分光计的调整与使用

分光计的调整与使用实验目的预习重点实验仪器实验原理实验内容数据处理注意事项思考题实验目的了解分光计的结构,熟悉分光计的调整和使用；使用分光计测定三棱镜的顶角和最小偏向角,计算棱镜玻璃的折射率；观察光栅衍射光谱,测量汞灯谱线的波长。预习重点熟练掌握分光计的调整技巧；学会用分光计测角的方法；如何调节三棱镜的主截面与分光计的旋转主轴垂直；如何用光栅调整分光计，使其达到测量要求？如何测量三棱镜的顶角和最小偏向角；如何测光栅常数和光波波长。实验仪器本次实验用到的仪器有分光计、平行平面镜、三棱镜、透射光栅和汞灯。实验原理一、分光计测定玻璃折射率如图1所示的三角形表示三棱镜的主截面。主截面与折射面垂直。折射面AB、AC是透光的光学表面，其夹角α称为三棱镜的顶角。设一束单色光平行光入射到三棱镜的AB面上，ｉ和Φ分别表示入射角和出射角，δ称为偏向角。由图中的几何关系有：δ=ｉ+Φ-α对于给定的棱镜，顶角α是固定的。当δ为极小值时,有ｉ=Φ,代入上式得δmin=2ｉ-α即ｉ=1/2(δmin+α)当ｉ=Φ时,由图知，有∠1=（1/2）α,所以,玻璃三棱镜对单色光的折射率为n=sinｉ/sin∠1=sin（1/2）(δmin+α)/sin（1/2）α图1最小偏向角时棱镜的折射这样,只要用分光计测出三棱镜的顶角α和最小偏向角δmin，即可求得三棱镜对单色光的折射率。iαiφφαmini1234二、用光栅测量光波波长衍射光栅是由一组数目很多,排列紧密而均匀的平行狭缝组成，通常分为透射光栅和反射光栅。本实验所用为平面透射光栅。设光栅刻痕宽度为a，透明狭缝宽度为b，相邻两缝的距离d=a+b，称为光栅常数，它是光栅的基本参数之一。当平行光束与光栅法线成角度i入射到光栅平面时，光栅后面的衍射光束通过透镜会聚在焦平面上，就会形成一组亮暗相间的衍射条纹。设某一方向的衍射光线的衍射角为θ，则光栅衍射明条纹的条件为d(sinθ+sini)=kλk=0，±1，±2……式中λ为单色光波长，k是亮条纹级数。此式称为光栅方程。当平行光束垂直入射到光栅平面时，i=0，光栅方程为dsinθ=kλk=0，±1，±2……由上式可知，若光栅常数d已知，用分光计测出各级谱线的衍射角θ，就可以求出各谱线对应的光波波长。光栅衍射光谱如图2所示。图2汞灯的光栅衍射光谱实验内容一、分光计的调整1.分光计的结构：如下图3所示。图32.分光计的调节（1）目测粗调：通过调节望远镜和平行光管的倾斜度调节螺钉，载物台下的三个调节螺钉，目视观察，使它们大致垂直于旋转主轴。（2）用自准直法调整望远镜聚焦于无穷远处。如下图4所示。图4⑵叉丝像分划板视场透光窗反射像伸缩目镜筒⑶旋转目镜调节鼓轮⑴如上图4所示：点亮小灯，缓慢旋转目镜调焦轮，即调节目镜与分划板的距离，直到从目镜中观察分划板上的十字线最清楚为止，这时分划板已处于目镜的焦平面上。将平行平面镜放于载物台的中央，使镜面正对一个螺钉。转动载物台或望远镜，使望远镜光轴与平面镜镜面垂直，即可在目镜中观察到绿十字像，若像不清晰，调节物镜与分划板之间的距离，使亮十字像清晰，直到无视差为止。这时分划板也位于物镜的焦平面上。拧紧目镜筒紧固螺钉。（3）调整望远镜光轴与旋转主轴严格垂直。①放置平面镜②拨动游标盘③调节载物盘水平调节螺钉或望远镜用“各减一半”调节法使亮十字与分划板上方的十字重合，即根据亮十字与分划板上方十字的距离，调节a螺钉使亮十字像靠近分划板上方十字移近一半距离，再调6螺钉使亮十字像与分划板上方十字重合；将载物台或游标盘转1800，使平面镜另一面对准望远镜，仍用“减半”法调节使亮十字像与分划板上方十字重合；如此反复调节，直到平面镜两面反射的亮十字像都与分划板上方十字重合。如下图5所示。d调节望远镜俯仰调节螺钉图5调节载物盘水平调节螺钉d/2（4）调分划板十字线成水平、垂直状态。左右微微旋转载物台，观察亮十字像的水平线与分划板上方十字的水平线是否始终重合，若不始终重合，说明分划板方位不正。松开目镜筒紧固钉，稍微旋转目镜筒，直到左右旋转载物台时，亮十字像的水平线与分划板上方十字的水平线是否始终重合为止。拧紧目镜筒紧固钉。（5）调整平行光管。