2024年分光仪实验研究性实验报告

北京航空航天大學基础物理试验研究性汇报试验題目：分光仪的调整及三棱镜顶角的测量——试验地點：实3-216Experimentaltopics:adjustmentofthespectrometerandthemeasuringPrismcorner指导老師：彭金鹏第一作者：第二作者：學院：班级：目录内容摘要： 2Asummarycontent: 2关键词： 2引言 2一、实验仪器： 3分光仪介绍 3二、实验原理： 41、分光仪的调整原理 42、三棱镜顶角的测量原理 5三、主要步骤： 51、分光仪的调整 52、三棱镜顶角的测量 6四、数据记录及处理： 6五、讨论 71.误差分析 7附： 82.经验教训 83.教学建议 9六、实验感想 9七、建议及改进 10八、参考文献 10

内容摘要：运用分光仪的调整原理以及三棱镜顶角测量原理测量三棱镜的顶角，在此過程中掌握分光仪的使用，學會用反射法测量三棱镜顶角。并且對试验数据進行分析，处理。最终總結试验中的收获与感想。Asummarycontent:UsingtheprincipleofspectrometeradjustingmeasuringPrismandPrismmeasuringprinciplethetopcornersofthetopcorners,graspthespectrometerusedinthisprocess,learntousereflectionmethodformeasuringPrismcorner.Andtheanalysisanddealwiththeexperimentaldata.Finallysummarizetheexperimentalharvestsandthoughts.关键詞：分光仪、三棱镜、顶角、上叉丝、钠光灯引言：分光仪是分光测角仪的简称，它能精确地测量平行光线的偏转角度。借助它并运用反射、折射、衍射等物理現象，可完毕全偏转角、晶体折射率，光波波長等物理量的测量，其用途拾分广泛。

一、试验仪器：分光仪，平面反射镜，三棱镜，钠光灯及電源分光仪简介1．分光仪的构造分光仪外型如图5.1-1所示，它重要由望遠镜（自准直望遠镜），平行光管，载物台，游標刻度圆盘等几部分构成。（1）分光仪底座中心处有一沿铅直方向的转轴，称為分光仪的中心转轴。在转轴上套有游標刻度圆盘（包括度盘和游標盘），两個盘可绕中心转轴转動。（2）自准直望遠镜（3）平行光管（4）载物台载物台可绕仪器转轴转動，它是為放置棱镜、光栅等被测光學元件而设置的，台下有三個调整螺丝，可调整载物台的倾斜度。松開“游標盘止動螺丝”、锁紧“载物台锁紧螺丝”，载物台可以和游標盘一起绕分光仪游標盘的转轴转動。（5）游標刻度圆盘游標刻度圆盘与分光仪的中心转轴垂直（分光仪出廠時已调整好）。由于刻度圆盘的中心与中心转轴的中心制作時不能完全重叠，因此在讀数時會产生偏心差.游標刻度圆盘由度盘和游標盘构成，度盘最小分度值為，游標盘最小分度值為，讀数措施与游標卡尺的讀数措施相似（度盘上的刻度值+游標上的刻度值）。如图讀数為：。二、试验原理：1、分光仪的调整原理若望遠镜光轴垂直于平面反射镜镜面，且平面镜镜面平行于仪器主轴，则望遠镜光轴必垂直于仪器主轴。此時若将载物台绕仪器主轴转180°，使平面镜另一面對准望遠镜，望遠镜光轴仍将垂直于平面镜。若望遠镜光轴開始時垂直平面镜但不垂直主轴，即平面镜镜面不平行于主轴，则将平面镜反转180°之後，望遠镜光轴不再垂直于平面镜镜面。