大学物理实验课件

大学物理实验大学物理实验为全校理工科专业开设，内容包括物体密度的测量、牛顿第二定律验证、液体粘滞系数的测量、静电场的模拟、电表的改装与校准、示波器的使用、透镜参数的测量、分光计的调节和使用8个实验。每个实验课件内容包括了：实验目的、实验原理、实验内容、数据记录及处理、问题讨论、本卷须知等内容的介绍和要求。实验1

物体密度的测量测定规那么物体和不规那么物体的密度【实验仪器】

【实验目的】物理天平、温度计、比重瓶、烧杯、游标卡尺、螺旋测微计和待测样品实验仪器图

天平烧杯比重瓶螺旋测微计待测样品【设计要求】1.根据已给仪器和测量结果的相对不确定度设计出实验原理，导出实验公式2.设计实验步骤3.数据处理4.实验结果进行分析

实验2

牛顿第二定律

的验证

【实验目的】1、验证牛顿第二定律；2、进一步学习误差分析理论。【实验仪器】

气垫导轨、滑块、气源、弹簧、小砝码及砝码盘，游标卡尺等。

气垫导轨

实验2

牛顿第二定律

的验证

【实验目的】1、验证牛顿第二定律；2、进一步学习误差分析理论。【实验仪器】

气垫导轨、滑块、气源、弹簧、小砝码及砝码盘，游标卡尺等。

气垫导轨【实验原理】如图1所示，质量为M的滑块〔包括其本身的质量M0。其上所加小砝码的质量m1〕,通过细绳跨过滑轮和质量为m的砝码盘相〔包括砝码盘本身质量m0和其上所加小砝码m1〕.当滑块运动时，通过测量滑块经过相距s两光门处的速度V1和V2,代入公式:V2-V1=2aS，即可算出滑块运动的加速度a。

实验装置如以下图所示:把砝码盘、小砝码和滑块等看作一个系统，那么系统中各物体的加速度大小是相等的。忽略空气阻力及气垫对滑块的粘滞阻力，并设细绳中张力为T，那么由牛顿第二定律可得：

(1)

解得：(2)

令，M总=M+m0+m1,由上式可写成：(3)

由〔3〕式可以看出，当保持M总不变时，a与F成正比。实验中，逐次将滑块上的小砝码m1移到砝码盘中〔保持M总不变，改变F的大小〕，利用〔2〕式测出系统相应加速度的大小，即可验证〔3〕式中总质量不变时，a与F成正比关系。【实验内容】1、调整数字毫秒计。2、调整导轨水平。3、置两光门之间距离约为50cm左右，用天平称出滑块的质量M0，砝码盘的质量m〔约10g〕,挡光片的宽度△x由实验室给定。然后用细绳中专过滑轮把滑块和砝码盘连接起来，最后在滑块上加3个小砝码〔小砝码质量分别为10g，10g和5g〕。4、将滑块在导轨上某个位置由静止开始释放，使之作匀速运动，记录滑块经过两光电门的时间△t1和△t2,共作5次。5、分5次，每次移动5g砝码至砝码盘中，重复步骤4，从而验证总质量不变时，加速度外力成正比关系。

1.数据记录表格自拟。

2.以表格中的数据作α-F曲线，用作图法验证牛顿第二定律的正确性。1、实验中，滑块由静止释放时，动作一定要轻以防滑块左右摆动．与滑块相连的砝码盘在滑块释放时应使之静止不动。另外每次实验中要保证细绳在滑轮上。

验证α与F成正比关系时，实验中是如何保持总质量不变的？【数据处理与分析】【本卷须知】【预习思考题】1、通过测出质量后，用牛顿第二定律算出的加速度与测出的的加速度有什么区别？

2、本实验可能存在哪些误差？怎样用误差分析来验证牛顿第二定律的正确性？

【讨论题】实验3

液体粘滞系数

的测量

在流动的液体中，各流体层的流速不同，那么在相互接触的两个流体层之间的接触面上，形成一对阻碍两流体层相对运动的等值而反向的摩擦力，流速较慢的流体层给相邻流速较快的流体层一个使之减速的力，而该力的反作用力又给流速较慢的流体层一个使之加速的力，这一对摩擦力称内摩擦力或粘滞阻力，流体的这种性质称为粘滞性。不同流体具有不同的粘度，同种流体在不同的温度下其粘度的变化也很大。测定粘度在化学、医学、水利工程、材料科学，机械工业和国防建设中有着重要意义。从实验中得到的粘滞定律，粘滞力f的大小与所取流体层的面积△S和流体层之间的速度空间变化率du/dr的乘积成正比，即f=η△。其中η为粘滞系数〔f称内摩擦系数〕，它决定于液体的性质和温度，对液体而言，它随温度的升高而迅速减少。η的国际单位：Pa.S。液体粘滞系数的方法有很多种，如常用的落球法、落针法、转叶法。本实验用落针法测定液体粘滞系数，使用中空长圆落针在待测液体中垂直下落，采用霍尔传感器和多功能毫秒计〔单板机计时器〕测量落针的速度，通过测量针的收尾速度确定粘度，并将粘度显示出来。巧妙的取针装置和投针装置。使测量过程十分简便，并且自动计算显示结果。该法可测量不透明液体的粘度和液体密度。【实验目的】1、观察内摩擦现象2、学会用落针法测液体的粘滞系数【实验仪器】

落针式动力粘度测定仪，游标卡尺，钢直尺，物理天平，气泡水准器等。

落针式动力粘度测定仪物理天平【实验原理】一个物体在液体中运动时，将受到与运动方向相反的摩擦阻力的作用，这种力即为粘滞阻力。它是由粘附在物体外表的液层与邻近的液层相对运动速度不同而引起的，其微观机理都是分子之间以及在分子运动过程中形成的分子团之间的相互作用力。不同的液体这种不同液层之间的相到作用力大小是不相同的。所以粘滞阻力除与液体的分子性质有关外，还与液体的温度压强等有关。如果液体是无限广延的，且液体的粘性又较大，落针的半径很小，适宜调节落针的密度，那么实验过程中所产生的涡流可忽略不计，那么此时附着在落针外表的液体与周围液体之间的粘滞力满足斯托克斯定律：f=6πηγυ〔1〕式中的η是液体的沾滞系数，γ是落针的半径，υ是落针的运动速度。实验中，落针落入粘性液体〔如蓖麻油〕中后，它受到三个力的作用，重力P〔竖直向下〕，浮力N〔竖直向上〕，粘滞力f〔竖直向上〕。其中只有粘滞力随落针的速度增大而增大。开始时做加速运动，当下落速度到达一定值时，这三个力的矢量和为零，从而因牛顿运动定律可知落针将以某一速度作匀速直线运动，此速度称为收尾速度。设向下方向为坐标轴正向，那么运动方程为：P-N-f=0即，ρgV-σgV-6πηυ=0(2)由此解得：

式中ρ为落针的密度，σ是液体密度，g为本地的重力加速度。〔2〕式忽略油的上外表和筒底的影响，又假定落针沿圆简中心轴竖直下落进近似成立。实验中落针在管中下落，管的深度和直径有限，不符合斯托克斯定律的“无限广延〞的假设，另外有时须考虑湍流的影响，其判据雷诺系数与落针的线半径，速度有关，速度越大湍流效应越大。故对上式要进行修订。实验应用公式为：

