北航基础学习知识物理实验研究性实验报告分光仪的调整及其应用.doc

.\ 北京航空航天大学 物理研究性实验报告 分光仪的调整及其应用 第一作者： 所在院系： 就读专业： 第二作者： 所在院系： 就读专业： .\ 目 录 目录 一.报告简介 1 二.实验原理 1 实验一.分光仪的调整 1 实验二.三棱镜顶角的测量 3 实验三.最小偏向角法测棱镜折射率 1 二．实验仪器 1 三.实验主要步骤 2 实验 1.分光仪的调整 2 1.调整方法 2 2.要求 4 实验 2.三棱镜顶角的测量 4 1.调整要求 4 2.实验操作 5 实验3.棱镜折射率的测定（最小偏向角法） 6 四.实验数据记录 6 五.数据处理 7 实验2.反射法测三棱镜顶角 7 实验3.最小偏向角法测棱镜折射率 7 六.误差分析 8 七.分析总结 8 八.实验改进 9 九.实验感想 10 十.参考文献及图片附件： 11 一.报告简介 本报告以分光仪的调整、三棱镜顶角和其折射率的测量为主要内容，先介绍了实验的基本原理与过程，而后进行了数据处理与不确定度计算。并以实验数据对误差的来源进行了分析。同时还给出了调节分光仪的经验总结与方法，并对现有实验仪器和试验方法提出了改进的意见。 二.实验原理 实验一.分光仪的调整 分光仪的结构因型号不同各有差别，但基本原理是相同的，一般都由底座、刻度读数盘、自准直望远镜、平行光管、载物平台5部分组成。 1-狭缝套筒；2-狭缝套筒紧固螺钉；3-平行光管；4-制动架；5-载物台；6-载物台调平螺钉；7-载物台锁紧螺钉；8-望远镜；9-望远镜锁紧螺钉；10-阿贝式自准直目镜；11-目镜；12-仰角螺钉；13-望远镜光轴水平螺钉；14-支臂；15-望远镜转角微调螺钉；16-读数刻度盘止动螺钉；17-制动架；18-望远镜止动螺钉；19底座；20-转座；21-读数刻度盘；22-游标盘；23-立柱；24-游标盘微调螺钉；25-游标盘止动螺钉；26-平行光管光轴水平螺钉；27-仰角螺钉；28-狭缝宽度调节螺钉； 1.三角底座 在三角底座中心，装有一个垂直的固定轴，望远镜、主刻度圆盘、游标刻度盘都可绕它旋转。这一固定轴称为分光仪的主轴。 2.刻度圆盘 圆盘上刻有角度数值的称主刻度盘，在其内侧有一游标盘，在游标盘上相对 180处刻有两个游标。主刻度盘和游标刻度盘都垂直于仪器主轴，并可绕主轴转动。 读数系统由主刻度盘和游标盘组成，沿度盘一周刻有360个大格，每格 1，每大格又分成两小格，所以每小格为 30。刻度盘内侧有一游标盘。主刻度盘可以和望远镜一起转动，游标盘可以和载物台一起转动。游标盘在它的对径方向有两个游标刻度，游标刻度的30个小格对应主刻度盘刻度的 29个小格，所以这一读数系统的准确度为 1。它的读数原理 与游标卡尺全相同。游标刻度圆盘与分光仪的中心转轴垂直（分光仪出厂时已调整好）。由于刻度圆盘的中心与中心转轴的中心制作时不能完全重合，因此在读数时会产生偏心差。 3.载物平台 载物台是用来放置平面镜、棱镜等光学元件的，它与游标盘通过螺钉 7相互锁定，拧紧螺丝 7后，载物台可和游标盘一起绕分光计的转轴转动。螺丝 25是游标盘的止动螺钉，拧紧时不能再强制转动游标盘，否则亦会损坏仪器。螺丝 24是游标盘的微调螺丝。当螺丝拧紧后，游标盘不能绕轴转动，用它可以使游标盘绕轴作微小转动。载物台下有三只调节螺丝6。可调节台面的倾斜度。 4.自准直望远镜 自准直望远镜由目镜、全反射棱镜、叉丝分划板及物镜组成。目镜装在A筒中，全反射棱镜和叉丝分划板装在 B筒内，物镜装在 C筒顶部，A 筒通过手轮可在 B筒内前后移动，B 筒可在 C 筒内移动。叉丝分划板上刻有双十字形叉丝和透光小十字刻线，并且上叉丝与小十字刻线对称于中心叉丝，全反射棱镜紧贴其上。