由光路成像原理可知，當望遠镜光轴垂直于平面镜镜面的時候，反射像绿拾字与上叉丝重叠，若同步有平面镜平行于仪器主轴，则望遠镜反转180°後，仍然有望遠镜与平面镜垂直，绿拾字仍然与上叉丝重叠，此時也必有望遠镜光轴垂直于主轴。若平面镜镜面不平行于仪器主轴，则平面镜反转180°後，绿拾字与上叉丝将不再重叠。2、三棱镜顶角的测量原理反射法：旋转载物台至三棱镜顶角A對准平行光管，使部分平行光由AB面反射；另一部分光由AC面反射（如图1）。當望遠镜在Ⅰ位置观测到AB面反射的狭缝像，在Ⅱ為之观测到AC面反射的狭缝像時，望遠镜转過了θ。由图2可知θ＝A+i₁+i₂又由于A=i₁+i₂故有A=θ/2AAθi₂ⅡⅠi₁BCBC图2图1三、重要环节：1、分光仪的调整粗调。调整水平螺钉，使望遠镜居于支架中央，并目测调整望遠镜俯仰螺钉，使光轴大体与主轴垂直，调整载物平台下方3個螺钉外伸部分等長，实在無平台大体与主轴垂直。调整望遠镜。望遠镜调焦于無穷遠处。然後调整望遠镜与仪器主轴垂直。最终调整叉丝分划板的纵丝与主轴平行。平行光管的调整。先使平行光管产生平行光，然後调整平行光管光轴与仪器主轴垂直。2、三棱镜顶角的测量调整三棱镜使望遠镜分别對准AB面和AC面的時候，均有绿拾字与上叉丝重叠。调整入射光线的方向，使之成為图2中位置。并使望遠镜對准光线Ⅰ和光线Ⅱ，记录左右两边游標的数据。松開主刻度盘与望遠镜的固紧螺钉單独旋转主刻度盘50°～60°，反复测量5次。四、数据记录及处理：原始数据列表如下：α₁α₂β₁β₂第一组83°46′323°52′243°43′123°45′第二组135°55′15°43′335°58′195°50′第三组190°01′70°03′30°41′270°43′第四组270°59′150°45′79°51′319°41′第五组325°31′205°35′150°28′30°36′由公式θ=1/2[﹙α₁－α₂﹚＋﹙β₁－β₂﹚]得：θ₁θ₂θ₃θ₄θ5119°56′120°10′119°58′120°12′119°54′由于A=θ／2，故有：A₁A₂A₃A₄A5A59°58′60°05′59°59′60°06′59°57′60°01′不确定度的计算：Ua(A)＝==0.03119°Ub(A)＝½·＝0.004811°∴U(A)＝＝0.03156°故完整的成果表述為：A±U(A)＝60.02°±0.03°五、讨论1.误差分析计算θ角時，我們采用了θ=1/2[﹙α₁－α₂﹚＋﹙β₁－β₂﹚]，從而消除了分光仪一起偏心差带来的系统误差；加之，前面做分光仪的调整時已經严格让分光仪望遠镜聚焦于無穷遠，望遠镜光轴与一起主轴垂直及叉丝分划板的纵丝与主轴平行，之後又让平行光管光轴与一起主轴垂直等已經让仪器处在一种很精密的状态下。最终，我們通過每次测量時变化初始值的措施，消除了主刻度不均匀所导致的系统误差。因此，分光仪對的调整後是一种非常精确的仪器，從而，我們最终算出的不确定度只有0.03°，是一种相對很小的数值了。附：1) 偏心差的消除在分光仪生产過程中，主刻度盘和游標盘不也許完全同心，讀数時不可防止的将产生偏差，称為偏心差，這是仪器自身的系统误差。消除系统误差的措施是采用對径讀数法。设開始時，左边游標的讀数為α1，右边游標的讀数為β1，當望遠镜或载物平台转過某一角度後，左边游標的讀数為α2，右边游標的讀数為β2，可以由左边的讀数得到其转角θ1=α2–α1，由右边讀数得到θ2=β2–β1，然後取其平均值：θ=1/2（θ1+θ2）=1/2[(α2–α1)+(β2–β1)]這就可以消除偏心差，得到精确的成果。