η=

(3)(4)其：g—本地的重力加速度；R1—容器内筒半径；R2—落针外半径；—两磁铁同名磁极的间距；t—落针两磁铁经过传感器的时间；仪器由本体、落针、霍尔传感器和单板机计时器四局部组成1、仪器结构结构如图2所示，装有待测液体的圆筒竖直固定在底座上。底座下部有调水平的螺钉，用一水淮泡指示底座的水平。底座上竖立的支架中部装有霍尔传感器及取针器。圆筒顶部的盖子上装有投针装置〔发射器〕，它包括喇叭形的导环和带永久磁铁的拉杆，此导环便于取针和让针沿圆筒轴线下落。当取针器把针由圆筒底部提起时，针沿导环到达盖子顶部，被拉杆上的永久磁铁吸住，拉起拉杆，针将沿圆筒轴线自动下落。【仪器装置】2.落针针如图3所示，它是有机玻璃制成的内置错条的细长圆柱体，其外半径为R2,平均密度为p、改变错条的数量可以改变针的平均密度，在针内部的两端装有永久磁铁，两磁铁异名磁极相对，而同名磁极间的距离为I。3．霍尔传感器圆柱状灵敏度极高的开关型霍尔传感器固定在仪器本体上，输出信号接到单板机计时器上，每当磁铁经过霍尔传感器附近时，传感器输出每当磁铁经过霍尔传感器附近时，传感器输出一个矩形脉冲，同时由LED〔发光二极管〕指示。

4.单板机计时器

以单板机为根底的多功能毫秒计用以计时和处理数据由6个数码管显示。其面板如图4所示，单板机计时器不仅可以计数、计时，还有存贮、运算和输出等功能。1.用游标卡尺测量针的直径2R2,用钢直尺测量针的长度L及两同名磁极间的距离I,每个量在不同部位测5次；用物理天平称出针的质量m，称5次。2.用密度计测量液体的密度.〔或由实验室给出〕。3、取下圆筒上端的盖子，用游标卡尺测量圆筒内径2R1,,在不同部位测5次〔或由实验室给出〕。将针放入液体中，然后盖上盖子，从温度计上读出实验时的温度θ。4、按通电源，此时单板机计时器应显示“PH-2〞，否那么应按“复位〞键。利用取针器将针悬挂在圆筒上端的磁铁上。然后将取针器【实验内容】送至底座转向放置，以防止取针器上的磁铁对落针产生影响。按单板机键盘上的"E"键，数码管显示"C000"单板机处于待命状态。

5、稍微转动盖子，将针调到圆筒中轴线上，待液体稳定后，拉起发射器上的磁铁，让针沿圆筒轴线下落，这时霍尔传感器被触发，计时器工作，等候约16秒，数码显示针下落距离I的时间t〔单位：毫秒〕。6、继续操作单板机，按“A〞键，显示预先设置的针的有效密度，如需修改参数，可直接按数码键输入测量值。再按“A〞键显示液体密度，同样可作参数修改。第三次按“A"键，那么显示测得液体粘度η。7、屡次测量t及η值〔3-5次〕，每次应先按“复位〞键，在显示“PH-2〞后，再重复4,5,6各步骤。【数据表格及数据处理】针长度L(mm)针外径2R2(mm)同名磁极间距I(mm）管内径2R2(mm)针质量m(g)下落时间t(s)１２３４５平均值待测量测量次数θ==g=

1．由表格的数据及其它有关数据代入式〔4〕，计算出流体的动力粘度系数。2.将式(4)计算的η值与单板机显示的η值比较。1.用取针器将针拉起并悬挂圆筒上端后，由于液体受到扰动，处于不稳定状态，应稍等片刻，再将针投下，进行测量。2.在复位后先用计时停键人工定落针下落时间，然后利用霍尔探头自动测量。【本卷须知】【思考题】1、在式〔4〕中，假设修正因子引起的误差忽略不计，g作为常量，试推导估算η的相对误差公式，并指出产生误差的主要因素是什么？如何减小误差？2、假设有两个密度不同的针，试说明如何利用本实验装置测量液体的密度？并推导测量公式。实验4

静电场的模拟【实验目的】1.了解模拟法描绘静电场的理论依据。2.学会用模拟法研究静电场，在导电纸上3.描绘静电场分布的方法。4.描绘几种静电场的等位线，根据等位线画出电力线。5.加深对静电场，稳恒电流场的了解。【实验仪器】0—12V可调源；高阻抗输入字电压表，电极板探针：〔1〕电极板：

电极板是将不同金属电极固定在导电玻璃板上制成。导电玻璃是在普通玻璃上镀覆一层均匀厚度的导电薄膜制成。电极与导电玻璃之间采用低电阻导电橡胶以保证电极与导电玻璃间良好的电接触。电极板的一侧装有2个电压输入插座，可分别与电源的两极相连。导电的反面有方格坐标，可正确的记录等位的坐标点.〔2〕探针：

探针由一表棒组成，为保证探针与导电玻璃之间良好的〔3〕描绘仪电源:描绘仪电源可提供0—12V连续可调的稳压电源，并由数字表头显示电压值。实验时将电源电压输出连接到电极板的电压输入端。探针连接到测试表头输入端，当电极加压后，将探针在导电玻璃外表移动，测试电压表会显示对应坐标点的电位值。电接触，在表针测试端头处套有一导电塑胶头，实验时保证控针与玻璃有良好的接触，同时应防止重压，否那么容易造成导电橡胶探头破裂。测等位线时，先设一个电位值〔如1V，2V……〕右手握住探针在导电玻璃外表平稳移动记录相同电位的坐标点并在方格纸上记录之，连接相应的等电位点就形成电位线。取不同的电位设定值，按以上操作步骤，那么可得到不同电位值的等位线。根据等位线与电力线正交的原理，即可由等位线得到相应的电力线分布。【实验原理】

1.模拟法描绘静电场的理论依据带电体在其周围空间所产生的电场，可以用电场强度E和电位U的空间分布来描绘。为了形象的表示电场的分布情况，常采用等位面和电力线来描绘电场。电力线是按空间各点电场强度的方向连成的曲线，等位面是电场中电位相等的各点构成的曲面。电力线和等位面相互正交的，有了等位面的图形，就有了电力线的图形，反之亦然。我们所说的测量静电场，指的是测绘静电场中等位面和电力线的分布图形，它是了解电场中的一些物理现象和控制带电粒子在电场中的运动所必须解决的问题，对科研和生产都是十分有用的。但是直接对静电场测量是困难的。电场不会有电流存在，这样一来磁电式电表失去了作用，其次是仪器和测量探针引入静电场时，必将在静电场的作用下出现感应电荷，而感应电荷产生的电场与原电场的叠加，必使原电场发生畸变，得到的结果必将严重失真。所以直接测量是不可行的。只有采取间接的方法，伪造另一场，使它与原静电场相似，当用探针对这种模拟场进行测量时，它不受干扰，就可间接测量被模拟的电场。用模拟法描绘静电场的方法之一是用电流场代替静电场。本实验仪采用稳恒电流场模拟描绘静电场。由电磁学理论可知电解质〔或水液〕中稳恒电流场与电介质〔或真空〕中静电场相似。当空间中不存在自由电荷时，各向同性介质中静电场满足以下微分方程及边界条件：▽˙D=0;D1n=D2n▽ΧE=0;D1t=D2t〔1〕式中D为电位移矢量，E为电场强度矢量，下标中x表示法向，t表示切向，1、2代表边界两边的介质。D和E的关系为：D=εE=εrε0E(2)式中ε为介质的介电常数，ε0为真空介电系数，εr为介质的相对介电系数。在静电场无源区域中，电场强度E满足：E˙ds=0E˙dl=0〔3〕各向同性导电介质中稳恒电流场满足微分方程及边界条件：▽˙J=0;J1n=J2n▽ΧE=0;E1t=E2t〔4〕式中J为电流密度矢量，J和E的关系为：J=▽˙E〔5〕