开启光源 S 时，光线经全反射棱镜照亮小十字刻线。当小十字刻线平面处在物镜的焦平面上时，从刻线发出的光线经物镜成平行光。 如果有一平面镜将这个平行光反射回来，再经物镜，必成像与焦平面上，于是从目镜中可以同时看到叉丝和小十字刻线的反射像，并且无视差。如果望远镜光轴垂直于平面反射镜，反射像将与上叉丝重合。这种调望远镜使之适于观察平行光的方法称为自准直法，这种望远镜称为自准直望远镜。 5.平行光管 平行光管与底座固连，靠近仪器主轴的一端装有平行光管的物镜，另一端装有可调狭缝套管，前后移动套管，使狭缝处在物镜的焦平面上，于是由狭缝产生的光通过物镜后成平行光。 实验二.三棱镜顶角的测量 反射法测顶角须使入射光经 AB、AC 面反射后能 通过望远镜，而望远镜是绕主 轴旋转的，所以 AB 和 AC 面的反射平行光 必须经过主轴才能进 入望远镜。只有顶角 A 处于主轴中心 O 附近时 ，AB、AC 面的反 射光才能进入望远镜，所以测 量顶角时，应尽量将顶角 A 平移靠近主轴中心 处。 测量原理：旋转载物台至三棱镜顶角A对准 平行光管，使部分平光由 AB 面反射；另一部分 平行光由AC 面反射。当望远镜在 I 位置观察到 AB 面反射的狭缝像，在 II位置观察到 AC面反 射的狭缝像时，望远镜转过了角度γ 所以由图得 γ = A + 𝑖1 + 𝑖2 又因为 A = 𝑖1 + 𝑖2 故有 A=γ/2 实验三.最小偏向角法测棱镜折射率 将待测的光学玻璃制成三棱镜，可用最小偏向角法测其折射率n．测量原理见图，光线α代表一束单色平行光，以入射角i1投射到棱镜的AB面上，经棱镜两次折射后以i4角从另一面AC射出来，成为光线t.经棱镜两次折射，光线传播方向总的变化可用入射光线α和出射光线t延长线的夹角δ来表示，δ称为偏向角．由图1可知δ＝(i1－i2)＋(i4－i3)＝i1＋i4-A.此式表明，对于给定棱镜，其顶角A和折射率n已定，则偏向角随入射角i1而变，δ是i1的函数.用微商计算可以证明，当i1=i4或i2=i3时，即入射光线a和出射光线t对称地“站在”棱镜两旁时，偏向角有最小值，称为最小偏向角，用δm表示.此时，有i2＝A/2，i1＝(A＋δm)/2，故用分光计测出棱镜的顶角A和最小偏向角δm，可求得棱镜的折射率n。 二．实验仪器 分光仪、平面反射镜、三棱镜、钠灯、电源。 三.实验主要步骤 实验 1.分光仪的调整 1.调整方法 分光仪常用于测量入射光与出射光之间的角度，为了能够准确测量此角度，必须满足两个条件：1.入射光与出射光均为平行光；2.入射光与出射光都与刻度盘平面平行。为此必须对分光仪进行调整：使平行光管发出平行光，其光轴垂直于仪器主轴；使望远镜接受平行光，其光轴垂直于仪器主轴；须调节载物平台，使其上旋转的分光云件的光学平面平行于仪器主轴。下面介绍调整方法。 a.粗调 调节水平调节螺钉，使望远镜居支架中央，并目测调节望远镜俯仰螺钉，使光轴大致与主轴垂直，调节载物平台下方 3 只螺钉外伸部分等长，使平台平面大致与主轴垂直。这些粗 调对于望远镜光轴的顺利调整至关重要。 b.调整望远镜 望远镜调焦于无穷远 调节要求：根据自准直原理，当叉丝位于物镜焦平面时，叉丝与小十字刻线的反射像共面，即绿十字与叉丝无视差，此时望远镜只接受平行光，或称望远镜调焦于无穷远。 调节方法：在载物平台上放置平面反射镜，构成如图所示自准直光路。开启内藏照明光泡，照明透光小十字形刻线。调节目镜 A（转动目镜筒手轮 A，筒壁螺纹结构使 A筒在 B筒内前后移动），改变目镜与叉丝分划板间的距离，直至看清分划板上的 双十字形叉丝。