02分光计的调整及棱镜折射率的测定

青岛大学讲稿112468101211131415163517187919202122252623242827讲授内容备注分光计的调整与玻璃棱镜折射率的测定分光计是一种常用的精密的测角仪器。它的调整方法在光学仪器中具有一定的代表性。因此学会分光计的调整与使用是十分重要的。了解分光计的结构，学会正确调节分光计，利用分光计测量三棱镜的顶角和折射率。练习一分光计的调整与棱镜角的测量一、分光计的构造分光计主要由底座、准直管、望远镜、载物平台和刻度圆盘五大部分构成。JJY型分光计的结构如图O2-3-1所示：1狭缝装置；2．狭缝装置锁紧螺丝；3准直管；4．制动架（二）；5．载物台；6载物台调平螺丝；7载物台锁紧螺丝；8望远镜；9．望远镜锁紧螺丝；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丝；13．望远镜光轴水平调节螺丝；14．支臂；15．望远镜微调螺丝；16．望远镜止动螺丝；17．转轴与度盘止动螺丝；18．制动架（一）；19．底座；20．转座；21．度盘；22．游标盘；23．立柱；24．游标盘微调螺丝；25．游标盘止动螺丝；26．准直管光轴水平调节螺丝；27准直管光轴高低调节螺丝；28．狭缝宽度调节手轮图O2－3－11．底座分光计的底座位于分光计的最下部，起着支撑整台仪器的作用。在底座的中央固定着中心轴，刻度盘和游标内盘套在中心轴上，并可以绕中心轴旋转。2．准直管准直管固定在底座的立柱上，它的作用是产生平行光。准直管的一端装有会聚透镜，另一端为装有狭缝的套管，狭缝的宽度可通过调节手轮28进行调节，其调节范围为0.02~2mm。3．望远镜望远镜安装在支臂上，支臂与转座固定在一起，套在主刻度盘上，它是用来观察目标和确定光线进行方向的。它由物镜、目镜和分划板（或叉丝）组成。常用的自准直目镜有高斯目镜和阿贝式目镜两种，JJY型分光计的望远镜是阿贝式目镜。其结构和目镜中的视场如图O2-3-2所示。望远镜筒下面的螺丝12、13是用来调节望远镜的光轴位置青岛大学讲稿2游标对齐的。16为望远镜止动螺丝，放松时，望远镜可绕轴自由转动，旋紧时，望远镜被固定。螺丝17用来控制转轴与度盘的相对转动，17和16放松时，望远镜可独自绕轴转动；16放松而17旋紧，刻度盘可随望远镜一起旋转。若16和17均旋紧，调节微调螺丝15可使望远镜旋转一个微小角度。图O2－3－24．载物平台载物平台用来放置待测物体，它套在转轴上并与读数圆盘上的游标盘相连，并由止动螺丝25控制其与转轴的连接，松开25，游标盘连同载物平台可绕转轴旋转。24为微调螺丝，当旋紧17和25时，借助微调螺丝24可对载物平台的旋转角度进行微调。松开螺丝7，载物平台可单独绕转轴旋转或沿转轴升降。调平螺丝6共有三个，用来调节台面的倾斜度，此三螺丝的中心形成一个正三角形。5．刻度圆盘刻度圆盘用来指示望远镜或载物台旋转的角度。刻度圆盘分为3600，分度值为0.50。为了提高角度测量精密度，在内盘上相隔1800处设有两个游标右左和vv，游标上有30个分格，它和刻度盘上29个分格相当，因此分度值为1。读数方法参照游标原理，如图（O2-3-3）所示读数应为（111670）。记录测量数据时，必须同时读取两个游标的读数（为了消除刻度盘的刻度中心和仪器转轴之间的偏心差）。望远镜在某一位置时两个窗口的读数为21,vv，望远镜在另一位置时，两个窗口的读数为21,vv，同一个窗口两次读数的差值即为望远镜或载物平台转过的角度，然后再求平均。即221121vvvv。图O2－3－3二、分光计的调节为了精确测量角度，必须使待测角平面平行于读数圆盘平面。由于制造仪器时已使读数圆盘平面垂直于中心转轴，因而也必须使待测角平面垂直于中心转轴（见图O2-3-4）。