式中▽为各向同性的导电介质的电导率在电流场的无源区域中，电流密度矢量J满足：J˙dl=0〔6〕由〔3〕式和〔6〕式可看出静电场强度矢量E和电流场中电流密度矢量J所遵循的物理规律有同样的数学表达式，所以这两种场具有相似性。在相似的场源分布和相似的边界条件下，它们解的表达具有相同的数学模型。表1.静电场与稳恒电流场数学方程

静电场稳恒电流场D=εEJ=▽E

D˙ds=0

J˙ds=0

Ε˙dl=0

Ε˙dl=0U=

E˙dl

U＝

E˙dl模拟法测定静电场的理论依据是因为静电场与稳恒电流场这两种电场所遵循的物理规律具有完全相同的数学形式。表1表示所有静电场与稳恒电流场所遵循的物理规律。比较两组方程可知D,E与J,E,δ成一一对应关系。因而我们就可用相应的导电介质中分布的电流场来模拟相应电解质中的静电场，当静电场中的导体与稳恒电流场中的电极形状相同，并且边界条件相同时，静电场在介质中的电位分布与稳恒电流场中的电位分布完全相同。所以可以用稳恒电流场来模拟静电场。这是本实验的模拟依据。

电流场中有许多电位彼此相等的点，测出这些电位相等的点，描绘成面就是等位面，这些面也是静电场的等位面。当等位面变为等位线，根据电和等位线正交的关系，即可画出电力线，这些电力线上每一点的切线方向就是该点的切线方向，这就可用等位线和电力线形象的表示静电场的分布。2.同轴带电圆柱面电场的模拟〔1〕静电场设同轴圆柱面是“无限长〞的，内、外半径分别为R1和R2，电荷的线密度分别为+λ和-λ圆柱面间介质的介电系数为ε，如图1所示：根据高斯定理，圆柱面间的电场强度E为：E=(7)式中r为圆柱面间任一点距轴心的距离。假设取外圆柱面的电位为零，那么内圆柱面的电位V0就是两圆柱面的电位差：V0=E˙dr=

=㏑〔8〕在两圆柱面间任一点，r〔R1≤r≤R2〕的电位V(r)是：Vr=ln(9)比较上两式，可得：

Vr=V0〔10〕(1)电流场为了计算电流场的电位差，先计算两圆柱面间的电阻，然后计算电流然后计算两点间的电位差。设导电介质的厚度为t，电阻率为V，那么任意半径r到r+dr圆柱间电阻为：dR==(11)将〔11〕式积分得到半径为R1到半径为R2圆柱面间电阻为:R12==ln〔13〕从内圆柱面到我圆柱面间的电流为：I12==〔14〕半径为r圆面面电位Vr=I12RrR2=V0〔15〕将〔12〕，〔13〕式代入〔15〕式得：Vr=V0〔16〕比较〔10〕和〔16〕式可知静电场和电流场的分布是相同的。以上是外界条件相同的静电场与电流场的电位分布的一个实例，电极形状复杂的静电场用解析法计算是很困难的，甚至是不可能的，这时用电流场模拟静电场将显现出更大的优越性。现在要设计一稳恒电流场来模拟同轴带圆柱面电场，其要来为：〔1〕设计的电极情形带电圆柱面电极相似，尺寸可以按比例并有相同的边界条件；〔2〕导电介质的电阻率比电极要大很多，并且各向同性且均匀分布，当两个电极间施加电压时，其中间形成一稳恒电流场。设径向电流为I，那么电流密度J=,这里导电介质的厚度取δ，根据欧姆定律的微分形式：J=▽˙E可得：E=,显然电流场的形式与静电场相同，都与r成反比。因此两极间的电位差与〔8〕相同，电位分布与〔10〕相同。在本实验中，R1=1cm,R2=10cm，V0=10V，由〔10〕式可得等位线分布公式：r=R2〔17〕(2)两平行线电荷电场的模拟假设有两平行线带电导线，其截面直径为D，两导线间距为L，当L?D在离导线较远处电场和线电荷的电场近于相同。设有两个无限长线电荷A和B，它们的电荷密度分别为+λ和-λ，P点离A的垂直距离为r，离B的垂直距离为r，我们来计算P的电位V。先求A在P点产生的电势V0，对于无限长电荷，它在空间某点所产生的场强方向是垂直于该线电荷的，由高斯定律可得，A在P点产生的电场强度：EA=〔18〕式中ε0为真空介电常数.设在离A和B极远的地方有一点Q，Q与A的垂直距离为，与B的垂直距离为。假定Q点电位为0，那么由于A的存在，在P点产生的电势V1为V1=-E˙dr=-dr=-lnr1+lnR1〔19〕同理，线电荷在P点产生的电势V2为：V2=lnr2-lnR2〔20〕我们知道对一线电荷来说，R1=∞或0是不可以的，因为此时积分将发散而失去意义。但是，对于两平行的等值异号电荷，总电荷为0，在带电导线视为无限长的情况下仍可把线电荷无限远处的电位假定为0，由〔19〕，〔20〕式可得P点电位为：VP=V1+V2=ln+ln〔21〕当Q点移至于无限远处，上式二项变为0.因此，如果规定与线电荷相距为无限远处各点电位为0，那么所有离A和B为有限距离r1和r2处电位为有限值，即VP=ln〔22〕对于等势面，因为V都是常量，所以有：=C(常数)(23)〔3〕电场描绘方法在用模拟法描绘静电场的实际过程中，由于电场强度这个量较难测量，测定电位〔标量〕比测定场强〔矢量〕容易实现，所以我们先测定等电位线。然后等电位线与电力线的正交关系，就可以描绘出电力线分布图。【实验内容】〔1〕描绘两个带电系统静电场的等位线和电力线〔2〕取两个点电荷的电极板接入电源.〔3〕取两极间电势差为10V，记录出1V、3V、5V、7V、9V的等位线各点的坐标。每条等位线至少取10个等位点。〔4〕将电位相等的点连成光滑的曲线，即为一条等位线。共描绘五条等位线。〔5〕根据电力线与等位线正交关系画出相应的电力线分布图。〔6〕将电极板改为点电荷与条形电极和条形电极与条形电极。重复步骤〔2〕、〔3〕、〔4〕。〔二〕.描绘同轴带电圆柱面电极间的等位线和电力线〔1〕取同轴带电圆形电极板，接入电源。〔2〕取电位差为V0=10V，记录V=2V、4V、6V、8V的等电位线各点的坐标。每条等电位线至少取10个等电位点。〔3〕分别描绘各等电位线和电力线。1.稳恒电流场模拟静电场的理论依据是什么？2.电力线与等位线有何关系？电力线缘于何处？止于何处？3.电压表内阻对测量结果有何影响？4.等位线的疏密说明了什么？5.实验时电压取不同值，等位线的形状是否发生变化？电场强度和电位是否发生变化？【思考题】实验5