①打开汞灯，使望远镜对准平行光管，松开狭缝紧固螺钉，前后移动狭缝装置，使狭缝像最清晰，此时狭缝已处于平行光管透镜组的焦平面上。②.转动狭缝成水平状态，调平行光管倾斜调节螺钉，使狭缝的中心线与分划板中间十字的水平线重合，在转动狭缝为竖直方向，调平行光管水平调节螺钉或转动望远镜，使狭缝的中心线与分划板垂直线重合。③调狭缝宽度为1mm左右，拧紧狭缝装置紧固螺钉。至此，分光计已调整到正常使用状态。如下页图6所示。图6松开狭缝锁紧螺钉前后移动狭缝①转动狭缝调节狭缝垂直调节平行光管俯仰调节螺钉②③狭缝锁紧螺钉俯仰调节螺钉调节狭缝宽度并锁住锁紧螺钉二、用三棱镜测玻璃的折射率1.测三棱镜的顶角顶角的测量方法有反射法和自准法，本实验用反射法，其光路如下图7所示。将三棱镜置于载物台上，顶角α对准平行光管。调游标盘左（A)、右(B)游标位于平行光管左右两侧。拧紧游标盘、载物台及刻度环紧固螺钉，松开望远镜紧固螺钉。点亮汞灯，由平行光管出射的平行光照在三棱镜的两光学表面上，分别测出两反射光的角位置θA+、θB+；θA-、θB-，则有φA=θA+-θA-，φB=θB+-θB-φ=（φA+φB）/2由图中的几何关系，可以证明φ=2α故α=φ/2=（φA+φB）/42.测最小偏向角δmin汞灯发出的谱线在可见光范围有紫、蓝、绿、黄等数条，因三棱镜对不同波长的光折射率不同，所以最小偏向角也不同。如图8所示，将三棱镜放于载物台上，使AC面的法线与平行光光轴约成60°角，1.平行光管2.载物台3.三棱镜4.望远镜即ｉ≈60°，旋转望远镜图7反射法测量棱镜的顶角至图示位置附近就可以观察到一条条单色的谱线，这就是棱镜光谱。这里只测量棱镜对绿光的折射率。测量方法如下：松开载物台紧固螺钉,如图示箭头方向缓慢转动载物台,使ｉ减小，偏向角δ也随之减小，这时谱线向左移动，用望远镜跟踪绿谱线移动，继续顺时针旋转载物台，可看到谱线移至某一位置后将反向移动，谱线移动方向发生逆转时的偏向角就是最小偏向角。测出谱线移动方向发生逆转时的角位置θA和θB。然后从载物台上取下三棱镜，转动望远镜，对准平行光管，使分划板上黑十字的垂直线与狭缝像的中心线重合，测出角位置θA0和θB0，则δAm=θA0-θA，δBm=θB0-θBδmin=（δAm+δBm）/2三、用衍射光栅测光波波长1.光栅的调整在测量之前，按教材要求调整光栅，使平行光管产生的平行光垂直照射于光栅平面，且光栅的刻痕与分光计旋转主1.平行光管2.载物台3.三棱镜4.望远镜轴平行。图8最小偏向角的测量60°2.测量谱线的衍射角调节狭逢宽度适中，使汞光谱中的两条黄谱线能分开。先将望远镜转至右侧，测量k=+1级各谱线的角位置θA+1和θB+1，然后将望远镜转至左侧，测量k=-1级各谱线的角位置θA-1和θB-1。则各谱线的衍射角为θ=（θA-1-θA+1+θB+1-θB-1）/4测量时，从最右端的黄2光开始，依次测黄1光、绿光……，直到最左端的黄光。绿光重复测量三次。数据处理一、用三棱镜测玻璃的折射率1.实验数据记录到教材所列数据表格2.计算三棱镜的顶角3.计算三棱镜对绿光的最小偏向角δmin和折射率n二、用衍射光栅测光波波长实验数据记录到教材所列数据表格并按表格要求进行数据处理.其中谱线级数K=±1，光栅常数d=1/3000cm。若已知分光计的仪器额定误差为1′=2.91×10-4弧度，d值的相对误差为0.1﹪，根据dsinθ=kλ推导相对误差Eλ=△λ/λ的表示式，并求出测量绿光波长的相对误差，说明误差的性质。注意事项1.不要用手触摸光学元件的光学表面。2.分光计上的各个螺钉在未搞清其作用前，不要随意扭动。3.不要用小灯管转动望远镜。4.汞灯的紫外光较强，不可直视，以免损伤眼睛。5.光栅是较精密的光学元，必须轻拿轻放.6.测量衍射角θ时，为使望远镜中十字叉丝竖线瞄准各谱线，必须使用望远镜微调螺钉。测量时，要防止其它光源干扰。思考题一、用三棱镜测玻璃的折射率1.在调整望远镜时,为什么要消除视差？2.试画出自准法测量三棱镜顶角的光路图，说明其测量方法。二、用衍射光栅测光波波长为什么要调整光栅平面与平行光管光轴相垂直?如果不垂直,能够测定谱线的波长吗?说明理由。