为满足此要求，测量前必须对分光计进行调节，以达到三个要求：准直管出射平行光；望远镜能接收平行光；经过待测光学元件的光线（如入射、折射、反射、衍射光线等）Spo调整用叉丝测量用十字叉丝棱镜p的阴影eLoL青岛大学讲稿3中心转轴待测平面平行光管望远镜位置Ⅱ位置Ⅰ望远镜构成的平面应与仪器的中心转轴垂直。即要求准直管、望远镜光轴垂直于转轴；待测元件的光学面应平行于转轴。为保证这些条件，必须对分光计进行下述调节，其中尤以望远镜的调节最为重要，其它调节均以望远镜为准。图O2－3－41．粗调（1）首先接上望远镜中的照明小灯电源，然后调节目镜视度调节手轮11，看清分划板上的一条竖直准线和与其相交的两条水平线（见图O2-3-5）。图O2－3－5（2）用望远镜观察尽量远处的物体，前后调节目镜镜筒，（即调节物镜与叉丝之间的距离），使远处物体的像和目镜中的十字叉丝同时清楚。（3）将载物平台和望远镜光轴尽量调成水平（目测）。2．细调将平面镜（或三棱镜）按图O2-3-6所示的位置放于载物平台上。这样放置的优点在于b1和b2两个螺丝控制平面镜反射面的倾斜度，第三个螺丝b3不改变平面镜反射面的倾斜度。图O2－3－6（1）应用自准直原理调望远镜适合接收平行光将望远镜对准平面镜的一个反射面，慢慢左右转动载物平台或望远镜，如果粗调认真，一般可在望远镜中看到“小十字叉丝”的反射像，如图O2-3-7(a)所示。如果找不到反射像时，可稍许调节控制平面镜反射面的两个螺丝b1或b2,也可适当调节控制望远镜倾斜度的螺丝12，直到在望远镜中看到“小十字叉丝”的反射像，这时1b1b2b2b3b3b青岛大学讲稿4（a）（b）（c）（d）hhh/2转动载物平台，使平面镜的另一反射面对准望远镜，此时也要在望远镜中看到“小十字叉丝”的反射像，如果找不到反射像时，要重复上面的调节。看到“小十字叉丝”的反射像后，松开螺丝9，伸缩目镜筒，使小十字叉丝反射像清晰且和测量用十字叉丝间无视差。此时望远镜已能接收平行光，旋紧螺丝9。此后目镜筒不能再前后移动。（2）用逐次逼近法调望远镜光轴与中心转轴垂直将望远镜对准平面镜的一个反射面，使小十字叉丝的像在分划板竖线上，这时观察小十字叉丝的像与调整用叉丝是否重合。一般情况下，它们不重合，如图O2-3-7(b)所示。此时调节载物平台下面控制平面镜反射面的螺丝b1或b2，使高度差h减小一半，见图（O2-3-7）(c)所示。再调节控制望远镜光轴倾斜度的螺丝12，使高度差消除，即小十字叉丝的像和调整用叉丝中心重合，见图O2-3-7(d)所示。这种调节方法称为二分之一调节法。把载物平台旋转1800，使平面镜的另一反射面对准望远镜，同样用二分之一调节法进行调节，使此时看到的小十字叉丝的反射像和调整用叉丝中心重合。然后再把载物平台旋转1800，会发现这一侧小十字叉丝和调整用叉丝中心已不重合，需要重复上面的步骤，反复进行以上的调节，直到不论平面镜的哪一个反射面对着望远镜，小十字叉丝的反射像均能和调整用叉丝中心重合，则望远镜光轴与中心转轴已严格垂直。（3）调节准直管使其产生平行光，并使其光轴与望远镜的光轴重合移去平面镜，关闭目镜筒小灯，点亮钠光灯，使其照亮狭缝，调节手轮28使狭缝宽约为1mm。将望远镜对准准直管，松开螺丝2，前后移动狭缝，使从望远镜中看到清晰的狭缝像，并且狭缝像和分划板上的两十字叉丝线之间无视差，说明平行光管已发出平行光，同时旋转狭缝，使狭缝像和分划板上的竖线平行，这时旋紧螺丝2。调节控制准直管倾斜的螺丝27，使狭缝像的中心位于测量用十字叉丝的中点上，这时准直管和望远镜的光轴平行，并近似重合。图O2－3－7仪器与器材分光计，三棱镜，平面镜，钠灯。实验内容1.按前述方法将分光计本体调节好。2.待测元件的调节，即调节棱镜折射的主截面与仪器的主轴垂直三棱镜的棱镜角A是棱镜主截面上三角形两边之间的夹角。应用分光计测量时，必须使待测光路平面与棱镜的主截面一致。由于分光计的观察平面已调节好并垂直于仪器的主轴。即调节三棱镜的两个折射面AB和AC，使之均能垂直于望远镜的光轴。