B 电¥ =0.00014544最小偏向角的合成不确定度：= J34（/而）2+4（6超）2 = 0.000234523最小偏向角的测量结果表达式为：5 . =0.8873 ±0.0002 rad计算棱镜的折射率及其不确定度= 1.54647696Sin ''"in + 万=A.a sin 2U“ =yjcot£-cotij(Uj+cot(gj =0.00056755那么该棱镜折射率的最终结果表达式为： =1.5465±0.0006讨论、建议与质疑：3 .当望远镜中看到绿色十字像与分划板上方的十字叉丝重合时，光路图如下所示:由于分划板上的上十字叉丝与下方的绿色亮纹在竖直方向上是中心对称的，当绿色像与