分光仪的调整与使用

PAGEPAGE1分光仪的调整与使用教学设计方案基础部物理实验室黄尚永本次实验主要让学生掌握借助平晶调整分光仪的方法，以及用分光仪测量三棱镜的顶角和最小偏向角，从而计算玻璃的折射率。学时安排：3节课连上共135分钟：其中原理讲授和演示约40分钟，学生操作和个别指导约90分钟；教学方法：一、配合实验展板做原理讲解；二、结合实验仪器做操作讲解和演示；三、指导学生自己动手操作观察现象，记录数据；重点难点：一、分光仪的基本构造、调节方法二、测定三棱镜的顶角和最小偏向角；三、计算三棱镜玻璃的折射率答疑和讨论安排：整个实验过程中随时解答学生的疑问；考核方式：实验成绩共10分，最终在学生的实验报告上给出：严格检查学生签到和预习情况，预习占2分；考察学生自己的动手能力并给于操作成绩，满分3分实验报告的撰写，数据处理和最终结果表达，满分5分。板书设计：实验室展板【实验原理讲授】一、分光仪简介分光仪是一种精确测量光线偏折角度的光学仪器。利用分光仪可以测量棱镜或其他具有镜面表面的光学元件的角度，可以测量光在棱镜或晶体中的折射角、折射率，可以测量三棱镜的色散率及反射、折射、衍射和干涉等实验中的角度。与光栅配合时，可做光的衍射实验；与偏振器配合时，可做光的偏振实验。分光仪用途广泛，它的调整思想、方法和技巧，在光学仪器中有一定的代表性，学会对它的调节和使用方法，有助于掌握操作更为复杂的光学仪器。现以JJY型1′分光仪为例介绍其结构和调整方法。其外型结构如图19-1,它包括四个主要部分：1、平行光管，2、望远镜（与两个带照明的游标盘固连），３、载物台（可与圆周刻度盘同轴转动），４、度盘读数装置。这四部分中平行光管是固定的，另外三部分均可围绕一个公共轴——分光仪主轴转动。图19-1JJY型1′分光仪1.狭缝装置2.狭缝装置锁紧螺钉3.平行光管部件4.制动架（二）5.载物台6.载物台调平螺钉（3只）7.载物台锁紧螺钉8.望远镜部件9.目镜锁紧螺钉10.阿贝式自准直目镜11.目镜视度调节手轮12.望远镜光轴高低调节螺钉13.望远镜光轴水平调节锁钉14．支臂15.望远镜微调螺钉16.转座与度盘止动螺钉17.望远镜止动螺钉18.制动架（一）19.底座20.转座21．度盘22．游标盘23.立柱24.游标盘微调螺钉25.游标盘止动螺钉26.平行光管光轴水平调节螺钉27.平行光管光轴高低调节螺钉28.狭缝宽度调节手轮下面分别介绍这几部分的结构和调节方法：1、平行光管平行光管的构造如图19-1，它是一个柱形圆筒，在筒的一端装有一个可伸缩的套筒。套筒末端有一狭缝装置1，可以改变缝宽。平行光管另一端有一个消色差会聚透镜组（即物镜）。伸缩狭缝套筒可改变狭缝与物镜之间的距离。当狭缝位于物镜焦平面时，外来光源通过狭缝射出的光，经过物镜后便成为平行光。套筒的位置由紧定螺丝2固定。立柱(23)固定在底座上，平行光管(3)安装在立柱上，平行光管的光轴位置可以通过立柱上的调节螺钉(26、27)来进行微调，平行光管带有一狭缝装置(可沿光轴移动和转动，狭缝的宽度在0.02-2mm内可以调节。2、望远镜阿贝式自准直望远镜(8)安装在支臂（14)上，支臂与转座(20）固定在一起，并套在度盘上，当松开止动螺钉（7）时，转座与度盘可以相对转动，当旋紧止动螺钉时，转座与度盘一起旋转。旋转制动架（一）(18)与底座上的止动螺钉（17）时，借助制动架（一）末端上的调节螺钉（15）可以对望远镜进行微调（旋转）。