2) 減小主刻度盘刻度不均匀导致的系统误差假如主刻度盘不均匀，测量時将产生一定的系统误差。為了減少此误差，需在刻度盘不一样部位進行多次测量，然後取其平均值。测量措施：每次测量時应变化初始值，即開刻度盘固紧螺钉，單独旋转50◦—60◦，测量次数不少于5次。2.經验教训①必须做好分光仪的粗调，粗调是试验的基础或許有人會說，粗调很粗糙，怎么會是试验的基础呢。其实否则，光學仪器比较精密，调整范围小，粗调做不好的话，會使试验無法進行下去。分光仪粗调時要使望遠镜和载物台大体水平，且螺钉要有上下调整的足够余量。②试验预习時要把各部分的功能搞明白例如，调整绿拾字和叉丝忽视差時，必须明白目镜筒手轮A是哪個部位，功能是什么；载物台下方的螺钉a,b或c是什么，作用為何；望遠镜下方的俯仰螺钉怎么调等等。假如在做试验前将這些都弄明白了，那试验就會進行的很顺利。③注意使用半调法试验中，我注意到有的同學做的很慢，正面的绿拾字调好之後，背面的總合不到一起，看他操作，本来是绿拾字的调整是没有使用半调法。在望遠镜聚焦于無穷遠的基础上我們观测绿拾字一般會发現它是偏离上叉丝的，调整螺钉b或c，使绿拾字向上叉丝移近1/2的偏离距离，再调整望遠镜俯仰螺钉，是绿拾字与上叉丝重叠，這時望遠镜光轴与平面镜镜面垂直。将平面镜翻转180゜，反复调整螺钉b或c，并调整望遠镜俯仰螺钉，使绿拾字每次消除1/2的偏离量，直至绿拾字一直都落在上叉丝中心為止，此為半调法。试验時一定得注意半调法的使用，這是顺利调整的對的措施。3.教學提议①老師在讲解時可不可以亲身操作一台仪器，這样的话會让同學們深入理解试验仪器及原理，對于试验操作更熟悉，让试验進行得更顺利。②分光仪试验室在做试验時可不可以把PPT的投影仪給关了，由于PPT的亮度太亮，會影响到绿拾字和上叉丝重叠的调整。六、试验感想分光仪是一种可以精确测量角度的仪器，如平行光线的偏转角度、借助于平行光线来测量光學元件的角度。本次试验中，我們选择了其中的运用平行光线测量三角形光學元件的一种顶角的试验，我們认為，此為本次试验组的基础型试验。通過试验，我有如下感受：试验中分光仪的调整是试验的关键，也是试验可以成功的一种底线，只有把分光仪的光轴于载物台的轴线调到垂直，接下来的试验才能顺利進行。在我看来，调整重要的是认真和耐心，而這正是科學研究，尤其是精细形工作的必要条件。學會了分光仪的使用，明白了個中道理。這個试验我做了一次，由于當時是以准時竣工為目的，因此草草的就做完了，後来一想感覺無法理顺，後来又跟著同學旁听了一次，才弄清個中道理。我也协助了某些第一次做的同學，通過和他們的讨论，可以給出某些有利的見解開阔了思绪，在此之前，對角度的测量仅只有使用量角器测量等数學方面的思想，通過试验，明白了平行光线测量顶角的原理，认识到平行光的实际用途，并且发現平行光测量的措施的精确度很高，恰好应和了科學人规定严谨的作風，同步，也让我開阔了思绪，转向于将各個學科之间加以联络，不拘泥于一點，多用不一样的措施，以至于跨學科来思索問題。七、提议及改善此设想基于學生研究性的试验。本人在两次试验中，都发目前观测平行光的反射光時，望遠镜中的像均有些模糊，虽然分光仪调整的很好，也會碰到此状况。作者认為，這和仪器自身有关。待测三角棱镜的顶角在某种程度上均有或多或少的损壞，平行光在照射棱镜時，是以一束光的形式進行反射的，在平面上的反射光继续以原形式传播，而在顶角损害处的反射光则會偏离既定方向，最终在镜筒中展現出模糊的光像，顶角损壞的越严重，光就越模糊，试验的偏差就會越大。改善方案：在平行光管的物镜前