旋转载物台，改变平面反射镜沿水平方向的方位，若平面反射镜大的镜面在俯仰方向上已大致垂直于望远镜光轴，则在选择载物台的过程中，总可以在某一位置，通过目镜看到一个绿色十字，如看不到则应视情况调节望远镜下方的俯仰螺钉或载物台下方的 b（或 c）螺钉，再一次粗调望远镜光轴大致与平面反射镜的镜面垂直。前后伸缩叉丝分划板套筒 B，改变叉丝与物镜之间的距离，直到在目镜中清晰无视差地看到一个明亮的绿色小十字为止。 调整望远镜光轴与仪器主轴垂直 调整原理：若望远镜光轴垂直于平面反射镜镜面，且平面镜镜面平行于仪器主轴，则望远镜光轴必垂直于仪器主轴。此时若将载物台绕仪器主轴转 180，使平面镜的另一面对准望远镜，望远镜仍将垂直于平面镜。若望远镜光轴开始时垂直于平面镜，但不垂直于主轴，亦即平面镜镜面不平行于主轴，则将平面镜 反转 180后，望远镜光轴不再垂直于平面镜镜面。由光路成像原理可知，当望远镜光轴垂直于平面镜镜面时，反射像绿十字与上叉丝重合。若同时有平面镜镜面平行于仪器主轴，则平面镜反转 180后，仍有望远镜光轴与平面镜垂 直，绿十字仍与上叉丝重合。此时必有望远镜光轴垂直于主轴。若平面镜镜面不平行于仪器 主轴，则平面镜反转 180后，绿十字与上叉丝将不再重合。 调整方法：在望远镜调焦于无穷远的基础上，观察绿色小十字，一般它会偏离上叉丝，调节 载物台调平螺钉 b 或 c，使绿色小十字向上叉丝移近 1/2 的偏离距离，再调节望远镜俯仰调 节螺钉，使绿色小十字与上叉丝重合，这时，望远镜光轴与平面镜镜面垂直。将平面镜反转180，重复调节载物台调平螺钉 b 或 c，并调节望远镜俯仰调节螺钉，使绿色小十字各自消除 1/2 与上叉丝的偏离量，再次使望远镜光轴与平面镜镜面垂直。如此重复几次，直至平面镜绕主轴旋转 180，绿色小十字始终都落在上叉丝中心为止。这种方法被称为半调法。 调整叉丝分划板的纵丝与主轴平行 分划板的上叉丝与纵丝是相互垂直的。当纵丝与主轴不平行时，绕主轴转动望远镜，在望远镜视场中，会看到绿色小十字的运动轨迹与上叉丝相交。只要微微转动镜筒 B，达到绿色小十字的运动轨迹与上叉丝重合，叉丝方向就调好了。 c.平行光管的调整 使平行光管产生平行光 当被光所照明的狭缝刚好位于透镜的焦平面上时，平行光管出射平行光。调整方法：将已调节好的望远镜对准平行光管，拧动狭缝宽度调节手轮，打开狭缝，松开狭缝套筒锁紧螺钉，前后移动狭缝套筒，当在已调焦无穷远的望远镜目镜中无视差地看到边缘清晰的狭缝像时，平行光管即发出平行光。 调平行光管光轴与仪器主轴垂直 望远镜光轴已垂直主轴，若平行光管与其共轴，则平行光管光轴同样垂直主轴。调整方法：旋转玩观景至观察到狭缝像，调整平行光管俯仰调节螺钉，使狭缝像的中点与中心叉丝重合（中心叉丝与狭缝中点都可视为望远镜与平行光管光轴所垂直通过的地方） ;或将狭缝横放，调平行光管俯仰调节螺钉至狭缝的固定边与中心叉丝重合。 2.要求 1.平面镜反射回来的绿十字与叉丝无视差。 2.平面镜正、反两面反射回来的绿十字均与上叉丝重合，且转动平台过程中绿十字沿上叉丝移动。 3.狭缝像与叉丝无视差，且中点与中心叉丝等高。 实验 2.三棱镜顶角的测量 1.调整要求 如图所示，欲测三棱镜顶角，必须使望远镜的光轴旋 转平面垂直于待测顶角 A 的两光学平面 AB 面和 AC 面，即望远镜分别对准 AB 面和 AC面时均应有绿色十字与上叉丝重合。如图所示， 逆时针方向称三棱镜的三个顶角为 A、B、C，AB、AC 构成待测顶角 A的光学面，BC 为磨砂面。放置时，令三棱镜的 AB(BC，AC)边平行于载物台上的经线 Oa（Ob、Oc）。这样一来，在调节 Oa（Oc）线下的调平螺钉 a(c)时，整个棱镜将以 bc（ba）为轴转动， 由于 AB(AC)面与 bc(ba)垂直，故不会影响 AB(AC)面与仪器主轴的相对关系。 