同平行光管一样，望远镜系统的光轴位置，也可以通过调节螺钉（12）（13）进行微调。望远镜系统的目镜（10）可以沿光轴移动和转动，目镜的视度可以调节。3、载物台它包括3部分:(1)载物台载物台(5)套在游标盘上，可以绕中心轴旋转，旋紧载物台锁紧螺钉（7）和制动架（二）与游标盘的止动螺钉（25)时，借助立柱上的调节螺钉(24）可以对载物台进行微调（旋转）。放松载物台锁紧螺钉时，载物台可根据需要升高或降低。调到所需位置后，再把锁紧螺钉旋紧，载物台有三个调平螺钉（６）用来调节使载物台面与旋转中心线垂直。(2)圆盘刻度盘在底座（19）的中央固定一中心轴，度盘(21)和游标盘(22)套在中心轴上，可以绕中心轴旋转，度盘下端有一推力轴承支撑，使旋转轻便灵活。度盘上刻有720等分的刻线，每一格的格值为30′，对径方向设有两个游标读数装置，测量时，读出两个读数值，然后取平均值，这样可以消除偏心引起的误差。(3)转轴无调节要求。4、度盘读数装置在垂直于分光仪主轴的平面中安置了一个360º刻度的圆盘度盘和一对左、右对称的游标盘，它们均可以绕分光仪主轴旋转。度盘能与载物台共轴转动，整个圆周刻有720等分的刻线，格值30′。一对游标盘与望远镜固连，每个游标在14º30′的圆弧上等分刻有30个刻线，（游标30格与圆盘度盘29格相等），格值29′。按照游标读数原理，当度盘和游标盘重叠时，每一对准刻线格值为1′（为什么？）为了消除偏心差，采用两个游标读数，然后取其平均值。消除偏心差的原理见备注。角度值的读法以游标盘的零线为准，先读出圆盘度值和分值A（每格30′）,再找到游标上与度盘上刚好重合的刻线，读得游标上的分值B（每格1′），将两次读数相加，得(A+B)，即为读数值θ见图19-2。对齐对齐对齐对齐，，图19-2游标盘读数示意图二、三棱镜顶角的测量测量三棱镜顶角的方法有反射法和自准法两种，我们用自准法测量。如图19-3所示，利用望远镜自身产生的平行光，固定望远镜，转动载物台，使载物台上的三棱镜的AB面对准望远镜，使AB面反射的十字像与望远镜筒中的双十字丝上交叉点重合，即望远镜光轴与三棱镜AB面垂直，记下两边的游标读数、，然后再转动载物台，使AC面反射的十字像与双十字丝上交叉点重合，即望远镜光轴与AC面垂直，记下两边游标读数和。设棱镜相对望远镜转过的角度为，则而棱镜主截面的顶角。图19-3三、三棱镜折射率的测量1、测量公式物质的折射率与通过物质的波长有关。当光从空气射到折射率为n的介质分界面时，光发生折射，根据折射定律有（19-1）式中为入射角，为折射角。当一束单色光通过三棱镜时，在入射面AB和出射面AC上都要发生折射，如图19-4，出射光线R与人射光线I之间的夹角称为偏向角,人射光方向不同时，偏向角的大小也不同。当入射光在某一特定位置时，偏向角有最小值，称为最小偏向角，用表示。通过折射定律式(19-1)和简单的几何关系可得棱镜对该单色光的折射率（19-2）式中为三棱镜的顶角。通过三棱镜顶角和最小偏向角的测量，可求得三棱镜的折射率。AA