将待测棱镜按图O2-3-8所示的方法放置在载物平台上，使折射面AB与平台调节螺丝b1和b3的连线相垂直，这时调节螺丝b1或b3,能改变AB面相对于主轴的倾斜度，青岛大学讲稿5而调节螺丝b2对AB面的倾斜度不产生影响。转动载物平台，使望远镜对准棱镜的光学面AB，微调螺丝b1或b3,使在望远镜中看到的反射回来的小十字叉丝像与调整用叉丝中心重合。转动载物平台使棱镜的光学面AC正对望远镜，微调螺丝b2，使从望远镜中看到的小十字叉丝像与调整用叉丝中心重合。反复进行上述调节，直到从AB、AC两光学面反射回来的小十字叉丝像均与调整用叉丝中心重合。此时AB、AC两光学面便平行于中心转轴，即棱镜折射的主截面与仪器的主轴垂直。图O2-3-83．自准直法测棱镜角旋紧望远镜止动螺丝16，固定望远镜，旋转载物平台，使棱镜的一个折射面对准望远镜，如图O2-3-9,当小十字叉丝反射像和调整用叉丝中心重合时，记录刻度盘上两游标读数1v和2v,再转动载物平台，使棱镜的另一个折射面对准望远镜，当小十字叉丝的反射像和调整用叉丝中心重合时，记录两游标读数1v和2v,同一游标两次读数之差等于棱镜角A的补角，其值为=21[（1v-1v）+(2v-2v)]，即棱镜角A=1800-。重复测量三次，计算棱镜角A的平均值和误差ΔA。图O2－3－9图O2-3－104．棱脊分束法测棱镜角置光源于准直管的狭缝前，将待测棱镜的折射棱对准准直管，并使折射棱接近载物平台中心，待测棱镜底面正对准直管，如图O2-3-10所示。旋紧载物台锁紧螺丝7和游标盘止动螺丝25，缓慢转动望远镜，观察由棱镜的一折射面所反射的狭缝像，使之与分划板的竖直线重合，记录此时游标读数，再旋转望远镜对准棱镜的另一折射面，观察狭缝像，使之与竖直线重合，记录此时游标读数，同一游标两次读数之差等于棱镜角A的两倍。重复测量三次，计算棱镜角A的平均值和误差。思考与讨论1．分光计主要由哪几部分组成？各部分的作用是什么？为什么要设置一对游标盘？B1bA2bC3bA22T1T1i2i青岛大学讲稿62．分光计调节的基本要求是什么？为什么说望远镜的调节是分光计调节中的关键步骤？3．你能否另外设计一种利用分光计测量三棱镜顶角的方法？练习二用分光计测定棱镜玻璃的折射率原理与方法棱镜玻璃的折射率，可用测定最小偏向角的方法求得。如图O2-3-11所示，光线PO经待测棱镜的两次折射后，沿O/P/方向射出时产生的偏向角为δ。在入射光线和出射光线处于光路对称的情况下，即21ii时，偏向角最小，记为min。可以证明：棱镜玻璃的折射率n与棱镜角A、最小偏向角min有如下关系：2sin2sinminAAn（O2-3-1）因此，只要测出A和min就可以从式（O2-3-1）求得折射率n。由于透明材料的折射率是光波波长的函数，同一棱镜对不同波长的光具有不同的折射率，所以当复色光经棱镜折射后，不同波长的光产生不同的偏向而被分散开来。通常棱镜的折射率是对钠光波长589.3nm而言。图O2-3-11仪器与器材分光计，平面镜，三棱镜，钠光灯。实验内容1.按前述的方法调整好分光计。2.测定最小偏向角。（1）用钠灯照亮狭缝，使准直管射出平行光束。（2）将待测棱镜置于载物平台上，使棱镜折射面与平行光管轴线的夹角约为300。将游标盘固定。（3）转动望远镜，找到钠光经棱镜折射后形成的黄色谱线。慢慢转动载物平台，观看折射光线的移动情况。当看到折射光线向偏向角减小的方向移动时，继续沿此方向转动载物平台，同时转动望远镜跟踪该谱线。当载物平台转至某一位置时，折射光线不再向偏向角减小的方向移动，若继续沿原方向转动载物平台，折射光线反而向偏向角增大的方向移动。这一光线移动方向发生转折变化时的位置，就是处于最小偏向角δmin时折射光线的位置。将望远镜移至此位置进行观察，使分划板中的竖直线正对狭缝像发生转折时的位置，读出此时读数游标盘的读数1v和2v。P'P'OO2i1inN'N'2i'1iA青岛大学讲稿7（4）转动载物平台，使棱镜的另一折射面对着平行光管，使光线向另一侧偏折，同上找到折射光线的极限位置，相应的读数为1v和