电表的改装

和校准【实验目的】〔1〕学会掌握电表改装的根本原理和方法，按照实验原理设计测量电路。〔2〕了解电流计的量程Ig和Rg在实验中所起的作用，掌握测量它们的方法。〔3〕掌握毫安表，电压表和欧姆表的改装，校准和使用方法，了解电外表上符号的含义。〔4〕熟悉电表的规格和用法，了解电表内阻对测量的影响，掌握电表级别的定义。〔5〕学习校准曲线的描绘和应用。【实验仪器】THKDG—2型电表改装与校准实验仪，被改装表量程：Ig=1mA，内阻Rg为100Ω,如以下图【实验原理】1.电流计电流计允许通过的最大电流称为电流计的量程，用Ig表示，电流计的线圈有一定的内阻，用Rg表示，Ig与Rg是表示电流计特性的两个重要参数。电流计可以改装成毫安计，电流计只能通过很小的电流，为了扩大电流计的量程，可以选择一个适当的分流电阻Rp与电流计并联，允许比电流计量程大的电流通过，由电流计与电流计并联的分流电阻所组成的毫安计，这就改装成一只毫安计，这时电外表指针的指示值就要按预定的要求设计满刻度值I，即毫安计量程I的要求来读取数据。假设知道电流计的Ig与Rg可以算出将此电流计改装成量程为I的毫安计所需的分流电阻Rp。由于电流计与Rp并联，那么有IgRg=(I-Ig)Rg(1)Rp=Ig/(I-Ig)Rg(2)由上式可知，电流计的量程扩的越大，分流电阻阻值Rp越小。取不同的Rp值，可以制成多量程的电流表。电流计也可改装成伏特计，由于电流计的Ig很小，Rg也不大，所以允许加很小的电位差，为了扩大某测量电位差的量程可与一高阻Rs串联，这时两端的电位差V大局部分配在Rs上，而电流计中所示的数目与所加电位差成正比。只需选择适宜的高电阻Rs与电流计串联作为分压电阻，允许比原来IgRg大的电压加到电流计和与电流计串联的分压电阻所组成的伏特计上。这就改装成了一只伏特计，这时电外表板上指示值就是要按预定要求满刻度值V，即伏特计量程V的要求来读取数据。如果改装后的伏特计量程为V，那么根据图〔1〕就可以算出将此电流计改装成量程为V的伏特计所需的分流电阻Rs。根据欧姆定律得：I=Ig〔Rg+Rs〕〔3〕Rs=-Rg〔4〕由上式可见，电压量程扩展越大，分压电阻阻值Rs越大。取不同的Rs值，可以制成多量程电压表。

图1电流计量程改装原理图2.电表级别确定在测电学量时，由于电表本身结构及测量环境影响，测量结果会有误差。由温度、外界电场和磁场等环境的影响所产生的误差是附加误差可由改变环境善而消除。而电表本身产生的误差为仪器根本误差，它依使用者的不同而变化，因而根本误差也就决定电表所能保证的准确程度。仪器的准确度等级定义为最大绝对误差与仪表量程比例的百分数。即：k%=Χ100%〔5〕例如某个电流表量程为1A，最大绝对误差为0.01A，那么k%=Χ100%=1%〔级别为1级〕这个电流表的准确度等级就定义为1.0级。反之如果某个电流表的准确度等级是0.5级，量程为1A，那么最大绝对误差为0.005A。电表的准确度可分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5等七个等级。其中数字越小，准确度越高。实验室常采用1.0级，1.5级电表，准确度要求较高的测量用0.5级或0.1级的。在实际运用电表时，在待测量不超过所选量程的前提下，应力求指针的偏转要尽可能大一些，只有在测量接近仪表的量程时，才能最大限度到达这个电表的固有准确度，以减少读数误差。【实验内容】1.改装电流计为5mA或10mA量程的毫安计。改装电流计为5mA或10mA量程的毫安计。按图〔2〕用0.5级标准毫安表来校准被改毫安计，从0到满量程，以电流计面板为横坐标，标准毫安计读数为纵坐标，用毫米方格纸做出校准曲线。图2改装毫安计的校准标准表读数Is1mA2mA

3mA4mA5mA6mA7mA8mA9mA10mA改装表按读数上升Is1改装表按读数下降Is2平均值=（Is1+Is2）/2

修正值Is-

2.改装电流计为1V量程的伏特表。改装电流计为1V量程的伏特计，按图〔3〕用0.5级标准数字伏特表来校准被改装伏特计。从0至满量程，以电流计面板读数为横坐标，标准伏特计读数为纵坐标，用毫米方格纸做出校准曲线图3改装伏特计的校准标准表读数Us0v0.1v0.2v0.3v0.4v0.5v0.6v0.7v0.8v0.9v1v改装表按读数上升Us1改装表按读数下降Us2平均值=（Us1+Us2）/2

修正值Us-

数据记录表:3.确定改装毫安计和伏特计的级别。

通常改装表的级别不能高于用来校准的标准表的级别，根据实际测量与计算结果，向低的级别靠，来确定改装表的等级。

1.校正电流表时发现改装表的读数相当于标准表的读数偏高，试问要到达标准表的数值，改装表的分流电阻应调大还是调小？2.校正电压表时发现改装表的读数相当于标准表的读数偏低，试问要到达标准表的数值，改装表的分压电阻应调大还是调小？【思考题】实验6

示波器的使用示波器是一种用途广泛的电子仪器，用它可以直接观察电信号的波形，也能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器还可测量两个电信号之间的时间差或相位差。配合各种传感器，它还可以用来观察各种非电量的变化过程。由于电子射线的惯性很小，因此示波器可以在很高的频率范围内工作，采用高增益的放大器可以观察微弱信号.示波器具有多种类型和型号，它们的根本原理是相同的。示波器的具体电路比较复杂，需要具备一定的电子学根底知识方能掌握不是本实验的讨论范围。本实验仅限于学习示波器的根本使用方法。【实验目的】1.了解示波器的主要组成局部以及示波器的波形显示原理。2.学习使用示波器观测周期信大小和周期。【实验仪器】

示波器、信号发生器等。信号发生器提供示波器观察波形用的各种信号电压。一般均输出正弦波，有的可以输出各种波形〔例如方波、三角波等〕；对同一种波形又可输出各种不同频率。信号发生器的型号不同，面板上的旋钮也不相同，使用时要看清面板上标明的符号，弄清各旋钮与接线柱的作用后，再按仪器规定的要求使用，实验仪器装置如以下图所示。示波器的使用示波器信号发生器【实验原理】示波器动态显示物理量随时间变化的根本思路是将这些变化量转换成随时间变化的电压，加在电极板上，极板间形成相应的变化电场，使进入这变化电场的电子运动情况相应地随时间变化，最后把电子运动的轨迹用荧光屏显示出来。一示波器有各种型号，其根本结构包括两局部示波管和控制示波管工作的电路。示波器的型号不同，其面板形状也不相同。一般示波器的面板主要包含辉度、聚焦和辅助聚焦等旋钮，X单元和Y单元3个根本局部。

1.示波管示波管是示波器的心脏其内部结构如图1所示，主要由安装在高真空玻璃管中的电子枪、偏转板和荧光屏3个局部组成。全部密封在玻璃外壳内，里面抽成高真空。电子枪由灯丝、阴极、控制栅极、第1阳极和第2阳极等5局部组成。电子枪用来发射电子束；偏转板用来控制电子束运动：电子束打到荧光屏上使荧光屏发光，显示出要观察的电压波形。荧光屏上光点的亮度取决于电子束中电子的数量，光点的粗细那么由电子束的粗细决定。2．偏转板对电子束的作用