调三棱镜的 AB 面和 AC 面与望远镜光轴垂直 先用自准直法调 AB 面与望远镜光轴垂直，如不垂直，可调节调平螺钉 b 或 c；再转动 载物台将 AC 面转向望远镜，此时可且只可调节调平螺钉 a，使 AC 面与望远镜光轴垂直，因 为调 a 不会破环已调好的 AB 面与望远镜光轴的垂直关系。最后将三棱镜放置于载物台上，使待测顶角 A 靠近中心，并使其一个光学面与载物台上的某根经线平行，用压杆固定好棱 镜。将望远镜对准三棱镜某光学平面，调节与另一光学平面平行的载物台经线螺钉，使绿色 十字与上叉重合。同理再调整另一光学平面。调节过程中应注意，三棱镜的放置与调平螺钉的调节，要遵循调整第二面的方位时不致改变第一面的方位的原则。 2.实验操作 1.调整三棱镜 将三棱镜放置于载物台上，使带测顶角 A 靠近中心，并使其一个光学面与载物台上的某根径线平行，用压杆固定好棱镜。将望远镜对准三棱镜某光学平面，调节与另一光学平面 平行的载物台径线下螺钉，使绿色十字与上叉丝重合。同理再调整另一光学平面。 注：不需使用半调法，因为望远镜已垂直于分光仪轴线。 2.用反射法或自准直法则测棱镜顶角 为了准确测量三棱镜顶角，除了严格调整分光仪和三棱镜之外，尚须准确读取数据和掌握正确的读数测量方法。 实验3.棱镜折射率的测定（最小偏向角法） 实验操作 旋转载物台，使平行光入射三棱镜的 AB 面，用望远镜在 AC 面观察折射光线，之后沿某方向缓慢转动平台，可看到谱线随平台转动向同一个方向移动，当移到某个位置时突然向 反方向折回，这一转折位置即该谱线的最小偏向位置。测量此位置处谱线与入射光线的夹角，此即最小偏向角δmin。 四.实验数据记录 实验2.反射法测三棱镜顶角 α1 β1 α2 β2 1 8030′ 26029′ 20030′ 2031′+360 2 16605′ 34605′ 28605′ 10606′+360 3 25434′ 7436′ 1435′+360 19435′ 4 1000′ 19001′ 12958′ 31000′ 5 31641′ 13639′ 7635′+360 25641′ 实验3.最小偏向角法测棱镜折射率 α1 β1 α2 β2 1 3623′ 21624′ 8823′ 26821′ 2 8546′ 26548′ 13746′ 31746′ 3 15717′ 33717′ 20915′ 2917′ 4 22627′ 4623′ 27822′ 9826′ 5 29333′ 11327′ 34530′ 16530′ 五.数据处理 实验2.反射法测三棱镜顶角 由γ=1/2(γ1+γ2)=1/2[(α2-α1)+( β2-β1)] A=1/2γ 可得： A1 A2 A3 A4 A5 `A 60.008 60.004 60.000 59.987 59.983 59.996 计算不确定度： Ua(A)=(Ai-`A )2k(k-1)=0.00487 Ub(A)=11603=0.009622 所以有：U(A)=Ua(A)2+Ub(A)2=0.01 所以最后结果： AU(A)=60.000.01 U(A)A=0.0160.00100%=0.02% 实验3.