分光计的调节和使用

分光计的调节和使用分光计是一种精确测量入射光和出射光之间偏转角度的光学仪器，几何光学实验中用来测量棱镜角、光束偏向角等；物理光学实验中可用来测量折射率、光波波长、色散率等物理量。光学测量仪器一般比较精密，使用时必须严格按规则调整。一、实验目的1．了解分光计构造的基本原理，学会分光计的调节方法。2．学习用反射法测量三棱镜的顶角。3．学习用最小偏向角法测量玻璃的折射率。二、实验原理1.分光计的结构及调节原理要精确测量入射光与出射光之间的偏转角，必须使入射光与出射光均为平行光，且入射光和出射光的方向及反射面(折射面)的法线都与分光计的读数盘平行。为此，分光计上装有产生平行光的平行光管，接收平行光的望远镜，放置光学器件(如三棱镜、平面镜、光栅等)的载物台，这三者的方位都可利用各自调节螺丝作适当的调整。为了测量角度，分光计还配有与望远镜固定在一起的读数装置。下面以JJY型分光计为例(如图6.28所示)，介绍分光计的调节原理。（1）平行光管平行光管用来产生平行光束。管的一端装有消色差透镜，另一端内插入一个套筒，套筒末端有一条可调狭缝。旋转螺丝(26)可调节狭缝宽度。伸缩套筒可改变狭缝至透镜之间距离。当其距离等于透镜的焦距时(即狭缝位于物镜焦平面时)，可使照在狭缝上的光经过透镜后成为平行光射出。螺丝(25)可调节平行光管的俯仰倾斜程度。（2）望远镜望远镜是用来观察平行光的。分光计采用的是自准直望远镜(阿贝式)。它是由目镜、叉丝分1.狭缝；2.狭缝锁紧螺丝；3.平行光管；4.止动架；5.载物台；6.载物台调节螺丝；7.载物台和游标盘间锁紧螺丝；8.望远镜；9.目镜筒锁紧螺丝；10.阿贝式自准目镜；11.目镜调焦手轮；12.望远镜倾斜调节螺丝；13.望远镜左右偏斜度调节螺丝；14.望远镜微动螺丝；15.望远镜和度盘间锁紧螺丝；16.望远镜止动螺丝（另侧）；17.止动架；18.底座；19.转座；20.刻度盘；21.游标盘；22.游标盘微动螺丝；23.游标盘止动螺丝；24.平行光管光轴左右偏斜度调节螺丝；25.平行光管倾斜调节螺丝；26.狭缝宽度调节螺丝图6.28JJY型分光计结构图αϕ图6.31自准法测顶角划板和物镜三部分组成，分别装在三个套筒中，这三个套筒一个比一个大，彼此可以互相滑动，以便调节聚焦。如图6.29所示。中间的一个套筒装有一块圆形分划板，分划板面刻有“”形叉丝，分划板的下方紧贴着装有一块45°全反射小棱镜，在与分划板相贴的小棱镜的直角面上，刻有一个“+”形透光的叉丝。在望远镜看到的“+”像就是这个叉丝(物)的像。叉丝套筒上正对着小棱镜的另一个直角面处开有小孔并装一小灯，小灯的光进入小孔经全反射小棱镜反射后，沿望远镜光轴方向照亮分划板，以便于调节和观测。（3）载物台载物台是用来放置待测件(如平面镜、棱镜、光栅等)的平台。平台下方有呈正三角形分布的三个调平螺丝(6)，它们可用来调节平台使之与中心轴垂直。旋松滚花螺母，可以调节平台的高度。（4）读数装置分光计的刻度盘垂直于分光计主轴且可绕主轴转动。为消除偏心差，采用两个相差180˚的窗口读数。刻度圆盘为360°(720个刻度)，最小刻度为30′，小于30′则利用游标读数。游标上刻有30个小格，游标每一小格对应角度为1′。角度游标读数的方法与游标卡尺的读数方法相似，读数时，应先读游标零刻度线指示位置A，再找游标上与度盘重合的刻线并由游标上读出B值，此二值之和即为该位置所处的角度值，即θ=A+B。例如，图6.30所示的位置，其读数为：θ=A+B=116°12′在使用分光计时应注意以下几点。①在计算望远镜转过角度时，要注意望远镜是否经过了刻度盘零点。当读数增加或减小而转过零点时，读取的那个刻度值应加上360°。例如，当望远镜由位置I转到位置II时，测得的数据如下表所示：望远镜的位置III左游标175°45′(θ左)295°43′(θ′左)右游标335°45′(θ右)115°43′(θ′右)由表中的数据可见，左游标未经过零点，望远镜转过的角度为φ＝θ′左－θ左＝295°43′－175°45′＝19°58′而右游标经过了零点，这时应按如下计算，望远镜转过的角度为φ＝(θ′右＋360°)－θ右＝(115°43′＋360°)－335°45′＝19°58′②不能用手触摸仪器的光学面(如平面镜、三棱镜、光栅等光学面)，以免污损；若有污物或灰尘，应请老师用专用擦镜纸或其它专用工具清洁。