(1)当X,Y轴偏转板上的电压Ux=0,Uy＝0时，电子束打在荧光屏中央。图１示波管及示波器电路框图(2)当X，Y轴偏转板上的电压Ux>0，Uy<0时，电子束将受到电场作用力，使电子束向正极板偏转，光点将由荧光屏中央移动到右边；当Ux<0,Uy=0时，那么光点将移动到左边。(3)当Ux=0,Uy>0时，光点向上移动。当Ux<0,Uy<0时，那么光点向下移动。光点移动的距离与偏转板上所如的电压成正比，即光点沿Y轴方向上下移动的距离正比于Uy；沿X轴方向左右移动的距离正比于Ux。(4)假设在Y轴偏转板上加正弦电压．〔Uy=U0sinωt),X轴偏转板不加电压〔Ux=0)，光点将沿Y轴方向振动。Uy由于是按照正弦规律变化的，所以光点在Y轴方向移动的距离也按正弦规律变化；因为Ux=0，所以光点在X轴方向无移动，在荧光屏上只能看到一条Y轴方向的直线，而不是正弦波形。如何才能使荧光屏上展现正弦波形？这需要将光点沿X轴方向展开，即必须在X轴偏转板上也加上电压。由于Y轴上加的电压的波形是随时间变化的，所以希望X轴光点的移动代表时间t,而且X轴上的电压〔Ux〕随时间的变化关系应是线形的〔如图2)。我们用比较直观的作图法将电子束受Ux和Uy的电场力作用后的轨迹表示如图2。在示波管的X，Y轴偏转板上分别同时加上线形电压和正弦电压，假设它们的周期相同，将一个周期分为相同的四个时间间隔，Ux和Uy，的值分别对应光点在X轴和轴偏离的位置，将Ux和Uy．的各投影光点连起来，即得被测电压的波图２扫描原理

形〔正弦〕完成一个波形后的瞬间，光点立刻返回到原点，完成一个周期，这根反跳线称为回扫线。因这段时间很短，线条比较暗，有的示波器采取措施〔消隐电路〕将其消除。光点沿X轴变化及反跳的过程称为扫描。电压称为扫描电压〔锯齿波电压〕，它是示波器内的扫描发生器〔锯齿波发生器〕产生的。这样，电子束不仅受到Uy电场力使其上下运动，同时受到Ux作用使其展开成正弦波。上面讨论的波形因Ux和Uy的周期相等，荧光屏上出现一个正弦波。假设：fy=nfx(n＝1，2，3，…〕，式中、为荧光屏_L所显示的完整波形的数目。或者将式(1)表示为：Tx＝nTy〔n＝1，2，3，…〕

那么荧光屏上将出现一个、二个，三个……稳定的正弦波形。只有当fy为fx的整数倍时，波形才稳定。但fy是由被测电压决定的，而fx由示波器内扫描发生器决定的，两者相互无关。某些型号的示波器，为了得到稳定的波形，采用整步的方法，即将Y轴输人信一号电压接至扫描发生器的电路中，强迫ft随着信号频率的变化而变化〔内整步〕，从而保证fy=nfx，荧光屏上的波形即可稳定。3．触发扫描在示波器中，为了在荧光屏＿［得到稳定不动的信号波形，采用被测信号来控制扫描电压的产生时刻，称为触发扫描。调节触发电平的上下，使被测信号到达某一定住t时，扫描电路才开始工作，产生一个锯齿波，将被测信号显示出来。由于每次被测信号都到达这－定值时，扫描电路才开始工作，产生锯齿波，所以每次扫描显示的波形相同。这样，在荧光屏上看到的波形就稳定不动。图3表示触发扫描原理了触发扫描的原理。4．示波器的应用(1)测量交流信号的电压示波器可以将信号波形显示在荧光屏上，并可以通过比较法定量求出待测信号电压的大小，即对示波器进行定标。一般示波器内部都有比较信号〔有的称标准信号或校正信号〕，只要拨动相应开关就可以进行定标。比较信号与待测信号输人示波器进行比较时，必须使示波器输人端的增幅保持不变，分别记录标准信号和待测信号的图形及标准信号的电压有效值，就可以求出待测信号的电压有效值。(2)测量交流信号的频率利用扫描频率求未知频率由扫描原理可知，只有当输人信号频率为扫描频率的整数倍时，波形才是稳定的。利用这个关系，可以求得未知频率。多数示波器能精确直接得到扫描频率1.根据实验教材和参考资料，弄清面板上各旋钮的作用。2．测定正弦交流信号的电压和频率〔l〕将信号发生器的输出调至500Hz和3.0V及2.0V，接到示波器V轴输人端；〔2〕示波器面板上的“Y轴增益微调〞和“X轴时基微调〞应置于校准位置，此时可根据荧光屏上的Y轴坐标刻度，利用V轴灵敏度选择开关的V/div档级标称值，直接读出信号波形的双峰值，即峰一峰值〔或单峰值〕。由测得的峰一峰值可计算交流信号的电压有效值：=【实验内容】〔3〕根据荧光屏上X轴坐标刻度，读出被测交流信号的周期，由=，求得其频率。1、必须根据实验室提供的仪器说明书，弄清所使用的示波器、信号发生器面板上各旋钮作用再开始实验。2、为了保护荧光屏不被灼伤，使用示波器时，光点亮度不能太强，而且也不能让光点长时间停在荧光屏的一点上。在实验过程中，如果短时间不使用示波器，可将“辉度〞旋钮逆时针方向旋至尽头，截止电子束的发射，使光点消失。不要经常通断示波器的电源，以免缩短示波管的使用寿命。3、示波器上所有开关与旋钮都有一定强度与调节角度，使用时应轻轻地缓慢旋转，不能用力过猛或随意乱旋。4、示波器的X，Y轴输入有一个公共接地端，接线时应防止将外电路短路。简述示波器显示波形的原理。【预习思考题】实验7

透镜参数

的测量透镜是最根本的光学元件，根据光学仪器的使用要求，常

需选择不同的透镜或透镜组。透镜的焦距是反映透镜特性的根本参数之一，它决定了透镜成像的规律。为了正确地使用光学仪器，必须熟练掌握透镜成像的一般规律，学会光路的调节技术和测量焦距的方法。【实验目的】1.了解薄透镜的成像规律；2.了解球差、色差产生的原因；3.掌握光学系统同轴等高的调节；4.掌握测量薄透镜焦距的几种方法，加深对透镜成像规律的认识。【实验仪器】

光具座，凸透镜，光源，物屏，像屏，平面镜。透镜接收屏【实验原理】1.准备知识薄透镜是指透镜中心厚度比透镜的焦距或曲率半径小很多的透镜。透镜分为凸透镜和凹透镜两类：中间厚、边缘薄的透镜称为凸透镜，对光线有会聚作用，又称为会聚透镜；中间薄、边缘厚的透镜称为凹透镜，对光线有发散作用，又称为发散透镜。有关透镜的一些名词解释：主光轴：通过透镜两个折射球面的球心的直线，叫透镜的主光轴〔或主轴〕。光心：光线通过主光轴上某一特殊点，而不改变方向，这个点叫透镜的光心。副光轴：除主光轴外通过光心的其他直线叫副光轴。近轴光线：一般使用透镜时，物体都在主光轴附近，入射光线的入射角很小，这样的光线叫近轴光线。焦点：平行于主光轴的近轴光线，通过透镜后会聚〔或发散，这时其反向延长线会聚〕于主光轴上的点，叫主焦点F，如图〔一〕所示。每个透镜都有分居透镜两侧的两个主焦点。