FFδδBBCC图19-4棱镜的折射【实验内容操作及演示】一、分光仪的调整为了准确测定光线偏向角，必须对分光仪进行正确调节，使之达到两个主要目的：(1)使平行光管发出平行光，望远镜聚焦于无穷远（即适合于观察平行光）。(2)使平行光管和望远镜的光轴都垂直于分光仪的主轴，这样才能真正地测出光线的偏向角，否则测得的将是它的投影。分光仪是一种精密的光学仪器，它的结构比较复杂，调节旋钮很多，调节前一定要对照分光仪的结构图和实物，了解各旋钮作用，再动手按次序调节。1、目测粗调把仪器摆正，先用目视法将望远镜和平行光管轴调到大致与分光仪主轴垂直，主要调螺钉12、21，使平行光管和望远镜光轴大致在一条直线上，再调螺钉6，使载物台平面大致与分光仪主轴垂直。2、目镜的调焦目镜调焦的目的是使眼睛通过目镜能很清楚地看到目镜中分划板上的刻线，如图19-5所示。调焦方法：先把目镜调焦手轮(11)旋出，然后一边旋进，一边从目镜中观察，直至分划板刻线成像清晰，再慢慢地旋出手轮，至目镜中的像的清晰度将被破坏而未破坏时为止。3、望远镜的调焦望远镜调焦的目的是将目镜分划板上的十字线调整到物镜的焦平面上，也就是望远镜对无穷远调焦。其方法如下：1)接上灯源。（把从变压器出来的6.3伏电源插头插到底座的插座上，把目镜照明器上的插头插到转座的插座上）。2)把一望远镜光轴位置的调节螺钉(12,13)调到适中的位置。3)在载物台的中央放上附件光学平行平板，如图19-6所示，其反射面对着望远镜物镜，且与望远镜光轴大致垂直，视场中见到多了一个绿色十字反射像如图19-7所示。4)通过调节载物台的调平螺钉(6)和转动载物台，使望远镜的反射像和望远镜在同一直线上。5)从目镜中观察，此时可以看到一亮斑，前后移动目镜，对望远镜进行调焦，使亮十字线成清晰像，然后，利用载物台上的调平螺钉和载物台微调机构，把这个亮十字线调节到与分划板上方的十字线重合，往复移动目镜，使亮十字和十字线无视差地重合。图19-5图19-5图19-6图19-7双十字交叉丝十字透光窗十字反射像S1S3S24、调整望远镜的光轴垂直于旋转主轴1)调整望远镜光轴上下位置调节螺钉(12)，使反射回来的亮十字精确地成像在十字线上。2)把游标盘连同载物台平行平板旋转180º时，观察到的亮十字可能与十字丝有一个垂直方向的位移，就是说，亮十字可能偏高或偏低，如图19-8a。3)调节载物台调平螺钉，使位移减少一半,如图19-8b。4)调整望远镜光轴上下位置调节螺钉(12)，使垂直方向的位移完全消除。5)把游标盘连同载物台、平行平板再转过180º，检查其重合程度。重复3)和4)使偏差得到完全校正，如图19-8c。图19-8a图19-8b图19-8c

图19-8a图19-8b图19-8c当载物台连同光学平行平板相对于望远镜旋转时，观察亮十字是否水平地移动，如果分划板的水平刻线与亮十字的移动方向不平行，就要转动目镜，使亮十字的移动方向与分划板的水平刻线平行，注意不要破坏望远镜的调焦，然后将目镜锁紧螺钉旋紧。6、平行光管的调焦（以下用于最小偏向角的测量）目的是把狭缝调整到物镜的焦平面上，也就是平行光管对无穷远调焦。方法如下：1)去掉目镜照明器上的光源，打开狭缝，用漫射光照明狭缝。2)在平行光管物镜前放一张白纸，检查在纸上形成的光斑，调节光源的位置，使得在整个物镜孔径上照明均匀。３)除去白纸，把平行光管光轴左右位置调节螺钉（26）调到适中的位置，将望远镜管正对平行光管，从望远镜目镜中观察，调节望远镜微调机构和平行光管上下位置调节螺钉(27)，使狭缝位于视场中心。4)前后移动狭缝机构，使狭缝清晰地成像在望远镜分划板平面上，狭缝像宽度约1mm。7、调整平行光管的光轴垂直于旋转主轴调整平行光管光轴上下位置调节螺钉(27)，升高或降低狭缝像的位置，使得狭缝对目镜视场的中心对称。8、将平行光管狭缝调成垂直旋转狭缝机构，使狭缝与目镜分划板的垂直刻线平行如图19-9，注意不要破坏平行光管的调焦，然后将狭缝装置锁紧螺钉旋紧。