分光计的调节与光栅衍射

物理实验报告一、【实验名称】分光计的调节与使用及光栅的衍射二、【实验目的】1、掌握分光计的调整技术和技巧；2、用分光计测三棱镜的一个顶角；3、进一步熟悉分光计的调整与使用；4、学习利用衍射光栅测定光波波长及光栅常数的原理和方法；5、加深理解光栅衍射公式及其成立条件。三、【实验原理】1、分光计的调节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：望远镜微调螺丝15：转轴与度盘止动螺丝16：望远镜止动螺丝17：制动架（一）18：底座19：转座20、21：度盘、游标盘22：游标盘微调螺丝23：游标盘止动螺丝24：准直管光轴水平调节螺丝25：准直管光轴高低调节螺丝26：狭缝宽度调节手轮图1分光计的结构分光计是精确测定光线偏转角的仪器，也称测角仪。光学中的许多基本量如波长、折射率等都可以直接或间接地表现为光线的偏转角，因而利用它可测量波长、折射率，此外还能精确地测量光学平面间的夹角。许多光学仪器（棱镜光谱仪、光栅光谱仪、分光光度计、单色仪等）的基本结构也是以它为基础的，所以分光计是光学实验中的基本仪器之一。使用分光计时必须经过一系列精细调整才能得到准确的结果，它的调整技术是光学实验中的基本技术之一，必须正确掌握。（1）分光计的结构分光计主要由底座、平行光管、望远镜、载物台和读数圆盘五部分组成。外形如图1所示。1）底座——中心有一竖轴，望远镜和读数圆盘可绕该轴转动，该轴也称为仪器的公共轴或主轴。2）平行光管——是产生平行光的装置，管的一端装一会聚透镜，另一端是带有狭缝的圆筒，狭缝宽度可以根据需要调节。3）望远镜——观测用，由目镜系统和物镜组成，为了调节和测量，物镜和目镜之间还装有分划板，它们分别置于内管、外管和中管内，三个管彼此可以互相移动，也可以用螺钉固定，如图19-2所示。在中管的分划板下方紧贴一块45o全反射小棱镜，棱镜与分划板的粘贴部分涂成黑色，仅留一个绿色的小十字窗口。光线从小棱镜的另一直角边入射，从45o反射面反射到分划板上，透光部分便形成一个在分划板上的明亮的十字窗。图19-24）载物台——放平面镜、棱镜等光学元件用，台面下的三个螺钉可调节台面的倾斜角度，平台的高度可悬松螺钉（7）升降，调到合适位置再锁紧螺钉。5）读数圆盘——是读数装置，由可绕仪器公共轴转动的刻度盘和游标盘组成。度盘上刻有720等分刻线，格值为30′。在游标盘对称方向设有两个角游标，这时因为读数时，要读出两个游标处的读数值，然后取平均值，这样可消除刻度盘和游标盘的圆心与仪器主轴的轴心不重合所引起的偏心误差。读数方法与游标卡尺相似，这里读出的是角度。读数时以角游标零线为准，读出刻度盘上的度值，再找游标上与刻度盘上刚好重合的刻线为所求的分值，如果游标零线落在半度刻线之外，则读数应加上30′。（2）分光计的调整原理和方法调整分光计，最后要达到下列要求：平行光管发出平行光；望远镜对平行光聚焦（即接收平行光）；望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴。分光计调整的关键是调好望远镜，其他的调整可以以望远镜为标准。1）调整望远镜①目镜调焦这是为了使眼睛通过目镜能清楚地看到如图19-3所示分划板上的刻线。调焦方法使把目镜调焦手轮轻轻旋出，或悬进，从目镜中观看，直到分划板刻线清晰为止。②调望远镜对平行光聚焦这是要将分划板调到物镜焦平面上，调整方法是：(a)把目镜照明，将双面平面镜放到载物台上。