焦距：光心O到主焦点F间的距离叫焦距〔用字母f表示〕。每个透镜有两个焦距。薄透镜两侧的媒质相同时，两个焦距相等。

焦平面焦平面

F

OＦ

Ｏ

f

f

(a)凸透镜的焦点(b)凹透镜的焦点

图〔一〕透镜的焦点及焦平面光路可逆原理：在反射和折射定律中，光线如果沿反射和

折射方向入射，那么相应的反射和折射光将沿原来的入射方向。这就是说，如果物点Q发出的光经光学系统后再Q’点成像，那么Q’点发出的光线经同一光学系统后必然会在Q点成像，即物和像之间是共轭的。2.薄透镜成像公式在近轴光线条件下，透镜成像公式为

〔1〕其中为s物距，实物为正，虚物为负；为像距，实像为正，虚像为负；f为焦距，凸透镜为正，凹透镜为负。3.凸透镜焦距的测定距凸透镜为无穷远的发光点发出的光束，经凸透镜后，会聚于焦平面上成一光点，称作发光点的像。一个有一定形状大小的物〔自身发光或反射光〕，可看作是很多发光点的集合。距凸透镜为无穷远的物上各点发出的光，都相应地在焦平面上会聚成一个像点，这些像点的集合，就是物的像。测量薄透镜的焦距，通常是根据薄透镜的成像规律和光路可逆原理来进行的。凸透镜的成像规律是:：当物距s<f时，成正立放大的虚像；当s=f时，不成像；当f<s<2f时，成倒立放大的实像；当s=2f时，成倒立等大的实像。当s>2f时，成倒立缩小的实像。AA1BB1OABA1A2B1B2B1DO1O2图〔二〕凸透镜自准法光路图〔三〕凸透镜共轭法光路

BAA1oB1

fBADO1O2〔1〕自准法如图〔二〕所示，如果一个凸透镜主光轴的点光源发出的光经过凸透镜后，能够成一束平行光，那么这个点光源所在的位置就是凸透镜的焦点F。实验中用的不是点光源，而是一个发光物体AB。当发光物AB处于凸透镜的焦平面上，那么B点所发出的光线经透镜后为一束平行光，假设在透镜后放一垂直于主光轴的平面镜，将此光束反射回去，反射光再经过凸透镜后仍会聚于焦平面上，成实像B’。那么形成与原物等大的倒立实像A1B1。因此，实验时移动凸透镜的位置，当在物平面上能看到平面镜反射回来的等大倒立的像时，透镜与物屏之间的距离即为焦距。〔2〕共轭法当物屏与像屏之间的距离时，假设保持不变而移动透镜,那么可在像屏上两次成像。如图〔三〕所示，当透镜移至O1处时，屏上出现一个倒立放大的实像A1B1。设此时物距为，像距为，那么即〔2〕当透镜移至O2处时，屏上出现一个倒立缩小的实像A2B2，同理，有〔3〕由图知〔4〕那么〔3〕式改写为〔5〕结合〔2〕和〔5〕式，可推出〔6〕因此，只要测出物屏与像屏之间的距离D及两次成像时透镜位置之间的距离d，便可求出焦距f。由公式〔6〕，也可以看出，要求出f，必须要求。4.凹透镜焦距的测定凹透镜的成像规律：一个物体经过凹透镜只能成一个正立缩小的虚像，而不能直接成实像，像距无法直接测量，所以测量其焦距不能用测量凸透镜的方法来直接测量，必须利用一个凸透镜作为辅助透镜。这样，物点所发出的光线经过凸透镜会聚之后，虽经凹透镜发散仍然是有可能会聚的，这样就可以得到实像。〔1〕物距像距法如图〔四〕所示，物体AB先经过L1成倒立缩小的实像A1B1，将L2插放在L1与A1B1之间，然后调整L2与L1的间距，那么可以成一个实像A2B2。我们来考虑物点B，物点B所发出的光线只经过凸透镜L1之后会聚于像点B1。将一个焦距为f的凹透镜L2置于L1与B1之间，然后调整L2与L1的间距，由于凹透镜具有发散作用，像点将移到B2点。根据光路可逆性原理，如果将物置于B2点处，那么由物点B2发出的光线经透镜L2折射后，折射光线的反向延长线相交于B1点。故在B2点的物点只经过凹透镜L2所成的虚像将落在B1点。令|O2A2|=s，|O2A1|=s’，又考虑到凹透镜的f和s’均为负值，由〔1〕式可得〔7〕BAL1L2O1O2A1B1A2B2图〔四〕凹透镜物距像距法光路〔2〕自准法如下图，将物点A置于凸透镜L1的主光轴上，测出其成像位置B。将待测凹透镜L2和一个平面反射镜M置于L1和B之间。移动L2的位置，假设物点A所发出的光线经过L1、L2后能成一束平行光，那么由光路可逆原理，|O2B|就是待测凹透镜的焦距。使由M反射回去的光线经L2、L1后，仍成像于A点。此时，从凹透镜到平面镜上的光将是一束平行光，B点就是由M反射回去的平行光束的虚像点，也就是L2的焦点。测出L2的位置，间距|O2B|就是待测凹透镜的焦距。