最小偏向角法测棱镜折射率 ∆min=12(α2-α1)+( β2-β1) ∆min1 ∆min2 ∆min3 ∆min4 ∆min5 `∆min 51.975 51.983 51.983 51.983 52.000 51.985 n1=sin∆mini+A2sinA2=sin51.985+602sin302=1.6579 Ua(∆min)=(∆mini-`∆min)2k(k-1)=0.0041 Ub(∆min)= Ub(A)=11603=0.009622 所以U（△min）=Ua(∆min)2+Ub(∆min)2=0.01 Un1=（∂n1∂∆min）2U(∆min)2+(∂n1∂A)2UA2 =12cos12∆min+AsinA22U(∆min)2+12cos12∆min+AsinA2-12cosA2sin∆min+A2(sinA2)22UA2 =0.5620.000172+(-0.88)20.000172=0.0002 最后结果为：n1+Un1=1.65790.0002 Un1n1=0.00021.6579100％=0.012％ 六.误差分析 1.要求望远镜与刻度盘在转动过程中不能出现任何偏差，但微小滑动是不可避免的。 2.为了能看清纵丝，则狭缝宽度不能太小，这样在测量时不能确保纵丝恰好与狭缝重合。 3.由于游标盘的测量原理，读数时判断主尺与游标刻度的重合也会产生误差。 4.在找最小偏向角时，不能准确找出谱线刚好折回的一刻。 七.分析总结 在选做1071实验之前，就听同学说过，分光仪很难调而且预约实验又没有选上，所以在做实验之前一直都是忐忑的。为了提前了解本次试验，我首先阅读了《基础物理实验》课本上面有关分光仪的调整及其应用的部分，之后仔细的将预习报告写下来。在写预习报告过程中，因为是自己手写，所以对实验的过程有了更深刻的认识。最后我在优酷网上找到了分光仪的调整的视频，并看了很多次。我个人觉得看视频的作用特别的大，因为不但有对调整过程详细的讲解，还能真实的看到调节过程以及望远镜中的现象，弥补了没有提前做预约实验的过失。 在做本次实验过程中，觉得测三棱镜的顶角和折射率比较简单，困难的反而是分光仪的调整部分。而在分光仪的调整中，最难以掌握的就是望远镜光轴与分光仪主轴垂直的调节。在实验过程中，出现最多的问题就是很多同学一开始就在望远镜中寻找绿色十字，历经千辛万苦终于找到之后，转过 180o 后却发现绿色十字又不见了。甚至有的同学在实验结束时还是没有找到绿十字。造成这个困难的原因是，本实验采用了半调法来调整望远镜光轴与仪器主轴垂直。由于仪器构造方面的限制，分光计中望远镜的视域很小，若平板玻璃与分光仪主轴之间的夹角稍微大一点，就不能在旋转 180o后从望远镜视场中再次看到自准像，从而无法判断该怎样调节，相应也就无法顺利完成望远镜光轴与分光仪主轴垂直的调节。结合视频所讲以及我自己和队友做实验时的收获，总结了调整分光仪的小技巧：首先，第一步的目测粗调很重要，找不到绿十字往往是由于这步没有做好的缘故。在调节仪器前，要目测望远镜是否水平。若载物台倾角过大，则旋转180后绿色十字偏转就会过多，导致在目镜视场中找不到绿十字的像。这时，可将望远镜的倾角调大，使望远镜光轴明显倾斜，，接着旋进一圈俯仰螺钉，微微转动一下载物平台，使平面镜的反射面扫过望远镜，如果没有观察到绿十字再旋进一圈俯仰螺钉，微转一下平台，如此反复由下向上扫描，目镜视场中必然会出现绿十字，之后即可用半调法继续调节。 八.实验改进 在调整望远镜光轴与仪器主轴垂直时看不见绿十字的主要原因就是粗调垂直没有做好。目测也并不能确保载物台和望远镜水平。因此可以借助一些工具来帮助我们更准确更简便的调节载物台和望远镜水平。我们可以利用水平仪来帮助我们完成这一工作。比如在载物台和望远镜上加装一个水平仪，使同学们可以通过水平仪来快速的调整载物台和望远镜水平，节省时间，更快更好地做接下来的实验。 九.实验感想 在写这篇研究性报告时，我已经做了六次实验，积分也只差一分就达到要求。这六次实验遇到了不同的老师，也面对了不同的问题。感觉这学期的物理实验是一次美好的经历，对我的学习生活有很大的帮助。物理实验是物理学习的基础，虽然在很多物理实验中我们只是复现课堂上所学理论知识的原理与结果，但这一过程与物理家进行研究分子和物质变化的科学研究中的物理实验是一致的。