为了便于调节，平面镜和载物台下三个调节螺钉的相对位置如图19-4所示。图19-3图19-4(b)粗调望远镜光轴与镜面垂直——用眼睛估测一下，把望远镜调成水平，再调载物台螺钉，使镜面大致与望远镜垂直。（c）观察与调节镜面反射像——固定望远镜，双手转动游标盘，于是载物台跟着一起转动。转到平面镜正好对着望远镜时，在目镜中应看到一个绿色亮十字随着镜面转动而动，这就是镜面反射像，如果像有些模糊，只要沿轴向移动目镜筒，直到像清晰，再旋紧螺钉，则望远镜已对平行光聚焦。③调整望远镜光轴垂直仪器主轴当镜面与望远镜光轴垂直时，它的反射像应落在目镜分划板上与下方十字窗对称的上十字线中心，如图19-3所示。平面镜绕轴转180o后，如果另一镜面的反射像也落在此处，这表明镜面平行仪器主轴。当然，此时与镜面垂直的望远镜主轴也垂直仪器主轴。在调整过程中出现的某些现象是何原因？调整什么？应如何调整？这些都是在实验中需要特别注意的。例如，是调载物台？还是调望远镜？调到什么程度？下面举例说明：（a）载物台倾角没调好的表现及调整假设望远镜光轴已垂直仪器主轴，但载物台倾角没调好，如图19-4所示。平面镜A面反射光偏上，载物台转180o后，B面反射光偏下。在目镜中看到的现象是A面反射像在B面反射像的上方。显然，调整方法是把B面像（或A面像）向上或（向下）调到两像点距离的一半，使镜面A和B的像落在分划板上同一高度。（b）望远镜光轴没调好的表现及调整假设载物台已调好，但望远镜光轴不垂直仪器主轴，如图19-5所示。在图（a）中，无论平面镜A面还是B面，反射光都偏上，反射像落在分划板上十字线的上方。在图（b）中，镜面反射光都偏下，反射像都落在上十字线的下方。显然，调整方法是只要调整望远镜仰角调节螺钉（12），把像调到上十字线上即可，见图（c）。（c）载物台和望远镜光轴都没调好的表现及调整表现是两镜面反射像一上一下。先调载物台螺钉，使两镜面反射像像点等高（但像点没落在上十字线上），再把像调到上十字线上2）调整平行光管发出平行光并垂直仪器主轴将被照明的狭缝调到平行光管物镜焦平面上，物镜将出射平行光。调整方法是：取下平面镜和目镜照明光源，狭缝对准前方水银灯光源，使望远镜转向平行光管方向，在目镜中观察狭缝像，沿轴向移动狭缝筒，直到像清晰，这表明光管已发出平行光。再将狭缝转向横向，调螺钉（25），将像调到中心横线上，如图19-6所示。这表明平行光管光轴已与望远镜光轴共线，所以也垂直仪器主轴。螺钉（25）不能再动。再将狭缝调成垂直，锁紧螺钉.衍射光栅简称光栅，是利用多缝衍射原理使光发生色散的一种光学元件。它实际上是一组数目极多、平行等距、紧密排列的等宽狭缝，通常分为透射光栅和平面反射光栅。透射光栅是用金刚石刻刀在平面玻璃上刻许多平行线制成的，被刻划的线是光栅中不透光的间隙。而平面反射光栅则是在磨光的硬质合金上刻许多平行线。实验室中通常使用的光栅是由上述原刻光栅复制而成的，一般每毫米约250~600条线。由于光栅衍射条纹狭窄细锐，分辨本领比棱镜高，所以常用光栅作摄谱仪、单色仪等光学仪器的分光元件，用来测定谱线波长、研究光谱的结构和强度等。另外，光栅还应用于光学计量、光通信及信息处理。2．测定光栅常数和光波波长光栅上的刻痕起着不透光的作用，当一束单色光垂直照射在光栅上时，各狭缝的光线因衍射而向各方向传播，经透镜会聚相互产生干涉，并在透镜的焦平面上形成一系列明暗条纹。如图1所示，设光栅常数d=AB的光栅G，有一束平行光与光栅的法线成i角的方向，入射到光栅上产生衍射。