③分光仪的调节螺丝甚多，进行调整前，应先弄清各螺丝的作用和位置。使用时要轻旋缓动。图6.29自准望远镜的结构1101201300102030B（游标）A（度盘）A=116°B=12′θ=A+B=116°12′图6.30游标盘读数示例图6.32平行光法测顶角2.三棱镜顶角的测量原理（1）自准法测三棱镜顶角如图6.31所示，只需测出三棱镜的两个光学面的法线之间的夹角φ，即可求得顶角α＝180°－φ（2）平行光法测三棱镜等角如图6.32所示，由平行光管射出的平行光照在三棱镜顶角上，经两反射面反射后，只要测出两反射光束之间的夹角φ，即可求得三棱镜顶角α＝φ/2。3.玻璃折射率的测量折射率是物质的重要光学常数。光通过透明物质(固体、液体或气体)时，会在不同物质的分界面处发生反射和折射。日光通过棱镜要发生色散现象，分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等彩色光。从物质发光本质知道，光的频率由发光体所决定，数值恒定不变，与光传播时所通过的物质无关，而光速和波长则与光通过的物质本身性质有关。物质的折射率n等于光在真空中的传播速度c和在物质中的传播速度u的比值，即n=c/u。色散就是因为不同频率的光在棱镜中的传播速度不同、折射率不同，导致复色光按不同的折射角偏转。用分光计准确测量有关角度，就可以确定物质对各色光的折射率。如图6.33所示，入射光线AB与出射光线CD之间的夹角称为偏向角。对一定的三棱镜，偏向角δ随入射角的变化而变化。当入射角为某一特定值时，偏向角δ为最小，该偏向角称为最小偏向角，记为δmin。根据折射定律可求出三棱镜的折射率n与最小偏向角δmin的关系为⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=2sin2sinminαδαn(2)可见，只要测出三棱镜的顶角α和某波长光线的最小偏向角δmin，就可算出三棱镜对该波长的折射率n。三、实验仪器分光计及其附件、Hg灯、三棱镜、平面反射镜等。四、实验内容（一）分光计的调节1．分光计的调节要求分光计要作精密测量，它必须首先满足下述两个要求：（1）入射光和出射光应当是平行光。（2）入射光和出射光的方向以及反射面和出射面的法线都与分光计的刻度盘平行。为达此目的，对分光计的调节要求是：（1）望远镜聚焦于无穷远。（2）望远镜光轴与分光计中心轴垂直。（3）平行光管发射平行光，且其光轴也与分光计中心轴垂直。2．分光计的调节顺序（1）目测粗调从侧面用眼睛观察，调节望远镜光轴和平行光管光轴等高共轴，并调节载物台平面(调三个调平螺丝等高)，使望远镜、平行光管、载物台三者大致均垂直于分光仪中心旋转轴。图6.33光经三棱镜的光路（2）调望远镜聚焦于无穷远①调节目镜与分划板间的距离，从目镜中能观察到“”形叉丝清晰。②将平面反射镜按如图6.34(a)或(b)所示置于载物台上，旋转载物台，从望远镜中寻找平面镜反射回来的“+”像。若找不到反射像，应重新粗调。③调节望远镜物镜与分化板间的距离，使得分划板为物镜焦平面(使“+”在分划板上成像清晰)：松开叉丝筒制动螺丝(9)，伸缩叉丝筒，直至分划板上经平面镜反射回来的“+”像清晰，且无视差。如有视差(所谓视差，就是在叉丝清晰时在不同的位置看，其位置不同)，应反复调节，予以消除。至此，望远镜已聚焦无穷远处了，即能接收和检验平行光了。这种调节方法称为“自准法”。（3）调节望远镜光轴与分光仪中心轴垂直在上述调节的基础上，将小“+”字像先调到分划板叉丝竖线上，如图6.35所示。此时，如果“+”像与分划板最上面的一条水平线相差一段距离，则调节“望远镜倾角螺丝”(12)，使此距离减小一半，再调载物台倾角螺丝(6)，消除另一半差距，使“+”像与上方的水平线重合(不是中间的那条水平线)。