【实验内容】1.光具座上各元件的共轴调整由于应用薄透镜成像公式时需满足近轴条件，因此必须将各光学元件的主光轴重合，并使该轴与光具座的导轨平行。这就是“同轴等高〞的调整。它在光学实验中是必不可少的步骤。共轴调整分粗调和细调两步进行。〔1〕目测粗调把光源、物屏、凸透镜和像屏依次装到光具座上，先将它们靠拢，调节上下、左右位置，使各元件中心大致等高在一条直线上，并使物屏、透镜、像屏的平面互相平行。〔2〕细调〔依据成像规律的调整〕〔a〕利用自准法调整：调节透镜上下及左右位置，使物像中心重合。〔b〕利用共轭法调整：使物屏和像屏之间的距离D>f，在物屏和像屏之间移动凸透镜，可得一大一小两次成像。假设两个像的中心重合,表示已经共轴；假设不重合，可先在小像中心作一记号，调节镜高度使大像中心与小像的中心重合。如此反复调节透镜高度，使大像的中心趋向于小像中心〔大像追小像〕，直至完全重合。〔c〕两个或两个以上透镜的调整：可采用逐个调整的方法，先调好凸透镜，记下像中心在屏上的位置，再加上凹透镜调节，使凹透镜的像中心与前者重合就可以了。2.用自准法测量凸透镜的焦距按照图〔二〕，采用左右逼近读数法，即从左往右移动物屏，直至在物屏上看到与物大小相同的清晰倒像，记录此时物屏的位置；再从右至左移动物屏，直至在物屏上看到与物大小相同的清晰倒像，记录此时物屏的位置，然后取两次读数的平均值作为透镜L的位置。那么物屏和透镜L在光具座上的位置A和O之间的距离即为凸透镜的焦距f，即f=|AO|，改变物屏位置重复以上步骤五次。3.用共轭法测量凸透镜的焦距按照图〔三〕，放置物屏和像屏，使它们的间距，移动透镜L，分别读出成清晰大像和小像时透镜L在光具座上的位置O1和O2，算出d=|O1-O2|。改变D的值，重复测量五次。注意：尽量使D接近4f，不要太大，以免大像过大，小像过小，难以确定成像最清晰时凸透镜所在位置。4.用物距像距法测量凹透镜的焦距(1)如图〔四〕，将凸透镜置于O1处，移动像屏，出现缩小清晰的像后，记下像A1B1的位置A1。〔2〕在L1与像A1B1之间插入凹透镜L2，记下L2的位置O2，移动像屏直至屏上出现清晰的像A2B2，记下像屏的位置A2。由此得到：s’=|O2-A1|和s=|O2-A2|。代入公式〔7〕中，便可算出f凹。〔3〕改变凸透镜的位置，重复测量五次。5.用自准法测量凹透镜的焦距〔1〕如图〔五〕，调整物屏与凸透镜〔位于O1点〕位置，使物体AB〔位于A点〕经过凸透镜成一个缩小的实像A1B1〔位于B点〕。〔2〕在凸透镜与像之间放上凹透镜L2〔位于O2点〕和平面镜M，并在导轨上移动它们，直至物屏上出现清晰的像，与原来的物体AB大小一样。那么f=|O2B|。〔3〕改变凸透镜的位置，重复测量五次。6．透镜的像差理想的成像应该是，物平面上每一点发出的光，在像平面上会聚成一个相应的点，并且不改变其相关位置。这样的像是完全清晰，没有像差的。实际上简单的透镜成像会发生多种类型的像差，其中最简单和最显著的两种是色差和球差。色差是由于玻璃折射率是光波长的函数引起的，用不同波长的光测量透镜的焦距，结果会稍有差异〔图〔六〕〕，所以被白光照明的物就不能会聚成单一的像平面。对红光聚焦较好时，像就带蓝紫边，而对蓝紫光聚焦较好时，像又带红橙边。球差的产生是因为简单的球面透镜不能把照射于透镜所有部位的光线都会聚于一点。如图〔七〕所示，从同一个物点Ａ发出的近轴光线１会聚于Ａ1′点，张角较大的光线２会聚于Ａ2′，张角连续变化，会聚点也连续改变，因而就找不到完全清晰的成像平面。为了提高像的清晰度可以给透镜加一光栏，遮住张角大的光线，只让近轴光线通过。当然，光栏的孔径愈小效果就愈好，但是由于光通量减少，像的亮度就低。为了校正透镜的色差和球差，光学仪器常采用复合透镜组。【实验数据记录和处理】将所测量数据记录在以下表格中，正确计算出透镜的焦距平均值并计算出不确定度。1.自准法测量凸透镜焦距Δ仪=1.0mm单位：cm测量次数物屏位置透镜位置读数f

左右平均123452.共轭法测量凸透镜焦距cm测量次数

物屏位置读数

像屏位置读数

D透镜位置读数

dfO1位置O2位置左右平均左右平均123453.物距像法测量凹透镜焦距单位：cm测量次数物屏位置读数透镜L1位置读数A1B1位置读数凹透镜L2位置读数A2B2位置读数f左右平均123454.自准法测量凹透镜焦距单位：cm测量次数S’位置凹透镜位置

f左右平均左右平均12345【本卷须知】

(1)由于人眼对成像的清晰度分辨能力有限，所以观察到的像在一定范围内都清晰，加之球差的影响，清晰成像位置会偏离高斯像。为使两者接近，减小误差。记录数值时应使用左右逼近的方法。

(2)不允许用手触摸透镜，光学元件要轻拿轻放。

(3)透镜不用时,应将其放在光具座的另一端。【思考题】1.如何用简便的方法区别凸透镜和凹透镜〔不允许用手摸〕？2.为什么要调节系统到达共轴的要求？怎样调节？3．为什么可以用“大像追小像〞的方法，调节透镜系统到达共轴等高的要求？4.用“共轭法〞测凹透镜的焦距时，为什么要让物屏与像屏的距离大于4倍焦距？实验8

分光计的调节

和使用分光计是精确测定光线偏转角的仪器，也称测角仪，精确度可到达1，光学中的许多根本量如波长，折射率等都可以直接或间接地表现为光线的偏转角，因而利用它可测量波长、折射率，此外还能精确的测量光学平面间的夹角。许多光学仪器(棱镜光谱仪、仪栅光谱仪、分光光度计、单色仪等)的根本结构也是以它为根底的，所以分光计是光学实验中的根本仪器之一。使用分光计时必须经过一系列的精细的调整才能得到准确的结果，它的调整技术是光学实验中的根本技术之一，必须正确掌握。分光计装置精密，结构复杂，调节难度也较大，对初学者来说有一定的困难，请同学们认真做好预习，注意了解其根本结构和测量光路，严格按调节要求和步骤耐心调节，就会掌握分光计的使用方法。【实验目的】1.了解分光计的结构及各组成局部的作用，正确掌握调整分光计的要求和方法；2.掌握利用分光计测量三棱镜顶角的方法，观察三棱镜对汞灯的色散现象；3.会测量三棱镜对单色光的折射现象。【实验仪器】分光计、三棱镜、双面反射平面镜、钠光灯。三棱镜分光计钠光灯【实验原理】1.分光计图(一)分光计结构示意图望远镜：8.望远镜9.紧固螺钉10.分划板11.目镜〔带调焦手轮〕12.望远镜倾斜度调节螺钉13.望远镜光轴水平调节螺钉14.支臂15.游标圆盘微调螺钉17.制动架18.望远镜制动螺钉载物台：5.载物台6.载物台调平螺钉〔3只〕7.载物台紧固螺钉圆刻度盘：16.读数刻度盘制动螺钉21.读数刻度盘22.游标盘24.游标盘微调螺钉25.游标盘制动螺钉平行光管：1.狭缝2.紧固螺钉3.平行光管26.平行光管光轴水平调节螺钉27.平行光管倾斜度调节螺钉28.狭缝宽度调节手轮其它：4.制动架19.底座20.转座23.立柱〔1〕结构分光计的型号很多，结构根本相同，主要都是由4个局部组成：自准直望远镜、平行光管、载物小平台和读数装置。以下以JJY-1型分光计来说明。(1)分光计底座的中心有一沿铅直方向的转轴，称为分光计的中心轴。在中心轴上套有一个读数刻度盘和一个游标盘，这两个盘可以绕它旋转。(2)阿贝式自准直望远镜望远镜安装在支臂上，支臂与转轴相连。在支臂与转轴连接处有螺丝18，拧松时，望远镜(和读数刻度盘一起)可绕轴自由转动；旋紧时，不得强制望远镜绕轴转动，否那么会损坏仪器。螺丝15是它的微调螺丝，当螺丝18拧紧后，望远镜不能绕轴转动时，用它可以使望远镜绕轴作微小转动。螺丝9是目镜镜筒的制动螺钉，旋松它可拉动望远镜套筒，调节分划板与物镜之间距离。望远镜是用来观察和确定光束的行进方向，它是由物镜、目镜及分划板组成的一个圆管。常用的目镜有高斯目镜和阿贝目镜两种，都属于自准目镜，JJY-1型分光计使用的是阿贝式自准目镜，所以其望远镜称之为阿贝式自准直望远镜，结构如图〔二〕所示。望远镜光轴的倾斜度由螺丝12调节。从图中可见，目镜装在筒A中，分划板装在筒B中，物镜装在C筒中，并处在C筒的端部。其中分划板〔见图〔三〕〕上刻划的是“╪〞形的准线〔不同型号准线不相同〕，其中分划板中心的十字交叉点是作测量用的，中心偏上的十字交叉点是作调整分光计用的。边上粘有一块45°全反射小棱镜，其外表上涂了不透明薄膜，薄膜上刻了一个空心十字窗口，小电珠光从管侧射入后，调节目镜前后位置，可在望远镜目镜视场中看到图〔二〕中右侧所示的镜象。假设在物镜前放一平面镜，前后调节目镜〔连同分划板〕与物镜的间距，使分划板位于物镜焦平面上时，小灯泡所发出的光透过空心十字窗口经物镜后成平行光射于平面镜，反射光经物镜后在分划板上形成十字窗口的像。假设望远镜光轴垂直于平面镜镜面，此像将落在“╪〞准线上部的交叉点〔调整用’十’字叉丝〕上，如图(四)所示。(3)载物台是用来放置平面镜、棱镜等光学元件的，它与游标盘通过螺钉7相互锁定，拧紧螺丝7后，载物台可和游标盘一起绕分光计的转轴转动。螺丝25是游标盘的止动螺钉，拧紧时不能再强制转动游标盘，否那么亦会损坏仪器。螺丝24是游标盘的微调螺丝。当螺丝拧紧后，游标盘不能绕轴转动，用它可以使游标盘绕轴作微小转动。载物台下有三只调节螺丝6，可调节台面的倾斜度。