在物理实验中，影响物理实验现象的因素很多，产生的物理实验现象也错综复杂。老师们通过精心设计实验方案，严格控制实验条件等多种途径，以最佳的实验方式呈现物理问题，使我们通过努力能够顺利地解决物理实验呈现的问题，考验了我们的实际动手能力和分析解决问题的综合能力，加深了我们对有关物理知识的理解。做大学物理实验时，为了在规定的时间内快速高效率地完成实验，达到良好的实验效果，需要课前认真地预习，首先是根据实验题目复习所学习的相关理论知识，并根据实验教材的相关内容，弄清楚所要进行的实验的总体过程，弄懂实验的目的，基本原理，了解实验所采用的方法的关键与成功之处；思考实验可能用到的相关实验仪器，对照教材所列的实验仪器，了解仪器的工作原理，性能，正确操作步骤，特别是要注意那些可能对仪器造成损坏的事项。然后还要写预习报告，预习报告能够帮助我们顺利完成实验中的各项操作。在写预习报告的时候，我们一般包括实验目的，基本原理，实验仪器，操作步骤，测量内容，数据表，预习思考题等。数据表与操作步骤密切相关，数据表中的栏目排列顺序应与操作步骤的顺序合理配合。这样就可以随时将数据按顺序填入表中，也可以随时观察和分析数据的规律性。刚开始时我们不注意预习报告里的数据表格，将数据随便的记录在一张纸上，结果发现整理数据时会出现很多混乱和错误，尤其是数据比较多的时候，比如在做《拉伸法测弹性模量》实验时，由于实验前未提前设计好表格，数据记录得很随便，很乱。在实验过程中不仅要做实验，还要一遍遍的修改记录方式，浪费了大量时间。后来汲取了教训，在实验前根据所要测的物理量和实验步骤设计好数据表格，在实验记录时和处理数据时轻松了不少。实验教会了我们要养成良好的科学的实验习惯。预习思考题，是加深实验内容或对关键问题的理解，开发视野的一些问题，在实验前认真地思考并回答这些问题，有助于提高实验质量。对于不明白的问题或实验原理中一些不明白的地方，可以跟自己的同学讨论一下或查一下相关的资料，实在不明白的地方可以带到课堂上问老师，只有把实验中所有的地方都弄通弄透彻，才能达到实验应有的效果。预习是做实验前必须的工作，但是做实验的主要工作还是课堂操作。课堂操作需要我们严格的遵守实验的各项原则，要将仪器放置在合理的位置，以方便使用和确保安全，比如象高压电源的输出端钮应该远离操作者。经常需要操纵或调节的器件，应该放在便于操纵的位置上。一些电学实验仪器部件较多，首先要把这些仪器部件一一放在合适的位置上，然后再连线。实验过程中要严格按照实验仪器的操作要求来操作，所有仪器要调整到正确的位置和稳定的状态，在安装和调整仪器时还不能使用书本这些本身就不稳定的物品做垫块，否则容易造成测量数据的分散性，影响实验质量，并且容易在成实验仪器的损坏。在的过程中，经常会出现一些故障或观察到的实验现象与理论上的现象不符，首先应认真思考并检查实验仪器使用以及线路连接是否正确，不正确的及时进行改正，若自己不能解决，应及时请老师来指导，切不可敷衍过关，草草了事。还有读数，需要有足够的耐心和细心，尤其是对一些精度比较高的仪器，读数一定要按照正确的读数方法并且一定要细心。对于数据的纪录，则要求我们要有原始的数据纪录，它是记载物理实验全部操作过程的基础性资料。而且在实验过程中必须认真地观察实验现象，并做如实的记录。如果发现实验现象与实验理论不符合，或者测试结果出现异常，就应该认真检查原因，并细心重做实验。实验完成后，应把所有的实验仪器恢复到原位，并认真清理实验台。 十.参考文献及图片附件： [1] 李朝荣等《基础物理实验（修订版）》北京航空航天大学出版社 [2] 张文辉《分光计测三棱镜折射率的探讨》福建农林大学机电学院