从B点作BC垂直于入射光CA，再作BD垂直于衍射光AD，AD与光栅法线所成的夹角为。如果在这方向上由于光振动的加强而在F处产生了一个明条纹，其光程差CA+AD必等于波长的整数倍，即：sinsindim（1）式中，为入射光的波长。当入射光和衍射光都在光栅法线同侧时，（1）式括号内取正号，在光栅法线两侧时，（1）式括号内取负号。如果入射光垂直入射到光栅上，即i=0，则（1）式变成：sinmdm（2）这里，m=0，±1，±2，±3，…，m为衍射级次，m第m级谱线的衍射角。图3衍射光谱的偏向角示意图图4光栅衍射光谱四、【仪器用具】图2光栅的衍射平行光望远镜物镜黄绿紫黄绿紫中央明纹1.分光计在本实验的各项任务中，为实现平行光入射并测准光线方叫位角，分光计的调整应满足:望远镜适合于观察平行光，平行光管发出平行光，并且二者的光轴都垂直于分光计主轴。2.光栅如前所述，光栅上有许多平行的，等距离的刻线。在本实验中应使光栅刻线与分光计主轴平行。如果光栅刻线不平行于分光计主轴，将会发现衍射光谱是倾斜的并且倾斜方向垂直于光栅刻痕的方向不平行于分光计方向，但谱线本身仍平行于狭缝。显然这会影响测量结果。通过调整小平台，可使光栅刻痕平行于分光计主轴。为调节方便,放置光栅时应使光栅平面垂直于小平台的两个调水平螺钉的连线。3.水银灯1．水银灯谱线的波长颜色紫绿黄红404.7491.6577.0607.3407.8546.1579.1612.3波长/nm410.8623.4433.9690.7434.8435.82.水银灯光谱图汞灯的多级衍射光谱3.使用水银灯注意事项l)水银灯在使用中必须与扼流圈串接，不能直接接220V电源，否则要烧毁。2)水银灯在使用过程中不要频繁启闭，否则会降低其寿命。3)水银灯的紫外线很强，不可直视。五、【实验内容】1.分光计的调节。参照实验原理1-（2）分光计的调整原理和方法用平面镜调整分光计，这里不再赘述2.在光线垂直入射的情形下，即i=0时，测定光栅常数和光波波长。①调整光栅平面与平行光管的光轴垂直。平行光垂直入射于光栅平面，这是式(2)成立的条件，因此应做仔细调节，使该项要求得到满足。调节方法是:先将望远镜的竖叉丝对准零级谱线的中心，从刻度盘读出入射光的方位(注意:零级谱线很强，长时间观察会伤害眼睛，观察时必须在狭缝前加一两层白纸以减弱其光强)。再测出同一m级左右两侧一对衍射谱线的方位角，分别计算出它们与入射光的夹角，如果二者之差不超过a＇角度，就可认为是垂直入射。光栅G在小平台上的位置光栅调节示意图②测定m。光线垂直于光栅平面入射时，对于同一波长的光，对应于同一m级左右两侧的衍射角是相等的。为了提高精度，一般是测量零级左右两侧各对应级次的衍射线的夹角2m，如图所示。测量时应注意消除圆度盘的偏心差。③求d及。已知水银灯绿线的波长546.1nm，由测得的绿线衍射角m求出光栅常数d。六、【数据处理】已知水银灯绿线的波长546.1nm衍射光谱级次（K）-11-22左侧衍射光方位左121°23’140°13’113°52’150°27’右侧衍射光方位右301°34’320°23’293°02’330°08’左左左mmm-218°50’36°35’右右右mmm-218°49’37°06’）右左mmm22(2/218°50’36°51’mm2/29°25’18°26’由式（2）sinmdm平行光管光栅望远镜abc得mmdsin一级光栅常数d1=3337.7557nm二级光栅常数d2=3454.1318nm七、【附上原始数据】