反射镜物镜全反射棱镜镜分化板目镜筒B筒A目镜视场准线十字透光窗图（二）

望远镜结构反射镜物镜全反射棱镜

分化板目镜筒B

筒C

筒A

小灯泡

图〔三〕分划板图〔四〕反射’十’字叉像(4)刻度圆盘在分光计出厂时已将它调到与分光计的中心轴垂直。由于圆刻度盘中心和分光计的中心轴在制造和装配时，不可能完全重合，因此在读数时会产生偏心差。刻度圆盘上的刻度均匀地刻在圆周上，当圆刻度盘中心O与转轴重合时，由相差180°的两个游标读出的转角刻度数值相等。而当圆刻度盘偏心时，由两个游标盘读出的转角刻度值就不相等，所以如果只用一个游标读数就会产生系统误差。通过在转轴直径上安置两个对称的游标来读数，可大大减小这种系统误差。分光计的读数系统由刻度盘和游标盘组成，读数方法和游标原理相同。最小分度为0.5度〔即30分〕，小于0.5度的读数利用游标读出。游标上有30格，把0.5度〔即30分〕分为30等份，故而游标上的读数单位为1分，如图〔五〕所示位置，其读数为：233°13'〔2〕调整为了准确测量角度，测量前应了解分光计上每个零件的作用以便调节。调节的主线是一台调好的分光计必须具备的三个条件：a．望远镜聚焦于无穷远,或称适合于观察平行光；b．平行光管发射出的光是平行光，即狭缝口正好位于平行光管透镜〔凸透镜〕的焦平面上；c．望远镜和平行光管的光轴一定要与分光计的中心轴垂直。T1T2BCAαφ图（六）自准法测量三棱镜顶角图〔五〕2.自准法测量三棱镜顶角的原理如图〔六〕所示，当望远镜中射出的光线垂直入射AB面而沿原路反射回来时，记下此时光线入射方位T1,然后旋转望远镜到另一面，使光线垂直入射AC面，记下此时光线入射方位T2,那么只要测量三棱镜两个光学面的法线之间的夹角，即可求得顶角。3.测量三棱镜材料的折射率的原理见图〔七〕，一束单色光以角入射到面上，经棱镜两次折射后，从面射出来，出射角为。入射光和出射光之间的夹角称为偏向角。当棱镜顶角一定时，偏向角的大小随入射角的变化而变化。而当时，为最小(证明略)。这时的偏向角称为最小偏向角，记为。由图8中可以看出，这时

(1)设棱镜材料折射率为，那么

故(2)由此可知，要求得棱镜材料的折射率，必须测出其顶角和最小偏向角。

图〔七〕利用最小偏向角法测三棱镜材料的折射率【实验内容】1.分光计的调节(1)目测粗调目测粗调即是凭眼睛判断，这一步是整个调节成功的关键。这一步调整的目的是要使望远镜和平行光管的中心光轴根本平行于刻度盘〔也即垂直于分光计的中心轴〕①尽量使望远镜和平行光管的光轴与刻度盘平行。②调节载物台下方的三个小螺钉，尽量使载物台与刻度盘平行(粗调是后面进行细调的前提和细调成功的保证)。321平面镜图（八）平面镜在小平台上的位置平面镜123(2)调节望远镜聚焦于无穷远，适合观察平行光①接上照明小灯电源，翻开开关，在目镜视场中观察是否能够看到“准线〞和带有绿色小十字的窗口，假设看不到，可通过调节目镜调焦手轮，直到能清楚地看到分划板"准线"为止。②手持双面反射平面镜，置于望远镜管口处，尽量使望远镜的中心光轴垂直镜面，这时前后拉动望远镜套筒，调节分划板与物镜之间距离，将能够看到反射回来的清楚的‘十’字叉像，看到最清楚的时候〔没有视差〕，锁紧望远镜紧固螺钉9。③将双面反射平面镜放置在载物台上〔如图〔八〕〕。这样放置是出于这样的考虑：假设要调节平面镜的俯仰，只需要调节载物台下的螺丝1或2即可，而螺丝3的调节与平面镜的俯仰无关。④沿望远镜外侧观察可看到平面镜内有一亮十字〔即从望远镜中照射出来的光线照射到平面镜而被反射的反射光〕，轻缓地转动载物台，亮十字也随之转动。当望远镜对准平面镜时，通过望远镜目镜观察，如果看不到此亮十字，这说明从望远镜射出的光没有被平面镜反射回到望远镜中。此时应重新粗调，重复上述过程，直到由透明十字发出的光经过物镜后，再经平面镜反射，由物镜再次聚焦，在分划板上形成亮十字像〔注意：调节是否顺利，以上步骤是关键〕。⑤注意使准线与亮十字的反射像之间无视差，如有视差，那么需反复调节，予以消除。如果没有视差，说明望远镜已聚焦于无穷远。(3)调节望远镜的光轴与分光计的中心轴垂直〔利用逐次逼近各半调整法〕。这一步是细调的过程，细调的目的是调节望远镜的光轴与分光计的中心轴垂直，也就是要看到从望远镜中射出的光被双面反射平面镜的两面反射所产生的两面反射像与分划板上的调整用‘十’字叉丝重合。先调节平面镜的倾斜度(如图〔八〕中，调节螺丝1或2)。假设目镜中看到的亮‘十’字叉像〔反射像〕在十字窗口的对称位置上，如图〔九〕中(c)所示，说明望远镜中心光轴与镜面垂直。然后使平面镜跟随载物台和游标盘绕转轴转过180°，如果目镜中看到的亮‘十’字叉像也与调整用‘十’字叉丝重合，这说明望远镜的中心光轴已垂直于分光计的中心轴。一般情况下，这二面反射像并不同时与调整用‘十’字叉丝重合，如‘十’字叉像处在如图〔九〕中(a)所示位置上，这时只要调节螺丝1或2，使二者的水平线间距缩小一半，如图〔九〕中(b)所示，再调节望远镜的倾斜螺丝1或2，使二者水平线重合，如图〔九〕中(c)所示，然后再使平面镜绕轴旋转180°，观察亮十字线像与黑准线是否仍然重合。如重合了，说明望远镜光