图19-9狭缝像图19-9狭缝像狭缝像二、三棱镜顶角的测定前面只是调节了望远镜光轴垂宜于分光仪主轴和平晶平面，尚没有调好载物台的水平（为什么？请考虑！）。为了正确测定三棱镜主截面上的顶角，还必须调节载物台水平，使三棱镜的主截面严格垂直于分光仪主轴。调整方法根据自准直原理进行。1、使三棱镜的主截面与分光仪主轴垂直(1)按图19-10把三棱镜放在载物台上，使它的一个光学面AB垂直于载物台调平螺丝S1S2连线。CAB图19-10三棱镜的放置图19-10三棱镜的放置(2)旋紧螺丝17固定望远镜，旋转载物台使棱镜AB面正对望远镜，调节螺钉Ｓ1使十字像与双十字丝上交叉点重合，此时望远镜光轴垂直于光学面AB。（注意：望远镜水平己调好，不能再动！）(3)旋转载物台，将棱镜另一光学面AC正对望远镜，通过螺丝S3作同样调节，使AC面垂直于望远镜光轴。(4)重复以上步骤，使三棱镜的两个光学侧面AB和AC均能严格垂直于望远镜光轴，这样便调得棱镜主截面垂直于分光仪主轴了。2、测三棱镜顶角(1)调好游标盘的位置，使游标在测量过程中不被平行光管或望远镜挡住，锁紧制动架（二）和游标盘，载物台和游标盘的止动螺钉。(2)使望远镜对准AB面，锁紧转座与度盘、制动架（一）和底座的止动螺钉。(3)旋转制动架（一）末端上的调节螺钉，对望远镜进行微调（旋转），使亮十字与十字丝完全重合。(4)记下对径方向上游标所指示的度盘的两个读数、。(5)放松制动架（一）与底座上的止动螺钉，旋转望远镜，使对准AC面，锁紧制动架（一）与底座上的止动螺钉。(6)重复3）、4）得到对径方向上游标所指示的度盘的两个读数、。棱镜相对于望远镜转过的角度为：(7)计算顶角：。三、测量汞灯绿光最小偏向角1、调整平行光管（见实验内容一、6-8部分）使平行光管发出平行光并使其光轴与望远镜光轴平行。2、将三棱镜放在载物台上，见图19-11。将平行光管对准光源，判断折射光线的出射方向，用眼睛迎着光线可能的出射方向，放松制动架（一）和底座的止动螺钉，转动望远镜，找到平行光管的狭缝像，可以看到几条平行的彩色谱线，观察三棱镜色散现象。将望远镜转至此方位，使从望远镜中能清楚地看到彩色谱线，认定绿色谱线。入射光入射光BBACAC图19-11最小偏向角示意图为最小偏向角3、放松制动架（二）和游标盘的止动螺钉，慢慢转动载物台，开头从望远镜看到的绿色狭缝像沿某一方向移动，当转到这样一个位置，即看到的狭缝像，刚刚开始要反向移动，此时的棱镜位置，就是平行光束以最小偏向角射出的位置。4、锁紧制动架（二）与游标盘的止动螺钉。5、利用微调机构，精确调整，使分划板的十字线精确地对准狭缝。（在狭缝中央）6、记下对径方向上游标所指示的度盘的两个读数、。7、取下棱镜，放松制动件（一）与底座的止动螺钉。转动望远镜，使望远镜直接对准平行光管，然后旋转制动件（一）与底座上的止动螺钉。对望远镜进行微调，使分划板的十字线精确地对准狭缝。8、记下对径方向上游标所指示的度盘的两个读数、。9、计算绿光最小偏向角。四、将以上测得的三棱镜顶角：和绿光的最小偏向角代入式（19-2)，求得玻璃对汞灯绿光的折射率．五、测三棱镜的色散曲线（选作内容）分别测出汞灯红、黄、兰、紫各色谱线的最小偏向角，代人式(19-2)，求出它们的折射率。最后以折射率为纵坐标，以谱线波长为横坐标作三棱镜的色散曲线。各色谱线波长可查阅光学实验基本知识。【数据表格】测三棱镜顶角棱镜号：分光仪号：游标位置测量内容（左）1（右）2棱镜第一光