将载物台旋转180°，使平面镜的另一面对准望远镜，再用此法进行调节，也使“+”像与上方的水平线重合。经过几次反复调节后，在仅转动载物台的情况下，使望远镜先后对着平面镜的两面，都能看到“＋”像与分划板上部的叉丝线重合，则望远镜的光轴即垂直分光计的中心轴了。（4）调节平行光管发射平行光，且其光轴垂直于分光计的中心轴①打开光源开关，从载物台上拿下平面镜，使光源均匀照亮狭缝，转动望远镜，使望远镜正对平行光管。②通过望远镜观察，调节螺丝(25)，使缝宽约为0.3mm。③松开狭缝紧固螺丝(2)，旋转狭缝，使在望远镜中看到的狭缝像呈现“水平”状态，并前后缓缓移动狭缝，改变狭缝至平行光管物镜间的距离，使狭缝在望远镜视场中成像清晰。④微调螺丝(25)，使“水平狭缝像”与望远镜“”形叉丝下交点重合。注意：此时只能调节平行光管，而不能调节望远镜。⑤将狭缝转90°，使之竖直。已调好的望远镜及平行光管均不应再去调动它，只有载物台上的螺丝还可调节。（二）用平行光法测量三棱镜的顶角（1）将三棱镜按图6.36所示放在载物台上，待测顶角应放在靠近载物台中心，然后旋转载物台，使三棱镜的一个面正对望远镜，调节载物台螺丝，将“＋”形叉丝直接调至“”形叉丝上交点重合(注意：此时望远镜已调好，不能再调！)。再旋转载物台，使三棱镜的另一个面正对望远镜，重复上述步骤，直两个反射面都能达到自准。（2）转动载物台，将调节好的三棱镜待测顶角正对平行光管，如图6.32所示，则平行光管射出的光束照在三棱镜的两个反射面上。拧紧螺丝(7)，使载物台不能再转动。1.平面镜2.调水平螺丝图6.34平面镜的放置图6.36三棱镜的放置(a)(b)(c)图6.35各半调节示意图（3）旋转望远镜至三棱镜的其中一个反射面，使望远镜中竖直叉丝与狭缝像重合，从两个读数窗口中读出角度φ左和φ右；再将望远镜旋转至另一反射面，使望远镜中竖直叉丝与狭缝像重合，再从两个读数窗口中读出角度φ′左和φ′右。（三）用分光计测量玻璃的折射率（1）平行光管狭缝对准前方水银灯光源。（2）旋松望远镜止动螺丝和游标盘止动螺丝，把载物台及望远镜转至适当的位置，再左右微微转动望远镜，找出棱镜出射的各种颜色的水银灯光谱线(各种波长的狭缝像)。（3）轻轻转动载物台(改变入射角)，在望远镜中将看到谱线跟着动。改变入射角，使谱线向待测顶角方向移动。望远镜要跟踪光谱线转动，直到棱镜转动时，谱线开始要反向移动(即偏向角反而变大)为止。此反向移动的转变位置，就是光线以最小偏向角射出的方向。固定载物台，再使望远镜微动，使其分划板上的中心竖线对准其中的那条绿谱线(546.1mm)。记下此时两游标处的读数，取下三棱镜(载物台保持不动)，转动望远镜对准平行光管，以确定入射光的方向，再记下两游标处的读数。重复测量3次。五、数据记录与处理1．平行光法测三棱镜顶角的数据记录及处理次数θ左θ右θ′左θ′右α123()右右左左θθθθϕα−′+−==/412∑==3131iiαααΔ取仪器精度，则：αααΔ±=2.最小偏向角测玻璃折射率的数据记录及处理次数游标出射光线位置入射光线位置δmin左θ=θ0=1右θ′=θ0′=左θ=θ0=2右θ′=θ0′=左θ=θ0=3右θ′=θ0′=)(21'0'0minθθθθδ−+−=∑==31minmin31iiδδ⎟⎠⎞⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=2sin2sinminαδαn七、思考题1．分光仪是用来精确测量和的光学仪器。2．叉丝不清楚(模糊)应调至叉丝之间的距离。3．十字反射像不清楚(模糊)应调分划板至望远镜之间的距离。4．狭缝的像不清楚(模糊)应调至平行光管物镜之间的距离。5．分光仪调整好后，望远镜能接收光，平行光管能出射光。望远镜光轴、平行光管光轴应与分光仪中心轴。6．为了消除刻度盘与分光仪中心轴之间的，在刻度盘同一直径的两端各装有一个游标读数窗口，分光仪角度读数按原理读取。7．在用平行光法测三棱镜顶角